JPH05319984A - Production of metallic epitaxial film - Google Patents

Production of metallic epitaxial film

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JPH05319984A
JPH05319984A JP14805292A JP14805292A JPH05319984A JP H05319984 A JPH05319984 A JP H05319984A JP 14805292 A JP14805292 A JP 14805292A JP 14805292 A JP14805292 A JP 14805292A JP H05319984 A JPH05319984 A JP H05319984A
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JP
Japan
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metal
copper
layer
single crystal
substrate
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Application number
JP14805292A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshiki Kanazuki
俊樹 金月
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Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Original Assignee
Nisshin Steel Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To improve the inferiority in productivity in producing a metallic epitaxial film according to a molecular beam epitaxial method by using the (110) face of GaAs or the (000) face of sapphire as a substrate. CONSTITUTION:The metallic epitaxial film is obtained by forming a copper thin layer having the (111) face on the (111) face of singe crystal silicon as a substrate, especially the clean surface having the (111) 7X7 superstructure according to the molecular beam epitaxial method and then forming a single crystal layer of a metal having a face-centered cubic structure or a metal having a hexagonal closed-packed structure or an alternate laminated layer of the metals on the (111) face of the copper single crystal thin layer according to the molecular beam epitaxial method. This metallic epitaxial film has an epitaxial relation among the silicon substrate, the copper thin layer and the metallic layer and further a flat surface.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は,分子線エピタキシー法
を利用した金属エピタキシャル膜の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a metal epitaxial film using a molecular beam epitaxy method.

【0002】[0002]

【従来の技術】他の結晶基板の表面に一定の定まった方
位関係をもって平坦な金属結晶薄膜を形成させた金属エ
ピタキシャル膜は,磁気記録媒体,磁気センサー,X線
鏡,中性子回折格子,弾性波素子などに適用される機能
性金属薄膜として期待されている。
2. Description of the Related Art A metal epitaxial film having a flat metal crystal thin film formed on the surface of another crystal substrate with a fixed orientation relation is used for a magnetic recording medium, a magnetic sensor, an X-ray mirror, a neutron diffraction grating, an elastic wave. It is expected as a functional metal thin film applied to devices and the like.

【0003】かような金属エピタキシャル膜は,分子線
エピタキシー法によって製造できるが,金属エピタキシ
ャル膜の表面方位を(111)にする場合には,基板と
してヒ素化ガリウムの(110)表面や,サファイア
(α-Al23)の(0001)表面の使用が推奨されて
いた。
Such a metal epitaxial film can be manufactured by a molecular beam epitaxy method, but when the surface orientation of the metal epitaxial film is (111), a (110) surface of gallium arsenide or sapphire () is used as a substrate. The use of (0001) surface of α-Al 2 O 3 ) was recommended.

【0004】ここでいう分子線エピタキシー法とは,
「10-9Torr以下の残留ガス圧」で定義される超高真空の
もとで,原料を熱的に蒸発させて分子線を形成させ, こ
の分子線を単結晶基板上に照射することによって, 該基
板の表面の結晶方位と一定の関係をもった方位の結晶を
堆積成長させて単結晶膜を得る方法であり,高度に制御
された特殊な真空蒸着法の1種である。
The molecular beam epitaxy method referred to here is
Under ultra-high vacuum defined by “residual gas pressure below 10 −9 Torr”, the raw material is thermally evaporated to form a molecular beam, and this molecular beam is irradiated onto a single crystal substrate. This is a method of obtaining a single crystal film by depositing and growing a crystal having an orientation having a certain relationship with the crystal orientation of the surface of the substrate, which is one kind of highly controlled special vacuum deposition method.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】分子線エピタキシー法
を適用して金属エピタキシャル膜を製造するさいに,基
板としてヒ素化ガリウムを用いる場合には,(110)
表面の大面積基板を作成するのが困難であるという問題
がある。
When gallium arsenide is used as a substrate when a metal epitaxial film is produced by applying a molecular beam epitaxy method, (110)
There is a problem that it is difficult to form a large-area substrate on the surface.

【0006】また,ヒ素化ガリウム基板は,表面平坦化
及び清浄化のために加熱処理するとヒ素が選択的に蒸発
するので,この処理は有毒なヒ素の蒸気圧下で行わなけ
ればならないという問題がある。
Further, when a gallium arsenide substrate is subjected to heat treatment for surface flattening and cleaning, arsenic is selectively vaporized, so that this treatment must be carried out under the vapor pressure of toxic arsenic. ..

【0007】さらに,ヒ素化ガリウムと金属は反応しや
すいので,金属層が薄い場合には金属層中にガリウムま
たはヒ素が混入することにより純度が悪くなるという問
題がある。
Further, since gallium arsenide and the metal easily react with each other, when the metal layer is thin, there is a problem that the purity is deteriorated by mixing gallium or arsenic into the metal layer.

【0008】このようなことから,基板としてヒ素化ガ
リウムを用いる方法では,大面積で高重度の金属エピタ
キシャル膜を安全に製造することは困難であった。
For these reasons, it has been difficult to safely produce a large-area and highly-heavy metal epitaxial film by the method using gallium arsenide as the substrate.

【0009】一方,基板としてサファイアを使用する場
合には,サファイアの(0001)表面に対して多くの
金属膜はエピタキシャル成長はせずに多結晶となる。こ
のため,膜形成後に300℃〜700℃の温度で数十分
間アニールすることが行われるが,アニールしても単結
晶となる金属は少ない。
On the other hand, when sapphire is used as the substrate, many metal films on the (0001) surface of sapphire do not grow epitaxially but become polycrystalline. Therefore, although annealing is performed at a temperature of 300 ° C. to 700 ° C. for several tens of minutes after the film formation, even if the annealing is performed, few metals become single crystals.

【0010】アニールしても単結晶とならない金属の場
合には,直接サファイア上に該金属膜を形成させずに,
いったん銀の下地膜を形成させ,この下地膜をアニール
して単結晶化したうえ,その上に該金属単結晶膜をエピ
タキシー成長させることも行われたが,良質の金属エピ
タキシャル膜を製造することは容易ではなかった。
In the case of a metal that does not become a single crystal even when annealed, without directly forming the metal film on sapphire,
Although a silver underlayer was once formed, this underlayer was annealed to form a single crystal, and the metal single-crystal film was epitaxially grown on it. Was not easy.

【0011】本発明は,このような問題の解決を目的に
したものであり, 良質な結晶性を有する金属エピタキシ
ャル膜の新しい製造方法を提供しようとするものであ
る。
The present invention is intended to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a new method for producing a metal epitaxial film having good crystallinity.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は,分子線エピタ
キシー法により,単結晶シリコンを基板として, その
(111)表面,とくに(111)7×7超格子構造の
清浄表面に,(111)表面をもつ銅の薄層を形成させ
たうえ,この銅単結晶薄層(111)表面上に,分子線
エピタキシー法により,面心立方構造金属または六方最
密充填構造金属の単結晶層を,或いは面心立方構造金属
と六方最密充填構造金属の単結晶層の交互積層を形成す
ることを特徴とし,これによって,シリコン基板と銅薄
層と該金属層とがエピタキシー関係を有しかつ平坦な表
面を持つ金属エピタキシャル膜を得るものである。
According to the present invention, single crystal silicon is used as a substrate by a molecular beam epitaxy method, and its (111) surface, in particular, a clean surface of a (111) 7 × 7 superlattice structure, (111) After forming a thin layer of copper having a surface, a single-crystal layer of face-centered cubic structure metal or hexagonal close-packed structure metal is formed on this copper single-crystal thin layer (111) surface by molecular beam epitaxy. Alternatively, it is characterized by forming alternating layers of single crystal layers of face-centered cubic structure metal and hexagonal close-packed structure metal, whereby the silicon substrate, the copper thin layer and the metal layer have an epitaxy relationship and are flat. A metal epitaxial film having a smooth surface is obtained.

【0013】本発明の実施にあたり,シリコン基板上に
形成させる銅の薄層は,その厚さを30オングストロー
ム以上とするのがよく,またその際のシリコン基板の温
度は0℃〜100℃に保持するのがよい。
In the practice of the present invention, the thin copper layer formed on the silicon substrate should preferably have a thickness of 30 angstroms or more, and the temperature of the silicon substrate at that time should be kept at 0 ° C to 100 ° C. Good to do.

【0014】[0014]

【作用】本発明で適用する分子線エピタキシー法は, 前
記のとおり,10-9Torr以下の残留ガス圧の超高真空下
で,原料を熱的に蒸発させて分子線を形成させ,これを
単結晶基板上に照射し堆積させることによって,エピタ
キシャル関係をもつ単結晶膜を得る方法である。また
(111)7×7超格子構造は,シリコンのバルク状態
における(111)結晶面の原子配列の7倍の周期をも
った表面特有の構造であり,表面自由エネルギーを下げ
るために表面原子が再配列したものである。
[Function] As described above, the molecular beam epitaxy method applied in the present invention is to form a molecular beam by thermally evaporating a raw material under ultrahigh vacuum with a residual gas pressure of 10 -9 Torr or less. This is a method of obtaining a single crystal film having an epitaxial relationship by irradiating and depositing it on a single crystal substrate. The (111) 7 × 7 superlattice structure is a surface-specific structure having a period seven times as large as the atomic arrangement of the (111) crystal plane in the bulk state of silicon. It has been rearranged.

【0015】シリコンはダイアモンド構造を有するが,
その単結晶の(111)7×7超格子構造洗浄表面に,
分子線エピタキシー法により銅の薄層を形成させると,
銅層の厚さが30オングストローム以上では原子的に平
坦な(111)表面を有する銅単結晶層が形成できるこ
とがわかった。
Although silicon has a diamond structure,
On the (111) 7 × 7 superlattice structure washed surface of the single crystal,
When a thin copper layer is formed by molecular beam epitaxy,
It was found that a copper single crystal layer having an atomically flat (111) surface can be formed when the thickness of the copper layer is 30 Å or more.

【0016】このようにしてシリコン基板上に(11
1)表面を有する銅単結晶をバッファ層として形成させ
てから,このバッファ層上に分子線エピタキシー法によ
り面心立方構造を有する金属または六方最密充填構造を
有する金属膜を形成させるか,或いは該金属2種類以上
を交互に積層させると,シリコン基板と銅バッファ層と
該金属とがエピタキシー関係を有し且つ平坦な表面を持
つ金属膜が形成できることがわかった。
In this way, (11
1) A copper single crystal having a surface is formed as a buffer layer, and then a metal film having a face-centered cubic structure or a metal film having a hexagonal close-packed structure is formed on the buffer layer by a molecular beam epitaxy method, or It was found that when two or more kinds of the metals are alternately laminated, a metal film having a flat surface with a silicon substrate, a copper buffer layer, and the metal having an epitaxy relationship can be formed.

【0017】シリコン単結晶基板の表面が(111)7
×7超格子構造以外であると,(111)表面を有する
銅単結晶層が形成されず,この場合には,この上に面心
立方金属または六方最密充填金属を堆積しても多結晶膜
となりエピタキシー現象は現れない。
The surface of the silicon single crystal substrate is (111) 7
A copper single crystal layer having a (111) surface is not formed except for a x7 superlattice structure. In this case, even if a face-centered cubic metal or a hexagonal close-packed metal is deposited on this, a polycrystalline It becomes a film and no epitaxy phenomenon appears.

【0018】(111)7×7超格子構造表面を有する
シリコン基板を用いても,前記のような銅バッファ層を
形成させずに,該基板上に直接に銅以外の面心立方金属
または六方最密充填金属の膜を分子線エピタキシー法に
より形成させると,該金属膜は単結晶膜とならず配向性
のある多結晶膜となる。これに対し,該銅バッファ層を
設けた場合では,該金属が面心立方構造となる場合には
(111)表面方位をもち,また該金属が六方最密充填
構造となる場合には(0001)表面方位をもつ単結晶
膜が形成される。
Even if a silicon substrate having a (111) 7 × 7 superlattice structure surface is used, face-centered cubic metal or hexagonal metal other than copper is directly formed on the substrate without forming the copper buffer layer as described above. When the film of the closest packing metal is formed by the molecular beam epitaxy method, the metal film does not become a single crystal film but a polycrystal film having orientation. In contrast, when the copper buffer layer is provided, the metal has a (111) surface orientation when it has a face-centered cubic structure, and when the metal has a hexagonal close-packed structure (0001). ) A single crystal film having a surface orientation is formed.

【0019】シリコン基板上に銅バッファ層を形成させ
るには,超高真空下で行なう分子線エピタキシー法を用
いる。分子線エピタキシー法以外の方法では,活性な不
純物ガスの分圧が高いので,ガス分子が基板を汚染した
りまた形成膜中に混入して,清浄でかつ(111)方位
を有する銅単結晶層が形成できない。分子線エピタキシ
ー法ではこのような問題が付随せず,(111)方位を
有する銅単結晶層が形成できる。
To form a copper buffer layer on a silicon substrate, a molecular beam epitaxy method performed under ultrahigh vacuum is used. In methods other than the molecular beam epitaxy method, since the partial pressure of the active impurity gas is high, the gas molecules contaminate the substrate or mix in the formed film, so that the copper single crystal layer having a clean and (111) orientation is formed. Cannot be formed. The molecular beam epitaxy method does not have such a problem, and a copper single crystal layer having a (111) orientation can be formed.

【0020】銅バッファ層の厚さは30オングストロー
ム以上とするのがよい。30オングストローム未満では
銅層はシリコン基板上で島構造を形成しており, 銅層は
平坦な(111)表面を持たず,従ってこの上に形成し
た面心立方金属または六方最密充填金属も平坦な表面を
持たなくなり結晶性も低下する。
The thickness of the copper buffer layer is preferably 30 Å or more. Below 30 Å, the copper layer forms an island structure on the silicon substrate, and the copper layer does not have a flat (111) surface, so the face-centered cubic metal or hexagonal close-packed metal formed on this also has a flat surface. Since it does not have a smooth surface, the crystallinity also decreases.

【0021】銅バッファ層上に形成させる単結晶金属の
種類は,面心立方構造または六方最密充填構造を有する
ものがよい。これ以外の構造のものでは,バッファ層で
ある銅の(111)表面の原子配列の3回対称性と一致
しないので,結晶方位の回転が現れ,銅バッファ層上に
形成された金属膜が単結晶とならず配向性膜となる場合
がある。
The type of single crystal metal formed on the copper buffer layer is preferably one having a face-centered cubic structure or a hexagonal close-packed structure. In the structures other than this, since the atomic arrangement on the (111) surface of copper, which is the buffer layer, does not match the three-fold symmetry, the rotation of the crystal orientation appears, and the metal film formed on the copper buffer layer becomes a single layer. It may become an oriented film instead of a crystal.

【0022】銅バッファ層形成時のシリコン基板の温度
は,0℃〜100℃の範囲とするのがよい。基板温度が
低すぎると表面拡散が遅くなって銅バッファ層の平坦性
が悪くなり,原子的に平坦な表面が得られず, また逆に
温度が高すぎると銅とシリコンが反応を起こし, 銅がエ
ピタキシャル成長しない。以下に本発明者が行った試験
に基づいて本発明の実施例を説明する。
The temperature of the silicon substrate when forming the copper buffer layer is preferably in the range of 0 ° C to 100 ° C. If the substrate temperature is too low, surface diffusion slows down and the flatness of the copper buffer layer deteriorates, and an atomically flat surface cannot be obtained. Conversely, if the temperature is too high, copper reacts with silicon and the copper Does not grow epitaxially. Examples of the present invention will be described below based on tests conducted by the present inventors.

【0023】[0023]

【実施例】銅バッファ層上に形成させる金属層として,
面心立方構造(FCC)の金属には金,銀および白金を
選び,六方最密充填構造(HCP)の金属にはコバルト
を選んだ。原料金属の純度は,銅が99.9999%, 金が99.
999%, 銀が99.999%, 白金が99.99%, コバルトが99.9
98%であった。
[Example] As a metal layer formed on the copper buffer layer,
Gold, silver and platinum were selected for the face centered cubic (FCC) metal, and cobalt was selected for the hexagonal close packed (HCP) metal. The purity of raw metal is 99.9999% for copper and 99 for gold.
999%, silver 99.999%, platinum 99.99%, cobalt 99.9
It was 98%.

【0024】金属膜の形成は,ベース真空度1×10-11T
orr以下の極高真空 (XHV)が得られる分子線エピタ
キシー(MBE)装置により行った。このMBE装置
は,成膜室に準備室と表面分析室が接続されており,試
料は超高真空(UHV)条件を破ることなく各室を自由
に移動できる。
The metal film is formed at a base vacuum degree of 1 × 10 -11 T
It was carried out by a molecular beam epitaxy (MBE) device capable of obtaining an extremely high vacuum (XHV) of orr or less. In this MBE apparatus, a preparation chamber and a surface analysis chamber are connected to a film formation chamber, and a sample can freely move in each chamber without breaking an ultra high vacuum (UHV) condition.

【0025】分子線源としては,必要な分子線強度を得
るための平衡蒸気圧を与える温度の関係から,銅,金お
よび銀に対してはクヌーセンセル(K−セル)を,また
白金およびコバルトに対しては電子ビーム蒸発源(E−
ガン)を用いた。E−ガン使用の場合には,分子線強度
を一定にするため,電子衝撃発光分光法(EIES)を
利用してフィードバック制御した。膜厚のモニターに
は,現在商業的に入手可能な水晶振動子膜厚計のうち最
高精度のもの(分解能0.01オングストローム/s)を使用
した。
As the molecular beam source, a Knudsen cell (K-cell) is used for copper, gold, and silver, and platinum and cobalt are used because of the temperature relationship that gives the equilibrium vapor pressure for obtaining the required molecular beam intensity. For the electron beam evaporation source (E-
Gun). In the case of using E-gun, in order to make the molecular beam intensity constant, feedback control was performed using electron impact emission spectroscopy (EIES). To monitor the film thickness, we used the most accurate quartz crystal film thickness meter commercially available today (resolution 0.01 Å / s).

【0026】基板には,(111)方位のメカノケミカ
ル鏡面研磨表面を有するシリコン単結晶板の他,比較の
ため(100)方位のメカノケミカル鏡面研磨表面を有
するシリコン単結晶板を用いた。
As the substrate, a silicon single crystal plate having a (111) -oriented mechanochemical mirror-polished surface and a silicon single-crystal plate having a (100) -oriented mechanochemical mirror-polished surface were used for comparison.

【0027】成膜の堆積速度は0.05〜0.2 ML(ここで
MLは単原子層) とし,成膜中は,成長過程すべてにお
いて反射高速電子回折 (RHEED)(25〜30Ke
V)による同時観察とビデオテープ録画を行い,後の構
造解析に供した。作製した金属膜は,UHV条件下にお
いてオージェ(Auger) 電子分光法(AES)およびX線
光電子分光法(XPS)により,表面化学分析を行っ
た。
The deposition rate for film formation is 0.05 to 0.2 ML (where ML is a monoatomic layer), and during the film formation, reflection high energy electron diffraction (RHEED) (25 to 30 Ke)
Simultaneous observation by V) and videotape recording were performed and used for later structural analysis. The produced metal film was subjected to surface chemical analysis under Auger electron spectroscopy (AES) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) under UHV conditions.

【0028】先ず,基板の表面を清浄な(111)7×
7超格子構造とするために,前記の(111)表面方位
を有するシリコン単結晶板を,3×10-11Torr のUHV
に達した準備室内において,1200℃×1分間の急速加熱
を2回連続して行った。同様に,(100)表面方位を
有するシリコン単結晶板についても,1200℃×1分間の
急速加熱を2回連続して行って比較材に供した。また比
較のために(111)表面方位を有するシリコン単結晶
板を加熱しないもの,700℃×30分の加熱処理および700
℃×1時間の加熱処理を行ったものも用意した。
First, clean the surface of the substrate with (111) 7 ×
In order to obtain a 7 superlattice structure, a silicon single crystal plate having the (111) surface orientation described above was used for UHV of 3 × 10 -11 Torr.
In the preparatory chamber which reached the temperature, rapid heating at 1200 ° C. for 1 minute was continuously performed twice. Similarly, with respect to a silicon single crystal plate having a (100) surface orientation, rapid heating at 1200 ° C. for 1 minute was continuously performed twice to provide a comparative material. For comparison, a silicon single crystal plate having a (111) surface orientation was not heated, 700 ° C. × 30 minutes heat treatment, and 700 ° C.
The thing which heat-processed for 1 hour was also prepared.

【0029】この基板加熱処理後にUHV条件下で基板
表面のRHEED観察を行ったところ,(111)表面
方位のシリコン基板を1200℃に加熱した場合では,原子
的に平坦な7×7表面超格子構造を有するパターンが明
瞭に現れた。(100)表面方位の基板を1200℃に加熱
した場合は,原子的に平坦な2×1表面超格子構造を示
すパターンが現れた。これに対して,(111)表面方
位を有するシリコン基板を700℃に加熱した場合, およ
び加熱しない場合には,ダイアモンド構造を示すパター
ンが現れたが,そのパターンは不明瞭であった。
RHEED observation of the substrate surface under UHV conditions after this substrate heat treatment revealed that when a silicon substrate with a (111) surface orientation was heated to 1200 ° C., it was an atomically flat 7 × 7 surface superlattice. A pattern having a structure appeared clearly. When a substrate having a (100) surface orientation was heated to 1200 ° C., a pattern showing an atomically flat 2 × 1 surface superlattice structure appeared. In contrast, when a silicon substrate having a (111) surface orientation was heated to 700 ° C. and not heated, a pattern showing a diamond structure appeared, but the pattern was unclear.

【0030】これらのシリコン基板をUHVを破ること
なく表面分析室に搬送し,AES及びXPSによる表面
化学分析を行ったところ,(111)7×7基板および
(110)2×1基板ではシリコンのみ検出され,不純
物は検出されなかった。一方700℃に加熱した基板では
シリコンの他, 酸素が検出され,XPSにより二酸化シ
リコンが形成されていることがわかった。加熱処理を施
さない基板ではシリコンの他に,酸素と炭素が検出さ
れ,XPSにより酸素は二酸化シリコンを形成している
ものと,化学吸着しているものの2種が認められた。以
上のことから,シリンコ基板は1200℃の高温熱処理した
場合にのみ,清浄表面を有することができる。
When these silicon substrates were transported to the surface analysis chamber without breaking the UHV and subjected to surface chemical analysis by AES and XPS, only silicon was found in the (111) 7 × 7 substrate and (110) 2 × 1 substrate. No impurities were detected. On the other hand, oxygen was detected in addition to silicon on the substrate heated to 700 ° C, and it was found that silicon dioxide was formed by XPS. Oxygen and carbon were detected in addition to silicon on the substrate not subjected to heat treatment, and two types of oxygen were found by XPS: one forming silicon dioxide and one chemically adsorbed. From the above, the Syringo substrate can have a clean surface only when it is heat-treated at a high temperature of 1200 ° C.

【0031】上述の処理を行って得た(111)7×7
表面を有するシリコン基板状に既述の条件で銅を堆積さ
せた。基板温度は0℃,50℃または100℃に設定した。
いずれの基板温度でも,銅層の厚さが約30オングストロ
ーム未満では銅層のRHEEDパターンは散漫なスポッ
トパターンであり,かつシリコンのパターンが部分的に
重畳されていた。だが,銅層の厚さが30オングストロー
ム以上になると,銅層のみに基づく明瞭なストリークパ
ターンとなり, 基板表面の法線を軸として基板を回転さ
せると6回対称性を示した。
(111) 7 × 7 obtained by performing the above-mentioned processing
Copper was deposited on a silicon substrate having a surface under the above-mentioned conditions. The substrate temperature was set to 0 ° C, 50 ° C or 100 ° C.
At any substrate temperature, when the thickness of the copper layer was less than about 30 Å, the RHEED pattern of the copper layer was a diffuse spot pattern and the silicon pattern was partially overlapped. However, when the thickness of the copper layer was 30 angstroms or more, a clear streak pattern based only on the copper layer was formed, and when the substrate was rotated around the normal line of the substrate surface, six-fold symmetry was exhibited.

【0032】このことは,銅層の厚さが約30オングスト
ローム未満では,銅は(111)7×7シリコン表面上
に島構造をなして成長し,電子線が島部を透過してバル
クの回折が生じていることを意味している。一方,銅層
の厚さが30オングストローム以上では,銅はFCC構造
をもち且つ表面方位が(111)の単結晶であり,原子
的に平坦で1原子層ステップしか存在しないことを意味
している。
This means that when the thickness of the copper layer is less than about 30 Å, copper grows in an island structure on the (111) 7 × 7 silicon surface, and the electron beam penetrates the island portion to form a bulk film. This means that diffraction is occurring. On the other hand, when the thickness of the copper layer is 30 angstroms or more, it means that the copper has the FCC structure and the surface orientation is (111), and it is atomically flat and has only one atomic layer step. ..

【0033】またシリコンの結晶方位と銅層の結晶方位
は“化1”に示されるエピタキシー関係があった。
Further, the crystal orientation of silicon and the crystal orientation of the copper layer had the epitaxy relationship shown in "Chemical formula 1".

【0034】[0034]

【化1】 [Chemical 1]

【0035】基板温度を変えた以外は前記と同様にして
銅を堆積させた。まず(111)7×7表面を有するシ
リコン基板上に200℃の基板温度で銅を堆積させたと
ころRHEEDパターンはハローパターンを示した。こ
のことは,この基板温度では銅がシリコン上にエピタキ
シャル成長せずに,シリコンと反応していることを示唆
している。基板温度を−50℃にすると, 銅のRHEE
Dパターンは,バルクの回折の寄与であるスポットパタ
ーンがストリークと重畳し続け,完全なストリークパタ
ーンを示さなかった。これは基板温度が低いために,銅
原子が堆積後充分な表面拡散できず,平坦な表面を形成
できないことを示している。
Copper was deposited in the same manner as above except that the substrate temperature was changed. First, when copper was deposited at a substrate temperature of 200 ° C. on a silicon substrate having a (111) 7 × 7 surface, the RHEED pattern showed a halo pattern. This suggests that at this substrate temperature, copper reacts with silicon without growing epitaxially on silicon. When the substrate temperature is set to -50 ° C, copper RHEE
In the D pattern, the spot pattern, which is a contribution of bulk diffraction, continued to overlap with the streak, and did not show a perfect streak pattern. This indicates that, because the substrate temperature is low, copper atoms cannot be sufficiently diffused on the surface after deposition, and a flat surface cannot be formed.

【0036】次に,基板温度0℃,50℃または100
℃において(111)7×7シリコン基板上に厚さ50オ
ングストロームの銅バッファ層を形成したものに対し,
該銅バッファ層の上に,金, 銀, 白金またはコバルトの
厚さ数百オングストロームの金属層を0℃〜100℃の
基板温度でそれぞれ形成させた。いずれも,RHEED
観察を行ったところ銅バッファ層のストリークパターン
と相似形である明瞭なストリークパターンが現れた。ま
た,基板表面の法線を軸として基板を回転させると6回
対称性を示した。
Next, the substrate temperature is 0 ° C., 50 ° C. or 100
For a copper buffer layer with a thickness of 50 Å formed on a (111) 7 × 7 silicon substrate at ℃,
On the copper buffer layer, a metal layer of gold, silver, platinum, or cobalt having a thickness of several hundred angstroms was formed at a substrate temperature of 0 ° C. to 100 ° C., respectively. Both are RHEED
Upon observation, a clear streak pattern similar to the streak pattern of the copper buffer layer appeared. Moreover, when the substrate was rotated about the normal line of the substrate surface as an axis, six-fold symmetry was exhibited.

【0037】このことは,これらの金属がいずれも銅単
結晶バッファ層上にエピタキシャル成長し,そのエピタ
キシー関係は“化2”であることを示しており,且つこ
れらの金属の表面は1原子層のステップしか存在しない
原子的に平坦なものであることを示している。
This means that all of these metals are epitaxially grown on the copper single crystal buffer layer, and the epitaxy relation is "Chemical formula 2", and the surface of these metals is one atomic layer. It shows that it is atomically flat with only steps.

【0038】[0038]

【化2】 [Chemical 2]

【0039】なお,コバルトはバルクではHCP構造で
あるが,銅層上ではFCC構造を取ることが知られてい
るが〔例えば F.J.Lamelas et al., Phys. Rev. B 40(1
989)5837〕,本実施例の結果と矛盾しない。
It is known that cobalt has an HCP structure in the bulk but has an FCC structure on the copper layer [for example, FJ Lamelas et al., Phys. Rev. B 40 (1
989) 5837], which is consistent with the results of this example.

【0040】また, シリコン(111)7×7表面上に
形成させた同様の銅バッファ層の上に,金とコバルト,
銀とコバルト,白金とコバルト,または銀と金,のいず
れかの組合わせの交互積層(各金属層の厚さは,数原子
層ないし+数原子層)を行ったところ,同様なRHEE
Dパターンを示し,エピタキシー関係は“化3”とな
り,且つ表面は原子的に平坦で1原子層のステップのみ
で構成されていた。
On the same copper buffer layer formed on the silicon (111) 7 × 7 surface, gold and cobalt,
When alternate lamination of any combination of silver and cobalt, platinum and cobalt, or silver and gold (the thickness of each metal layer is several atomic layers or + several atomic layers), similar RHEE was obtained.
The D pattern was shown, the epitaxy relationship was "Chemical formula 3", and the surface was atomically flat and consisted of only one atomic layer step.

【0041】[0041]

【化3】 [Chemical 3]

【0042】なおM1=Au,M2=Coのこれだけの単独
の組み合わせでは,CoはHCP構造で,その関係は
“化4”となることが知られている〔例えば C.H.Lee e
t al.,Phys.Rev.Lett.62(1989)653〕。
It is known that in such a single combination of M 1 = Au and M 2 = Co, Co has an HCP structure and the relationship is "Chemical formula 4" [eg CHLee e
t al., Phys. Rev. Lett. 62 (1989) 653].

【0043】[0043]

【化4】 [Chemical 4]

【0044】比較のため,(100)2×1表面のシリ
コン基板,(111)表面の基板を700℃で加熱した
もの,(111)表面の基板で加熱処理を施さないもの
を用いて,その上に銅層を堆積させた。この場合,RH
EEDパターンは積層中デバイ(Debye) リングを示し
た。このことは,銅層がこれらの基板上にエピタキシャ
ル成長させず,ランダムな方位を持つ微細多結晶となっ
たことを意味している。
For comparison, a (100) 2 × 1 surface silicon substrate, a (111) surface substrate heated at 700 ° C., and a (111) surface substrate not subjected to heat treatment were used. A copper layer was deposited on top. In this case, RH
The EED pattern showed a Debye ring in the stack. This means that the copper layer did not grow epitaxially on these substrates and became a fine polycrystal with random orientation.

【0045】この銅層の上に金, 銀, 白金, コバルトを
堆積させると,銅層のランダムな結晶方位を引き継ぎ,
これらの金属はいずれもランダム方位を有する微細多結
晶となった。
When gold, silver, platinum and cobalt are deposited on this copper layer, the random crystal orientation of the copper layer is taken over,
All of these metals became fine polycrystals having a random orientation.

【0046】さらに比較のため(111)7×7超格子
構造シリコン表面上に銅バッファ層を形成させずに,直
接このシリコン基板上に金,銀または白金を堆積させる
試験を行った。堆積中のRHEEDパターンは,いずれ
も初期にはハローパターンを示し,金属層の厚さが数十
オングストロームを越えるとスポットパターンとなった
が,表面法線を軸として基板を回転させてもパターンは
不変であった。
Further, for comparison, a test was conducted in which gold, silver or platinum was directly deposited on this (111) 7 × 7 superlattice structure silicon surface without forming a copper buffer layer on this silicon substrate. The RHEED patterns during deposition all showed a halo pattern in the initial stage, and became a spot pattern when the thickness of the metal layer exceeded several tens of angstroms, but the pattern did not change even if the substrate was rotated around the surface normal. It was unchanged.

【0047】このことは,金属層が堆積初期ではアモル
ファスに近い構造を取り,後期には特定の結晶方位が表
面に垂直に配列するが, 表面に平行な方向の方位はラン
ダムである微細多結晶で,いわゆるファイバー構造と呼
ばれるものになったことを意味している。
This means that the metal layer has a structure close to an amorphous structure in the early stage of deposition and a specific crystallographic orientation is arranged perpendicular to the surface in the latter stage, but the orientation in the direction parallel to the surface is random. It means that it has become so-called fiber structure.

【0048】以上の成果をまとめると表1および表2の
如くである。
The above results are summarized in Tables 1 and 2.

【0049】[0049]

【表1】 [Table 1]

【0050】[0050]

【表2】 [Table 2]

【0051】[0051]

【発明の効果】以上のように,本発明に従えば,シリコ
ン基板と銅バッファ層とFCC金属またはHCP金属層
がエピタキシー関係を有し,平坦な表面を持つ金属エピ
タキシャル膜を得ることができる。
As described above, according to the present invention, the silicon substrate, the copper buffer layer and the FCC metal or HCP metal layer have an epitaxy relationship, and a metal epitaxial film having a flat surface can be obtained.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 分子線エピタキシー法により単結晶シリ
コンを基板としてその(111)表面に銅の(111)
表面を有する単結晶薄層を形成し,次いで,分子線エピ
タキシー法によりこの銅単結晶の上に面心立方構造また
は六方最密充填構造を有する金属の単結晶層を形成する
ことからなる,シリコン基板と銅薄層と該金属層とがエ
ピタキシー関係を有しかつ平坦な表面を持つ金属エピタ
キシャル膜の製造方法。
1. A substrate made of single crystal silicon by a molecular beam epitaxy method and having a (111) surface made of copper (111)
Forming a thin single crystal layer having a surface and then forming a single crystal layer of a metal having a face-centered cubic structure or a hexagonal close-packed structure on the copper single crystal by a molecular beam epitaxy method. A method for producing a metal epitaxial film in which a substrate, a thin copper layer, and the metal layer have an epitaxy relationship and a flat surface.
【請求項2】 銅の単結晶薄層を形成させる単結晶シリ
コンの(111)表面は,7×7超格子構造を有した清
浄表面である請求項1に記載の金属エピタキシャル膜の
製造方法。
2. The method for producing a metal epitaxial film according to claim 1, wherein the (111) surface of the single crystal silicon on which the single crystal thin layer of copper is formed is a clean surface having a 7 × 7 superlattice structure.
【請求項3】 単結晶シリコン基板上に形成させる銅単
結晶薄層は,その厚さが30オングストローム以上であ
る請求項1または2に記載の金属エピタキシャル膜の製
造方法。
3. The method for producing a metal epitaxial film according to claim 1, wherein the copper single crystal thin layer formed on the single crystal silicon substrate has a thickness of 30 angstroms or more.
【請求項4】 銅単結晶薄層上に形成させる面心立方構
造または六方最密充填構造を有する金属層は,1種類の
元素の層または2種類以上の元素の交互積層からなる請
求項1,2または3に記載の金属エピタキシャル膜の製
造方法。
4. The metal layer having a face-centered cubic structure or a hexagonal close-packed structure formed on a copper single crystal thin layer is a layer of one kind of element or an alternate lamination of two or more kinds of elements. 2. The method for manufacturing a metal epitaxial film according to 2 or 3.
【請求項5】 銅単結晶薄層上に形成させる金属の表面
方位は,その金属が面心立方構造をとる場合は(11
1)方位であり,またその金属が六方最密充填構造を取
る場合は(0001)方位である請求項1,2,3また
は4に記載の金属エピタキシャル膜の製造方法。
5. The surface orientation of a metal formed on a copper single crystal thin layer is (11) when the metal has a face-centered cubic structure.
The method for producing a metal epitaxial film according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein the orientation is 1) and, when the metal has a hexagonal closest packing structure, the orientation is (0001).
【請求項6】 分子線エピタキシー法による銅の単結晶
薄層の形成は,シリコン基板の温度を0℃〜100℃に
保持して実施する請求項1,2,3,4または5に記載
の金属エピタキシャル膜の製造方法。
6. The method according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, wherein the formation of the copper single crystal thin layer by the molecular beam epitaxy method is carried out while maintaining the temperature of the silicon substrate at 0 ° C to 100 ° C. Manufacturing method of metal epitaxial film.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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