Siべ―ス原子層ヘテロ接合形成とデバイス應用に關す���硏究 : Study on forming the Si based Atomic Layer Heterojunction and Its Device Application

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

情報處理裝置の高度化とともに、Si 集積回路に用いられる素子寸法の微細化や高性能化が進められている。しかし、さらにデバイスの微細化が進むと旣存デバイスにおいては構造の統計的搖らぎや量子效果の顯在化により、デバイス特性劣化が指摘されている。このため、將來のSi-LSI ではヘテロ構造量子デバイスの應用は必要不可欠となっている。一方、Si べ-スヘテロ構造形成においてはエネルギ-バンドオフセットとヘテロ界面の統計的搖らぎの制御が大きな課題となっている。そこで、本硏究ではエネルギ-バンドエンジニアリングができる新しい材料形成の目的で原子層成膜法を用いて窒素原子層をSi_(1-x)Ge_(x) 薄膜に導入し、Si ベ-ス原子層へテロ接合形成とデバイス應用に關する硏究をおこなった。
まず、原子層窒素成膜が容易な400℃で窒化を行った後、窒素擴散を防止するため、500℃の低溫でSi_(1-x)Ge_(x) 成膜を行い、窒化量と結晶性との關係について硏究した。XPS とRHEED の分析から、窒化量が約半原子層(N_(N)=3×10^(14)cm^(-2))を超えるとSi(100)表面上でのSi_(3)N_(4) 構造が增加し、結晶性が劣化していくことがわかった。また、原子層窒素成膜したSi_(1-x)Ge_(x) 薄膜の深さ方向での窒素分布を測定した結果、Si 薄膜とSi_(0.8)Ge_(0.2) 薄膜の場合はほぼ1.5nm 領域內に窒素が存在している。すなわち、約1.5nm內でSi_(1-x)Ge_(x)/N/Si_(1-x)Ge_(x)のヘテロ構造が形成していることを見出した。さらに、原子層成膜したSi_(1-x)Ge_(x) 薄膜上に2回目の窒化やSi_(1-x)Ge_(x) 成膜を行い、スペ-サ-の厚みや結晶性と窒素原子の結合構造との關係から、多層Si_(1-x)Ge_(x)/N/Si_(1-x)Ge_(x) のヘテロ構造薄膜をエピタキシャル成膜するためには3nm のスペ-サ-が必要不可欠であることがわかった。
次に、窒素原子層ド-プした薄膜での窒素の擧動を調べるために、多層窒素原子層成膜した薄膜のひずみとキャリア濃度や結晶欠陷との依存性を高分解能XRD とホ-ル測定で評價した。高分解能XRDによる分析結果、窒素原子層ド-プしたSi 薄膜の場合は窒素が格子位置に存在し、膜が張力ひずみを受けている。窒素は薄膜內でｎ型キャリヤであることを見出した。しかし、イオン化エネルギ-が約 80meV であるため、キャリア活性化率は 0.3%である。一方、窒素原子層ド-プしたSi_(0.8)Ge_(0.2) 薄膜の場合は窒素をド-プしてない膜よりも, 壓縮ひずみを受けていることから、窒素原子が格子間位置に入っていると考えられる。Si_(0.8)Ge_(0.2) 薄膜での窒素はキャリア濃度が測定できないほど少ないことがわかった。
最後に、SiGe/Si 共鳴トンネルダイオ-ドに窒素原子層を共鳴トンネル構造に導入し、原子層へテロ構造によるデバイス性能變化を計った。Si_(0.6)Ge_(0.4)/Si-RTDの場合、4K で共鳴の特性が見られたが、膜內でのデバイス安定性や再現性が惡い。その問題を解決するため、Ge の比率を0.2 に下げ、デバイスの再現性や安定性が取れるSi_(0.8)Ge_(0.2)/Si-RTD の製作することができた。安定した共鳴トンネル構造を用いてその障壁や量子井戶に窒素原子層を導入した結果、窒素の導入により、トンネル電流が減少する傾向を觀察した。また、Si_(1-x)Ge_(x) 量子井戶に窒素原子層を導入して常溫で光照射した場合においてピ-ク／バレ-比2.4 に達する負性抵抗特性を見いだした。しかし、常溫共鳴トンネルメカニズムを明確にするためには繼續的な硏究が必要と考えられる。
以上のように、Si_(1-x)Ge_(x)薄膜內の窒素原子層を導入し、窒素原子層の構造、薄膜の結晶性、膜での窒素原子の擧動などの特性を明らかにした。さらに、窒素原子層を共鳴トンネル構造に導入し常溫で驅動するSiGe/Si 共鳴トンネルダイオ-ドの製作條件をみいだした。

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Atomically controlled processing such as atomic layer-by-layer growth becomes increasingly attractive for creating the future generation of integrated circuits and novel semiconductor device concepts. The relationship among the N amount on atomic-layer order nitrided Si_(1-x)Ge_(x) (100), the surface structure and the crystallinity of Si_(1-x)Ge_(x) film deposited on the nitrided Si_(1-x)Ge_(x) (100) has been investigated. The epitaxial growth of Si_(1-x)Ge_(x) film on the nitrided Si_(1-x)Ge_(x) (100) with the initial N amount as high as about 1×10^(14)cm^(-2) is realized at 500oC. Depth profile of N atomic layer doped Si_(1-x)Ge_(x) film clearly shows that most of the N atoms are confined within about 1.5nm thick region. The electrical properties of N atomic layer doped Si epitaxial films on Si(100) is clarified. Hall coefficient of the N atomic layer doped Si films shows n-type conductivity. Donor activation ratio tends to decrease with the N amount, and the typical ratio is about 0.4% at the N amount of 5×10^(13)cm^(-2). The activation energy is about 80 meV calculated by the slope of temperature region of 160-300K. Especially for the p-type double barrier SiGe/Si RTDs with N atomic layer doping in SiGe quantum well, the large NDR characteristics with PVR value of as high as 2.3 is observed at room temperature.

목차 (Table of Contents)

• 要旨
• 目次
• 第1章 序論 = 1
• 1.1 本硏究の背景 = 1
• 1.1.1 Si ベ-スヘテロ構造形成 = 1
• 1.2.1 Si ベ-ス量子構造デバイス = 2
• 1.2 本硏究の目的 = 4
• 參考文獻 = 5
• 第2章 窒素原子層ド-プしたSi_(1-x)Ge_(x) 薄膜の結晶成膜 = 8
• 2.1 序言 = 8
• 2.2 窒素原子層ド-プした Si_(1-x)Ge_(x) 薄膜の評價分析法 = 10
• 2.2.1 表面窒化量の評價方法 = 10
• 2.2.2 窒素ド-プした Si_(1-x)Ge_(x) 薄膜の深さ方向分布評價方法 = 12
• 2.3 Si_(1-x)Ge_(x)(100) 表面での NH_(3) による原子層窒化過程 = 16
• 2.3.1 實驗方法 = 16
• 2.3.2 Si 表面での窒化反と表面構造の變化 = 18
• 2.4 原子層窒化した Si_(1-x)Ge_(x)(100)表面上での Si_(1-x)Ge_(x)薄膜のエピタキシャル成長 = 21
• 2.5 結言 = 27
• 參考文獻 = 28
• 第3章 窒素原子層ド-プしたSi_(1-x)Ge_(x)薄膜內の窒素原子の擧動 = 31
• 3.1 序言 = 31
• 3.2 實驗方法 = 32
• 3.3 窒素原子層成膜した Si 薄膜の結晶性とスペ-サ依存性 = 33
• 3.4 Si_(1-x)Ge_(x)薄膜への窒素原子層ド-ピング特性 = 38
• 3.5 窒素原子層ド-プ Si_(1-x)Ge_(x) 薄膜のキャリア濃度 = 42
• 3.6 結言 = 46
• 參考文獻 = 47
• 第4章 窒素原子層ド-プした SiGe 共鳴トンネルダイオ-ドの製作 = 49
• 4.1 序言 = 49
• 4.1.1 量子構造デバイスの位置付け = 49
• 4.1.2 共鳴トンネルダイオ-ドの動作原理 = 50
• 4.2 共鳴トンネルダイオ-ドの製作プロセス = 52
• 4.3 SiGe/Si 共鳴トンネルダイオ-ドへの窒素原子層ド-ピング = 60
• 4.4 結言 = 66
• 參考文獻 = 67
• 第5章 結論 = 69
• 謝辭 = 72
• 本硏究に關する發表 = 73