有機ケイ素を用いたSiCエピタキシャル成長の表面化学

有機ケイ素を用いたSiCエピタキシャル成長の表面

化学

著者

末光 眞希

有機ケイ素を用いたSiCエピタキシャル

.A: : ･

′   ′成長の表面化学

lJ5 j i

中成1 2強度∼平成1 3年度科学研究糞補助金

(基盤研琴(e) (2)∫)研喪成果報告書

L -LJ .      ･ ･ Th lL ､./ニJ･: T ■

川〟川〟川

〆  00031006327

研究代表者

∴･..I I ･   ′;∼

摘三)年3月

(零北大学車気道虐研究所期教蜘

はしがき

〆 .･-...･･･早.∵卜 ￡′ ノヽ -It77 q･q I SiCはSiに比べ, 7.33倍の絶縁破壊電界, 2.86倍(4H-Sic)のバンドギャップ,約3倍

の熱伝導率,約2倍の飽和電子速度を持ち,次世代のパワーおよび高周波デバイス

用半導体材料として非常に有望視されている.これらのすぐれた物性を生かすsiCデ

バイス実現のためには, SiCエピタキシャル成長技術の確立がきわめて重要である.こ

れは(1)SiCでは熱拡散プロセスによる不純物層の形成が困難であること,また(2)高品 質･大口径siCウエハの実用化が困難で,安価かつ大口径のSiウエハ上-のSiC-チ ロエピタキシが大きな経済効果を持つことによる. このような工学的重要性から, SiCエピタキシはこれまで国の内外で数多くの研究が

なされてきた. SiCエピタキシの今日的課題はSi基板上-テロエピタキシにおける低

温･高品質化,およびSiC基板上ホモエピタキシにおける高速化である.これらを解決

する可能性を持つ成長方法として,従来のSi源とC源の二種類の原料ガスに代わって

単独の有機ケイ素化合物ガスを用いるSiC成膜方法が最近注目を集めている.しかし

有機ケイ素を用いたSiCエピタキシはまだ端緒に着いたばかりである.またSiCエピタキ

シにおける表面水素の役割については有機ケイ素ガスに限らず,これまでほとんど注

意が払われてこなかった.本研究は有機ケイ素化合物によるSiCエピタキシを取上げ,

SiC成長における水素の関る表面化学を明らかにすると共に,その知見に基づいて低

温･高品質のSiCエピタキシ技術を構築することを目的とする.

本研究ではSiC成膜法としてガスソース分子線エピタキシ(GSMBE)法を採用する.

同法は超高真空中に置かれた基板に原料ガスを吹き付け,表面化学反応だけを用い

て成膜を行う方法である.気相反応によるクラッキングがないため原料ガス分子と基板

との表面化学反応をより明確に決定できる.またGSMBE法は超高真空中プロセスで

あるため,従来cvD法では不可能だった｢その場｣表面化学評価が可能となる.本研

究では反射高速電子線回折を用いて表面再配列構造の同定を,また,昇温脱離法を

用いて表面水素の定量を,成膜した｢その場｣で行った.とくに後者はⅩ線光電子分光

法やオージェ分光法など,従来の表面化学組成評価手段では不可能だった表面水

素の定量を可能とし,表面水素被覆率というエピタキシの表面化学を論じるに最も基

本的な物理量を与えてくれる.本研究は平成12-13年度の2年間にわたり日本学術

振興会科学研究費(基盤研究C)の助成を受けて行われた.ここにその研究成果を報

告する.

-2-研究組織

研究代表者:末光 鼻希(東北大学電気通信研究所･助教授)

研究分担者:中 揮 日 出 樹

(東北大学電気通信研究所･中核的研究機関研究員)

築 館 厳 和

(日本学術振興会特別研究員,平成12年度)

交付決定額(配分額)

(金額単位:千円)

直接経費 亊I

ｨﾆ

N

ｲ

合計

平成12年度 ﾃ3 0 ﾃ3 平成13年度 塔 0 塔 総計 釘ﾃ 0 釘ﾃ

研究発表数

(1)学会誌等: 9件

(2)口頭発表: 18件

研究成果による工業所有権の出願･取得状況

工業所有権の名称 價ﾙk竟)kﾂ 権利者名 儘鮎h ｩtﾈﾊ ,ﾈ霻 }鶫MHﾘb 出願年月日 偃i;颯霾 ｢ siC膜の製造方法､ 及びSiC多層膜構 造の製造方法 冓hﾏX腰ｯ2 (i ｨ r 阿部博之 ｮ # ﾓ#SS#8ﾘb 2001年2月1日

siC膜の製造方法､ 及びSiC多層膜構 造の製造方法 冓hﾏYT ｯ2 (iIi?ｨ r 阿部博之 8 8ｨ4ｩ< ｹb 2001年8月27日

研究発表リスト

(1)学会誌等

1. H. Nakazawa, M. Suemitsu,and S.Asami

"Formation of High Quality Sic on Si(100) at 900C using Monomethylsilane Gas-Source

MBE''

Materials Science Forum 338-342(2000) pp･269-272･

2. M. Suemitsu, Y. Enta, Y･ Takegawa, and N･ Miyamoto

_."Mode transition between growthand decomposition of oxides on Si(001):Kinetically

determined critical coverage for oxidation"

Appl･ PhysI Lett･, 77(2000) pp･3179-3181･

3. Y. Tsukidateand M. Suemitsu

"Grow血kinetics and doping mechanism in phosphorus-doped Si gas-source molecular beam

ep血Xy"

Appl. Surf. Sci･ 1751176(2001)43-48･

4. T. Murata, H. Nakazawa, Y･ Tsukidate,and M･ Suemitsu

"Role of adsorption kinetics inthe low-temperature Si growth by gas-source molecular beam

epl叫: 也 s血obseⅣ血)ns and dぬiled mod血g of血e grow血"

Appl･ PhysI Lett., 79(2001) pp･746-748･

5, H. Nakazawaand M. Suemitsu

"Low-temperature formation ofaninterfacial buffer layer uslng mOnOmethylsilanefor 3 C-Sic/Si( 1 00) heteroepitaxy"

Appl. Phys. Lett･, 79(2001) pp･755-7571

6. Y. Tsukidate and M. Suemitsu

Hhfrared study of SiH41adsorbed Si( 1 00) surfaces: observationand mode assigrLment Of new

peaks"

Jpn. JI Appl･ Phys･ 40(2001) pp･5206-5210･

7. Yuji Kurimoto, Tetsuji Shimizu, SatoruIizuka, Maki Suemitsuand Noriyoshi Sato -Effects of Electron Temperature onthe Qualityof a-Si:Hand mc-Si Film"

Th血Solid Fibs, accepted f♭r publication･

8. H. Nakazawa and M. Suemitsu

"Formation of extremely thin, quasi-slngle-domain 3CISiCfilm on resistively heated on-axis

ー4-Si(00 1) substrate using organ0-silane buffer layer" series of Material Science Forum, April, 2002

Trans Tech Publications Ltd. (Switzerland).

9.末光異希,築館厳和

｢その場PドープされたSiガスソースMBEの成長･ドーピング機構｣

信学技報SDM2001-162(2001-10)pp. 17-21.

(2)関連発表論文-当該研究補助以前からの継続研究の成果で,補助期間中に発表された関連論文 1. H. Nakazawa, M. Suemitsu,and S. Asami

"Gas-Source MBE of Sic/Si usmg monome血ylsilane"

¶血Solid Films, 369(2000), pp.269-272.

2. H. Nakazawa,and M. Suemitsu

"Dissociative adsorption of monomethylsilane(MMS) on Si( loo) as revealed by comparative temperature-programmed-desorption studies on H/, C2H2/,and MMS/Si( I 00)"

Appl. Surf. Sci., 162-163(2000) pp. 139-145･

3. M. Suemitsu, Y. Enta, Y. Miyanishi, Y. Takegawa,and N･ Miyamoto

"Transition from random to island grow血mode during Si(100)-2Ⅹl dry oxidationand its

descriptionwithautocatalytic reaction model"

Appl. Surr S°i., 162-163(2000) pp･293-298･

4. H. Nakazawa, M. Suemitsu,and N. Miyamoto

"Role of hydrogen prepairing in the hydrogen desorption kinetics from Si(100)-2xl : etfects of hydrogenatmg-gasandthermal history"

Surf. Sci., 465(2000) pp. 1771185･

(2)口頭発表

1. Maki Suemitsu, YoshiharuEnta, Youichi Takegawaand Nobuo Miyamoto

"Autocatalytic-reaction description of oxidation/decomposition process on 02/Si( I 00)-2x I "

1 0thIntemational Conference on Solid Films and Sur払ces (ICSFS- I 0) (Princeton, July 2000)

2. Y. Tsukidateand M. Suemitsu

HGrow血and doping mechanism of phosphoruS-doped Si CVDH

/ど_  ヽ 叫I.I.1 ･ l 1 I ､

-3. T. Murata, Y. Tsukidate, H･ Nakazawa,and MI Suemitsu

"source一gas pressure dependence of the grow山一rate activation energy ln low-temperature Si

CVD - a balance between adsotptlOn and desorption behindthe grow血rate -"

lstAsianConference on Crystal GTOWthand CrystalTechnology (CGCT- I) (Sendai, August

2000)

4. T. Murata, M. Suemitsu, T･ Abe

"suppressed adsorption of source-gas molecules on strained surface: RT adsorption of GeH4 on Ge(1 1 1)-5X5/Si(1 1 1)H

- ･ lst htematiorLal Workshop on New Group IV (Si-Ge-C) Semiconductors Control of

propenies and Applications to Ultrahigh Speedand Opto-Electronic Devices (Sendai, Jan･ 2001)

5. M. Suemitsuand Y. Tsukidate

"surface chemistry during Si gas-source molecular beam epltaXy in-situ doped with

phosp血e''

lst htemational Workshop on New Group IV (Si-Ge-C) Semiconductors Control of

propertiesand Applications to Ultrahigh Speed and Opto-Electronic Devices (Sendai, Jan･ 2001)

6. H. Nakazawa and M. Suemitsu

"Formation of extremely thin, quasi-slngle-domain 3C-SiC film on resistively heated on-axis si(00 1) substrate u血g organo-silane bu飴r layer''

hternational Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2001 (Tsuknba, Oct･ 2001)

7. T. Murata and M. Suemitsu

"Detailed Modeling of Si Gas-source MBE: Descnpt10nS On Growth Rate and Hydrogen

Coverage"

IUVSTA 15thIntemational Vacuum Congress, AVS 48thhtemational Symposium, 1 1th

htemational Confe,ence on Solid Su血ces (SanFrancisco, Oct･ 200 1)

8. M. Suemitsuand Y. Tsukidate

HGrow血and Doping KineticsinSi Gas-source MBEwithIn-situ Phosphrous-doping"

IUVSTA 15thIntemational Vacuum Congress, AVS 48thhtemationalSymposium, 1 1th

htemational Confe,ence on Solid Surfaces (SanFrancisco, Oct1 200 1)

9. Hideki Nakazawaand Maki Suemitsu

"prepairing-dependent desorption kinetics of hydrogen from Si( I 00)-2X 1 "

htemational ConfTerence on Solid Suraces (Sam Francisco, Oct. 200 1 ) 10.中津目出樹､末光異希 ｢有機シラン法による界面緩和層を用いたSi上3C-Sic GSMBE｣ 2000年秋季第61回応用物理学会学術講演会(分科会13.5)

ll.築舘厳和､末光異希

｢pその場ドープSiエピタキシーにおける成長速度律速過程｣ 2000年秋季第61回応用物理学会学術講演会(分科会13.5)

12.村田威史､築館厳和､中津目出樹､末光異希

｢si_CVD低温成長における成長速度活性化エネルギーの成長圧力依存性｣ 2000年秋季第61回応用物理学会学術講演会(分科会13.5) 13.遠田義晴､庄子大生､木村康男､篠原正典､近藤雄介､瀬山顕雄､庭野道夫､末光異希 ｢si( 1 00)面上NH3吸着表面のSi2p内殻準位スペクトル｣ 2000年秋季第61回応用物理学会学術講演会(分科会) 14. Si(100)初期酸化過程のリアルタイム光電子分光と自己触媒反応モデル(ⅠⅠ)

末光異希､遠田義晴､竹川陽一､宮本信雄

第48回応用物理学関係連合講演会､ 2000年4月明治大学

15.村田威史､末光異希

｢Ge/SiへテロGSMBE成長力イネティクスにおける表面歪み効果｣ 2001年秋季第62回応用物理学会学術講演会(分科会13.5) 16.中津日出樹､末光鼻希 ｢有機シランバッファ法を用いたon-axisSi(00 I)上優勢ドメインを持つ3C-SiC極薄膜の形成｣ 2001年秋季第62回応用物理学会学術講演会(分科会13.5)

17.末光異希､築館厳和

｢その場PドープされたSiガスソースMBEの成長･ドーピング機構｣ 電子情報通信学会シリコン材料デバイス研究会2001年10月19, 20日 18.中津日出樹､末光異希 ｢有機シランバッファ層を用いたon-axis等i(001)基板上シングルドメイン 3C-Sic(001)極薄膜の形成｣ siC及び関連ワイドギャップ半導体研究会第10回講演会 京都工芸繊維大学2001年12月13日∼14日

J･ ヽ t∼･:-･l    → l ∼一      ･､■

研究成果

後に添付した発表論文を以って研究成果に代える･ここではその概要について記す･

(1)有機シラン法によるSi外方拡散の抑制Si基板上のSiC-テロエピタキシャル成

長実験を行い､ Si基板上SiC-テロエビ成長の最重要素過程である､ Si表面における

炭化水素および有機シランガスの吸着過程を詳細に調べた･その結果､分子中に安

定なSi-C結合を有する有機シランガスの吸着表面では基板からのSi原子外方拡散が

jC幅に抑制されることを見出した｡

(2)有機シランバッファ法の開発Si基板上に良好なSiCエピタキシーを行うには､両

結晶間に存在する約20%の格子不整合を解消するため界面にバッファ層を挿入する

必要がある｡従来は炭化水素ガスとSi基板との化学反応を用いてこれを形成していた

が､炭化水素ガスの分解に900℃以上の高温を必要とするため､表面粗れやSi基板中

のボイドの発生が問題だった｡本研究では炭化水素ガスに替わって有機シランガスを

用い､炭化法に比べて300℃低い600℃という低温で良好なバッファ層を形成すること に成功した｡

(3)有機シランGSMBE法の開発従来Si系とC系の2種類の原料ガスを用いて行われ

てきたSiCエピタキシーを有機シラン原料ガス1種類に置き換え､上記の有機シランバ

ッファ法と組合わせることにより､ Si基板上SiC-テロ成長温度を従来の1100℃から goo℃-と､ 200℃低減することに成功した｡さらに表面水素の存在が良好なSiCエピタ キシーを阻害することを明らかにし､ SiCエピタキシーの低温化に関する本質的指針を 得た｡

(4) Sic/Si-テロ工ピタキシにおける単ドメイン化技術の開発無極性Si基板上に有

極性SiC単結晶薄膜を形成する場合､ドメイン境界と呼ばれる欠陥の発生が問題とな

る｡本研究では通電加熱法を用いてSi基板表面を予め単ドメイン化しておくことで､そ

の後に形成されるSiC薄膜を単ドメイン化できることを初めて見出した｡従来の単ドメイ

ン化技術が5 〟 m以上の膜厚を必要としていたのに対し､本技術は50-100nmという極

薄膜でこれを達成できる｡

(5) S舶素過程の解明と成長-ノングSi水素化物を用いたSiエピタキシの成長

素過程を解明した｡とくにSiエピタキシー表面の水素被覆率を成長温度･成長圧力の

関数として初めて実験的に求め､従来の成長モデルではこれらの温度･圧力依存性を

説明できないことを明らかにした｡そして原料吸着過程の温度変化を考慮した新しい

成長モデルを提案し､成長速度と水素被覆率､両者に対する温度･圧力依存性を高

精度かつ統一的に記述することに成功した｡

-8-TOUR ： Tohoku University Repository コメント・シート 本報告書収録の学術雑誌等発表論文は本ファイルに登録しておりません。なお、このうち東北大学 在籍の研究者の論文で、かつ、出版社等から著作権の許諾が得られた論文は、個別にTOUR に登録 しております。 TOUR http://ir.library.tohoku.ac.jp/