Formation of crystalline silicon films having nanometer-size grains using a plasma-enhanced chemical vapor deposition technique

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Formation of crystalline silicon films having nanometer‑size grains using a plasma‑enhanced chemical vapor deposition technique

著者 Atif Mossad Ali journal or

publication title

博士学位論文要旨論文内容の要旨および論文審査結果の要旨／金沢大学大学院自然科学研究科

volume 平成14年9月

page range 60‑63

year 2002‑09‑01

URL http://hdl.handle.net/2297/16415

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氏名生年月日本籍学位の種類学位記番号学位授与の日付学位授与の要件学位授与の題目

AＴＩＦＭＯＳＳＡＤＡＬＩ

エジプト博士(学術）

博甲第４３６号平成１３年９月２８曰

課程博士(学位規則第４条第１項）

ＦＯＲＭＡＴＩＯＮＯＦＣＲＹＳＴＡＬＬＩＮＥＳＩＬｌＣＯＮＦＩＬＭＳＨＡＶｌＮＧＮＡＮＯＭＥＴＥＲ－ＳＩＺＥＧＲＡＩＮＳＵＳＩＮＧＡＰＬＡＳＭＡ－ＥＮＨＡＮＣＥＤＣＨＥＭＩＣＡＬＶＡＰＯＲＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮＴＥＣＨＮＩＱＵＥ(P1asma‐

Enhanced化学気相成長法によるナノメーターサイズ粒子をもつ結晶性シリコン膜の形成）

長谷川誠一(自然科学研究科・教授）

清水立生(工学部･教授）畑朋延(工学部・教授）

森本章治(工学部・教授）猪熊孝夫(工学部・助教授）

論文審査委員(主査）

論文審査委員(副査）

学位論文要旨

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Recently，increasinginteresthasbeenattractedtofabricationand characterizationofnanocrystallinesilicon（nc-Si)，because、c-Siexhibitsa quantumsizeefflectandtherefbrehasapotentialfiorapplicationtooptoelectronics・

Inaddition，theintensivephotoluminescence（PL）atroomtemperaturehas

attractedmuchattentionfbrnc-Sifillns､However,themechanismoftheobserved

visiblePLisstillunclear；SomeresearchersattributethePLtoquantum confinementeff已ctsofSinanocrystalliteswhile･othersattributeittosilicon-based

luminouscompoundssuchassiloxeneandpolysilane，localizedstatesatthe surfiaceofnanoclystallitesandamorphousSi・Ｔｈｅｇｏａｌｏｆｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｗｏｒｋｉｓｔｏ

ｐｒｅparenc-Sifilmsusingaplasma-enhancedchemicalvapordeposition，andtostudy

theirstructuralandopticalproperties．

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］First，thestructuralpropertiesofnc-SifnmsdepositedatlOOoCusing SiF4/SiH4/H2gasmixtureswereinvestigatedbychangingtheSiF4f1owrate([SiF4］

＝O-05sccm).Atacertainlow［SiF4]value（＝［SiF4]s),boththecrystallinity (crystallinevoluIneffaction)，ｐ，andthegrainsizehadlninimulnvalues、The

Ramanpeakshiftscorrespondedwellwithachangeinstress，ａｎｄｆＩｌｍｓｗｉｔｈ [SiF4]sweresuggestedtobefreefromrandomstressinthelocalSi-Sinetworks、

ThePLspectrahadthehighestintensityandthehighestpeakenergyat[SiF4]S・

Second,thecorrelationbetweenthestructuralandtheopticalpropertiesof siliconcrystallitesfbrmedatdepositionteInperature,ＺＵ,oflOOand300oCwere studied，Asaresult，theincreaseinthePLintensitybydecreasingtheaverage

grainsize,＜6>,ｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄａｔｒｈ＝300oCThefnll-widthathalfLmaximum

(ＦＷＨＭ)valuesofthePLspectraoffilmsdepositedatTh＝100oCwerebroader thanthePWHMvaluesoffilmspreparedatZ1d＝300oC-

Third・thestructuralpropertiesofthenc-Sifilmswereexaminedbyvarying theZllfTom95to500oCundertwodi舵renthydrogenflowrates([H2]＝Oand30

sccln)Forthesefilms,thex-raydiffraction,theRamanscattering,theFourier transfbrminfraredabsorptionandthestresswereexanlinedAsaresult，itwas

fbundthattheincreasein［SiF4］underhighZUconditionwaslikelytofbrm pretrentiallythe＜110＞textUredgrainsalongwithanincreaseinthe＜瓦110)＞but todecreasethe＜a(111)＞valueOntheotherhand,theincreasein[H2]underlow 巧conditionscausedtheenhancedfbrlnationof＜111＞grainsactingtoincrease thCcrystallinityandtodecreasethe＜瓦110)＞and＜a(111)＞valuesBasedonthese

results，adiffﾋﾞrenceinthecrystallinepropertieｓｄｕｅｔｏｔｈｅＳｉＦ４ｏｒＨ２ａｄｄition

underdifhentT1dconditionswasinterpretedintermsofadiff己renceintheetching rateduetohydrogenandfluorineradicals，dependingontllevalueofTU・In addition,theetchingatanearlystageoffilmgrowthlnaycausediffごrentsurface

mOrphologyofthesubstrate・

Fourth,theopticalpropertiesofthenc-SifIlmswereexaminedbyvarying theZIifbrtwodifferentserieswithtwodiffbrent[H2]:[H2]＝３０sccmand[SiF4]＝

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0.38sccmasseriesAfllms,ａｎｄｗｉｔｈ[H2]＝Ｏｓｃｃｍａｎｄ［SiF4]＝O5sccmas seriesBfilms・Forthesefilms､twoPLspectrawerefbundataround1.7-1.8ｅＶ

ａｎｄ２２－ｚ３ｅＶ・WhenZllwasincreased,itwasfoundthatthepeakenergies,EPL，

ｏｆｔｈｅ1.7-1.8-eVPLbandfbrseriesAfilnlslnonotonicallydecreasedoin agreementwiththeincreasesinthe＜瓦110)＞values,whilethosefbrseriesBfilIns

hadaｍｉｎｉｍｕｍｖａｌｕｅａｔａｒｏｕｎｄ７ｈ＝z00oC，inoppositecorrelationtotheT1j dependenceofthe＜乱111)＞valuesSuchadiff己rencebetweenthePLprocessfbr seriesAfilrnsandthatfbrseriesBfilmswasinterpretedintermsofadiff己rencein

theetchingrateduetoF-radicalsasetchantsfbrSidependingonZ1dThedecrease inEpLfbrseriesAfilmswithincreasingTUcorrespondedWellwithadecreasein

thcopticalbandgap,Ｅ牙b

Fifth，thestructuralpropertiesinconnectionwithachangeinthePLby

varyingthegaspressure,［H2],rfpowerandZU,wereinvestigatedNc-Sifillns exllibitedroomteInperaturePLwithtwopeaksataroundL8eV(７００，ｍ)and２２

－２３ｅＶ(５４０－５６０ｎｍ).Thefirstl8-eV-peakisrelatedtoaquantumsizeeffect andanotherpeaktotheSiH-relatedbondsThe＜S＞andpdecreasedwith

decreasingthegaspressurelncontrast，ａｌｌｏｆｔｈｅＰＬｐｅａｋｅｎｅｒｇｙ，PLintensity

andE獣'increasedlnaddition,byincreasing[H2],rfpowerandZU,itwasfbund

thatthevaluesof＜S＞，pandPLintensityincreasedandPLpeakenergy

decreased

Hnally,nc-Sifilmsweredepositedonfilsedquartzandsingle(100)crystal SisubstratesusingaSiH4-H2mixtureatdiffbrentTU・ＴｈｅｅｆｆＭｓｏｆｐｌａｓｍａ‐

assistedhydrogenationat300oContheopticalandstructuralpropertieswere

examinedfbrthenc-Sifiilms､TheCrystallizationofthefllmswasobservedatZU

between500and600oCandabove640oCThefilmdepositedａｔＺ１ｊ＝７３００C

exhibitedPLinitsas-depositedstate，buttheintensityorPLdecreasedafter hydrogenationCorrelationwasfbundbetweenthePLintensityandinffared

absorptionbandsataround850andlOOOc、~'．

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学位論文審査結果の要旨

各審査委員によって，提出学位論文に関して個別に審査を行うと共に，平成１３年８月６日に第１回論文審査委員会を開催し，また，平成１３年８月６日に開催した口頭発表の結果を踏まえて，同日に第２回論文審査委員会を開催して協議を行った。その結果，以下のように判定した。

シリコンナノ結晶粒からなる“結晶性シリコン膜”は，可視光での強いフォトルミネセンス（PL）を示し，

発光ミデバイスヘの応用が期待される材料である。本研究では，プラズマ化学気相成長(PECVD)法を利用して，

原料ガスへのＳｉＥＩやＨ２のガス流量，および堆積温度を変化させて，その構造学的性質をＸ線回折分光，ラマン散乱分光，膜応力，さらにはフーリエ変換赤外分光により構成原子の結合構造を調べている。また，光学吸収やＰＬなどの光学的性質の変化を構造学的性質の変化と関連させて調べている。

Ｓｉナ/結晶における結晶性は，Ｓｉ膜堆積中あるいは堆積時初期における，プラズマ中各種ラジカルに起因するエッチングに関連した，様々な効果に強く依存するが，これらの効果が与える影響を分離・解析することは極めて困難である。従って，本研究では，結晶性の変化を，Ｓｉに対するエッチヤントとしてのフッ素や水素ラジカルの働きの違いに注目して議論している。以上の研究成果は，基礎研究面のみでなくＰＥＣＶＤＳｉナノ結晶膜の応用に関する重要な指針を与える。よって，本論文は博士（学術）の学位に値するものと判断

する。

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