JP2000080471A - ＳｉＣ薄膜の作成法 - Google Patents
ＳｉＣ薄膜の作成法Info
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- JP2000080471A JP2000080471A JP10264037A JP26403798A JP2000080471A JP 2000080471 A JP2000080471 A JP 2000080471A JP 10264037 A JP10264037 A JP 10264037A JP 26403798 A JP26403798 A JP 26403798A JP 2000080471 A JP2000080471 A JP 2000080471A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 Ｓｉ−Ｃ間の化学結合の低温形成、および形
成したＳｉＣの低温エピタキシャル成長を可能とする方
法の提供。 【構成】 シリコン基板上に堆積した炭素膜もしくは炭
素一シリコン混合膜または炭素イオンを注入したシリコ
ン基板に対して、高エネルギーイオンを照射することに
よりシリコンと炭素間の反応を励起し、Ｓｉ−Ｃ結合を
形成させてＳｉＣ薄膜を成長させるか、シリコン基板上
に存在する非晶質あるいは無配向ＳｉＣ薄膜に対して、
高エネルギーイオンを照射することにより基板に対して
エピタキシャルな関係を持つＳｉＣ薄膜を成長させる。
成したＳｉＣの低温エピタキシャル成長を可能とする方
法の提供。 【構成】 シリコン基板上に堆積した炭素膜もしくは炭
素一シリコン混合膜または炭素イオンを注入したシリコ
ン基板に対して、高エネルギーイオンを照射することに
よりシリコンと炭素間の反応を励起し、Ｓｉ−Ｃ結合を
形成させてＳｉＣ薄膜を成長させるか、シリコン基板上
に存在する非晶質あるいは無配向ＳｉＣ薄膜に対して、
高エネルギーイオンを照射することにより基板に対して
エピタキシャルな関係を持つＳｉＣ薄膜を成長させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＳｉＣ薄膜の作成
法に関する。
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＳｉＣは、広いバンドギャップ、高い電
子移動度、高い耐熱性を持つこと、および構成元素の資
源量が豊富でかつ環境汚染への懸念が小さい等の特徴を
持つ化合物半導体として、次世代電子素子、高速高温動
作可能電子素子、太陽光発電素子等としての応用が期待
される材料である。特にシリコン基板上に形成されたＳ
ｉＣ薄膜は、現在のシリコンテクノロジーを継承できる
ことから、産業技術の開発コストにおける優位性から
も、実用化が求められる材料である。また材料特性を最
適に引き出すためにシリコン基板に対してエピタキシャ
ルに成長させることも求められている。ＳｉＣ薄膜の作
成法としては、各種ＣＶＤ法、スパッタリング法、各種
ＭＢＥ法等が存在する。
子移動度、高い耐熱性を持つこと、および構成元素の資
源量が豊富でかつ環境汚染への懸念が小さい等の特徴を
持つ化合物半導体として、次世代電子素子、高速高温動
作可能電子素子、太陽光発電素子等としての応用が期待
される材料である。特にシリコン基板上に形成されたＳ
ｉＣ薄膜は、現在のシリコンテクノロジーを継承できる
ことから、産業技術の開発コストにおける優位性から
も、実用化が求められる材料である。また材料特性を最
適に引き出すためにシリコン基板に対してエピタキシャ
ルに成長させることも求められている。ＳｉＣ薄膜の作
成法としては、各種ＣＶＤ法、スパッタリング法、各種
ＭＢＥ法等が存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来のＳｉＣ膜
の形成法は、すべて基板の加熱（６００〜１２００℃以
上）を必要とする。これはＳｉ−Ｃ間の結合が共有結合
であるため、化学結合形成エネルギー、およびエピタキ
シャル結晶成長のための拡散エネルギーが、ともに大き
なものとなるためである。しかし、ＳｉＣとＳｉの格子
定数には約２０％の違い（格子ミスマッチ）があり、か
つその線熱膨張係数にも８％の違いがあるために、高温
での薄膜形成は、冷却時の熱ひずみを生じ、素子特性の
劣化、機械的破損を招くことが予測され、低温薄膜形成
技術の開発が求められていた。本発明は、従来法の欠点
を解消するためになされたもので、その目的は、イオン
照射技法を利用することにより、Ｓｉ−Ｃ間の化学結合
の低温形成、および形成したＳｉＣの低温エピタキシャ
ル成長を可能とする方法を提供することを課題とする。
の形成法は、すべて基板の加熱（６００〜１２００℃以
上）を必要とする。これはＳｉ−Ｃ間の結合が共有結合
であるため、化学結合形成エネルギー、およびエピタキ
シャル結晶成長のための拡散エネルギーが、ともに大き
なものとなるためである。しかし、ＳｉＣとＳｉの格子
定数には約２０％の違い（格子ミスマッチ）があり、か
つその線熱膨張係数にも８％の違いがあるために、高温
での薄膜形成は、冷却時の熱ひずみを生じ、素子特性の
劣化、機械的破損を招くことが予測され、低温薄膜形成
技術の開発が求められていた。本発明は、従来法の欠点
を解消するためになされたもので、その目的は、イオン
照射技法を利用することにより、Ｓｉ−Ｃ間の化学結合
の低温形成、および形成したＳｉＣの低温エピタキシャ
ル成長を可能とする方法を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、ＳｉＣ薄
膜の作成について、鋭意研究を重ねた結果、シリコン、
炭素の２成分系に高エネルギーイオンを照射することに
より、基板の加熱を必要とせずに、高エネルギーイオン
からの非弾性散乱による電子的エネルギー励起によりＳ
ｉＣ薄膜を形成、成長させ得ることを見いだし、本発明
を完成した。
膜の作成について、鋭意研究を重ねた結果、シリコン、
炭素の２成分系に高エネルギーイオンを照射することに
より、基板の加熱を必要とせずに、高エネルギーイオン
からの非弾性散乱による電子的エネルギー励起によりＳ
ｉＣ薄膜を形成、成長させ得ることを見いだし、本発明
を完成した。
【０００５】本発明は、シリコン基板上に堆積した炭素
膜もしくは炭素一シリコン混合膜、または炭素イオンを
注入したシリコン基板に対して、高エネルギーのイオン
を照射することにより、基板加熱なしで、Ｓｉ−Ｃ間の
反応を励起させてＳｉＣ化合物の形成を可能とする方法
である。炭素膜もしくは炭素−シリコン混合膜の形成法
としては、例えば、炭素膜としては、炭素の直接通電加
熱、電子線蒸着等を用い、シリコン膜としては、電子線
蒸着、クヌッセンセル等を用いることにより、それらに
よる同時蒸着あるいは交互蒸着により形成することがで
きる。また、Ｓｉ、Ｃを構成成分とする有機金属の熱分
解等によっても混合膜を形成することが可能であるが、
特に膜形成法に依存することはない。薄膜の厚さに応じ
て高エネルギーのイオン種、エネルギー値を設定すれば
良い。
膜もしくは炭素一シリコン混合膜、または炭素イオンを
注入したシリコン基板に対して、高エネルギーのイオン
を照射することにより、基板加熱なしで、Ｓｉ−Ｃ間の
反応を励起させてＳｉＣ化合物の形成を可能とする方法
である。炭素膜もしくは炭素−シリコン混合膜の形成法
としては、例えば、炭素膜としては、炭素の直接通電加
熱、電子線蒸着等を用い、シリコン膜としては、電子線
蒸着、クヌッセンセル等を用いることにより、それらに
よる同時蒸着あるいは交互蒸着により形成することがで
きる。また、Ｓｉ、Ｃを構成成分とする有機金属の熱分
解等によっても混合膜を形成することが可能であるが、
特に膜形成法に依存することはない。薄膜の厚さに応じ
て高エネルギーのイオン種、エネルギー値を設定すれば
良い。
【０００６】さらに、本発明は、このようにして形成し
たＳｉＣ薄膜あるいはその他の方法によりシリコン基板
上に形成された非晶質または無配向ＳｉＣ薄膜に対し
て、高エネルギーイオンを照射することにより、基板加
熱なしで、それら薄膜を基板シリコンに対してエピタキ
シャルに成長させることを特徴とするＳｉＣ薄膜の作成
法にある。非晶質または無配向ＳｉＣ薄膜の作成法とし
ては、スパッタリング法、メチルシラン等の有機金属を
用いたＣＶＤ法等がある。
たＳｉＣ薄膜あるいはその他の方法によりシリコン基板
上に形成された非晶質または無配向ＳｉＣ薄膜に対し
て、高エネルギーイオンを照射することにより、基板加
熱なしで、それら薄膜を基板シリコンに対してエピタキ
シャルに成長させることを特徴とするＳｉＣ薄膜の作成
法にある。非晶質または無配向ＳｉＣ薄膜の作成法とし
ては、スパッタリング法、メチルシラン等の有機金属を
用いたＣＶＤ法等がある。
【０００７】本発明の方法では、基板加熱が必要ないこ
とにより、熱膨張係数の差による収縮に由来する機械的
歪みを抑制することが可能となる。また、基板シリコン
との界面における熱拡散も抑制可能である。高温では炭
素はシリコン中に固溶することが知られている。ＳｉＣ
／Ｓｉの半導体接合を利用する素子を開発する場合に
は、炭素の固溶によるＳｉ側の特性変化は素子機能の劣
化を招くことになる。ただし、本発明の方法は、基板加
熱をしないことを不可欠とするものではない。半導体素
子として求められる特性が基板加熱を許容するのであれ
ば、基板加熱を併用することも可能である。この場合
は、照射するイオンエネルギーや照射量を低減できるメ
リットがある。
とにより、熱膨張係数の差による収縮に由来する機械的
歪みを抑制することが可能となる。また、基板シリコン
との界面における熱拡散も抑制可能である。高温では炭
素はシリコン中に固溶することが知られている。ＳｉＣ
／Ｓｉの半導体接合を利用する素子を開発する場合に
は、炭素の固溶によるＳｉ側の特性変化は素子機能の劣
化を招くことになる。ただし、本発明の方法は、基板加
熱をしないことを不可欠とするものではない。半導体素
子として求められる特性が基板加熱を許容するのであれ
ば、基板加熱を併用することも可能である。この場合
は、照射するイオンエネルギーや照射量を低減できるメ
リットがある。
【０００８】高エネルギーイオンとして用いることが可
能な下限エネルギーは、イオンの種類および薄膜の膜厚
に依存するが、ＬＳＳ理論に基づいた計算により予測さ
れる非弾性散乱エネルギー損失と弾性散乱エネルギー損
失の比が５を越えることが必要であり、１０を越えるこ
とが望ましい。エピタキシャル成長を実現するために
は、ＳｉＣ薄膜と基板の界面において、この比を保持し
なければならないため、ＳｉＣ薄膜の膜厚が厚くなれ
ば、それに従い高いエネルギーが必要となる。一方、こ
の比はエネルギーが高くなるに従い高くなるため、用い
得るエネルギーの上限は原理的にはない。またこの比
は、用いるイオンの質量が大きくなるに従い小さくなる
ため、重いイオンの場合には相対的に高いエネルギーが
必要となる。
能な下限エネルギーは、イオンの種類および薄膜の膜厚
に依存するが、ＬＳＳ理論に基づいた計算により予測さ
れる非弾性散乱エネルギー損失と弾性散乱エネルギー損
失の比が５を越えることが必要であり、１０を越えるこ
とが望ましい。エピタキシャル成長を実現するために
は、ＳｉＣ薄膜と基板の界面において、この比を保持し
なければならないため、ＳｉＣ薄膜の膜厚が厚くなれ
ば、それに従い高いエネルギーが必要となる。一方、こ
の比はエネルギーが高くなるに従い高くなるため、用い
得るエネルギーの上限は原理的にはない。またこの比
は、用いるイオンの質量が大きくなるに従い小さくなる
ため、重いイオンの場合には相対的に高いエネルギーが
必要となる。
【０００９】イオンの種類としては、上述の比が５を越
えればその種類を問わないが、但し水素イオンについて
は、炭素一水素のエネルギー粒子の衝突は核反応の可能
性を持つため、実用上好ましくない。よって、水素を除
くもっとも軽い元素であるヘリウムでの２０ｋｅＶが下
限エネルギーとなる。実際的なイオンエネルギーの選択
には、照射イオンの弾性散乱による基板シリコンの格子
乱れが表面のＳｉＣ薄膜の結晶性、表面平滑性に及ぼす
影響を考慮する必要がある。
えればその種類を問わないが、但し水素イオンについて
は、炭素一水素のエネルギー粒子の衝突は核反応の可能
性を持つため、実用上好ましくない。よって、水素を除
くもっとも軽い元素であるヘリウムでの２０ｋｅＶが下
限エネルギーとなる。実際的なイオンエネルギーの選択
には、照射イオンの弾性散乱による基板シリコンの格子
乱れが表面のＳｉＣ薄膜の結晶性、表面平滑性に及ぼす
影響を考慮する必要がある。
【００１０】本発明の方法を実施するためには、下記の
ような装置を使用できる。図１にその概略を示す。イオ
ンエネルギーとしてヘリウムイオン２０ｋｅＶ以上を発
生できるイオン発生装置１。イオン発生装置１、真空排
気装置２とつながった真空槽３。真空度は、イオン発生
装置１のエネルギーによるが、残留ガスとの散乱による
イオンエネルギーの減衰による不確実性の発生、真空か
らのコンタミ防止のために、通常は１０-4Ｐａ以上であ
ることが望ましい。真空槽２内にある試料保持装置４。
この試料保持装置４は、シリコン上の炭素源、炭素−シ
リコン混合膜等を保持し、その膜にイオン照射できるよ
うに配置できるものであればよい。炭素、シリコン膜形
成装置５。シリコン上の炭素膜、炭素−シリコン混合膜
等は、真空槽３内に外部から導入できる機構があれば良
いが、大気からの不純物混入を防ぐために、この真空槽
３内に炭素膜、炭素−シリコン混合膜等の作成が可能と
なる薄膜形成装置を備えていることが好ましい。
ような装置を使用できる。図１にその概略を示す。イオ
ンエネルギーとしてヘリウムイオン２０ｋｅＶ以上を発
生できるイオン発生装置１。イオン発生装置１、真空排
気装置２とつながった真空槽３。真空度は、イオン発生
装置１のエネルギーによるが、残留ガスとの散乱による
イオンエネルギーの減衰による不確実性の発生、真空か
らのコンタミ防止のために、通常は１０-4Ｐａ以上であ
ることが望ましい。真空槽２内にある試料保持装置４。
この試料保持装置４は、シリコン上の炭素源、炭素−シ
リコン混合膜等を保持し、その膜にイオン照射できるよ
うに配置できるものであればよい。炭素、シリコン膜形
成装置５。シリコン上の炭素膜、炭素−シリコン混合膜
等は、真空槽３内に外部から導入できる機構があれば良
いが、大気からの不純物混入を防ぐために、この真空槽
３内に炭素膜、炭素−シリコン混合膜等の作成が可能と
なる薄膜形成装置を備えていることが好ましい。
【００１１】
【実施例】実施例１ シリコン（１００）基板上に電子線蒸着により形成した
厚さ１ｎｍの炭素薄膜に２ＭｅＶのアルゴンイオンを１
×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2 以上照射することにより、室
温、基板加熱なしで非晶質ＳｉＣ薄膜を得た。さらにイ
オン照射を続けることにより、非晶質ＳｉＣ薄膜は基板
シリコン（１００）に対してエピタキシャルな関係を持
つ結晶質ＳｉＣ薄膜を得た。
厚さ１ｎｍの炭素薄膜に２ＭｅＶのアルゴンイオンを１
×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2 以上照射することにより、室
温、基板加熱なしで非晶質ＳｉＣ薄膜を得た。さらにイ
オン照射を続けることにより、非晶質ＳｉＣ薄膜は基板
シリコン（１００）に対してエピタキシャルな関係を持
つ結晶質ＳｉＣ薄膜を得た。
【００１２】実施例２ シリコン（１００）基板上に電子線蒸着により形成した
厚さ２モノレイヤーの炭素薄膜に２００ｋｅＶのへリウ
ムイオンを１×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2 以上照射するこ
とにより、室温、基板加熱なしで非晶質ＳｉＣ薄膜を得
た。さらにイオン照射を続けることにより、非晶質Ｓｉ
Ｃ薄膜は基板シリコン（１００）に対してエピタキシャ
ルな関係を持つ結晶質ＳｉＣ薄膜を得た。
厚さ２モノレイヤーの炭素薄膜に２００ｋｅＶのへリウ
ムイオンを１×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2 以上照射するこ
とにより、室温、基板加熱なしで非晶質ＳｉＣ薄膜を得
た。さらにイオン照射を続けることにより、非晶質Ｓｉ
Ｃ薄膜は基板シリコン（１００）に対してエピタキシャ
ルな関係を持つ結晶質ＳｉＣ薄膜を得た。
【００１３】実施例３ シリコン（１００）基板上に電子線蒸着により炭素膜
（厚さｌｎｍ）とシリコン膜（厚さｌｎｍ）の多層膜を
形成し、これに対して２ＭｅＶのアルゴンイオンを１×
１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2 以上照射することにより、室
温、基板加熱なしで非晶質ＳｉＣ薄膜を得た。さらにイ
オン照射を続けることにより、非晶質ＳｉＣ薄膜は基板
シリコン（１００）に対してエピタキシャルな関係を持
つ結晶質ＳｉＣ薄膜を得た。
（厚さｌｎｍ）とシリコン膜（厚さｌｎｍ）の多層膜を
形成し、これに対して２ＭｅＶのアルゴンイオンを１×
１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2 以上照射することにより、室
温、基板加熱なしで非晶質ＳｉＣ薄膜を得た。さらにイ
オン照射を続けることにより、非晶質ＳｉＣ薄膜は基板
シリコン（１００）に対してエピタキシャルな関係を持
つ結晶質ＳｉＣ薄膜を得た。
【００１４】実施例４ シリコン（１００）基板上にエチレンの熱分解法により
形成した無配向多結晶ＳｉＣ薄膜（厚さ５ｎｍ）に対し
て、２ＭｅＶのアルゴンイオンを５×１０15ｉｏｎｓ／
ｃｍ2 以上照射することにより、室温、基板加熱なしで
基板シリコン（１００）に対してエピタキシャルな関係
を持つ結晶質ＳｉＣ薄膜を得た。
形成した無配向多結晶ＳｉＣ薄膜（厚さ５ｎｍ）に対し
て、２ＭｅＶのアルゴンイオンを５×１０15ｉｏｎｓ／
ｃｍ2 以上照射することにより、室温、基板加熱なしで
基板シリコン（１００）に対してエピタキシャルな関係
を持つ結晶質ＳｉＣ薄膜を得た。
【００１５】
【発明の効果】本発明の方法によると、次世代半導体材
料であるＳｉＣを、室温で、シリコン基板に対してエピ
タキシャルな薄膜として作成することが可能になる。
料であるＳｉＣを、室温で、シリコン基板に対してエピ
タキシャルな薄膜として作成することが可能になる。
【図１】本発明の方法を実施するために用いる装置の模
式図である。
式図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 相沢 俊 茨城県つくば市並木１丁目１番地 科学技 術庁無機材質研究所内 Ｆターム(参考） 4G046 MA14 MB03 MB10 4K029 AA06 BA56 CA07 CA10
Claims (5)
- 【請求項１】 シリコン基板上に堆積した炭素膜もしく
は炭素一シリコン混合膜または炭素イオンを注入したシ
リコン基板に対して、高エネルギーイオンを照射するこ
とによりシリコンと炭素間の反応を励起し、Ｓｉ−Ｃ結
合を形成させてＳｉＣ薄膜を成長させることを特徴とす
るＳｉＣ薄膜の作成法。 - 【請求項２】 シリコン基板上に存在する非晶質あるい
は無配向ＳｉＣ薄膜に対して、高エネルギーイオンを照
射することにより基板に対してエピタキシャルな関係を
持つＳｉＣ薄膜を成長させることを特徴とするＳｉＣ薄
膜の作成法。 - 【請求項３】 高エネルギーイオンとして、１０ｋｅＶ
以上のエネルギーを持つイオンを用いることを特徴とす
る請求項１または２記載のＳｉＣ薄膜の作成法。 - 【請求項４】 高エネルギーイオンとして、ヘリウムイ
オン以上の質量を持つイオンを用いることを特徴とする
請求項１または２記載のＳｉＣ薄膜の作成法。 - 【請求項５】 基板を加熱しない状態で高エネルギーイ
オンを照射することを特徴とする請求項１または２記載
のＳｉＣ薄膜の作成法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10264037A JP3131773B2 (ja) | 1998-09-02 | 1998-09-02 | ＳｉＣ薄膜の作成法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10264037A JP3131773B2 (ja) | 1998-09-02 | 1998-09-02 | ＳｉＣ薄膜の作成法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000080471A true JP2000080471A (ja) | 2000-03-21 |
| JP3131773B2 JP3131773B2 (ja) | 2001-02-05 |
Family
ID=17397681
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10264037A Expired - Lifetime JP3131773B2 (ja) | 1998-09-02 | 1998-09-02 | ＳｉＣ薄膜の作成法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3131773B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011001225A (ja) * | 2009-06-19 | 2011-01-06 | Japan Atomic Energy Agency | 単結晶炭化ケイ素ナノチューブの製造方法 |
| CN103985846A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-08-13 | 西安交通大学 | 一种碳负载的纳米硅颗粒结构及其制备方法和应用 |
-
1998
- 1998-09-02 JP JP10264037A patent/JP3131773B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011001225A (ja) * | 2009-06-19 | 2011-01-06 | Japan Atomic Energy Agency | 単結晶炭化ケイ素ナノチューブの製造方法 |
| CN103985846A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-08-13 | 西安交通大学 | 一种碳负载的纳米硅颗粒结构及其制备方法和应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3131773B2 (ja) | 2001-02-05 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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