水素プラズマを用いたSiC結晶の低温成長におけるSi基板のピラミッド処理効果

本研究の目的は、シリコン基板表面をピラミッド化に処理し、その上にSiCエピ成長を実現することである。ピラミッド化処理によって次の二つの目標を目指していた。まず、SiC/Si界面の結晶欠陥の方向を結晶成長方向からずらすことにより、結晶の成長に連れ欠陥密度を減少させる狙いがある。更に、SiC/Si界面付近にSiCとSiが混在するバッファ的な領域を形成されることで、SiCとSi間の熱膨張係数の差による結晶欠陥の導入を阻止することができる。研究の初年度では、(100)Si基板一面にフォトリソグラフィーで高さ2μmのピラミッドを作製し、その上に水素プラズマスパッタリング法でSiC結晶をエピ成長させた。これによってSiC結晶性を向上させたことが確認できた。しかし、成長温度が1075℃を超えると、依然としてSiC/Si界面にSi基板ロスによる空洞化が進んだことも認められる。つまり、ピラミッド化処理は結晶性を改善したものの、デバイス用材料の成長に至らなかった。その原因として、結晶成長初期段階における成長速度が遅すぎることが挙げられる。成長温度が1000℃を超えると、シリコン基板が著しく蒸発しはじめる。特に炭素などの不純物が存在する場合、結晶欠陥が基板に導入され、蒸発速度が一段と増加する。問題解決の焦点は、如何にシリコン基板が蒸発する前にSiC結晶を形成させるかである。研究の最終年度では、ピラミッドの表面を平面から曲面に変えた。これによってSiC/Si界面での空洞化が随分抑制された。曲面上にナノメートルオーダーのステップが形成されSiC成長初期段階の速度を増加させたと思われる。この成長速度の増加で曲面上ではSiC/Si界面の空洞化が完全に阻止できた。しかし、ピラミッド状ではすべての表面を曲率の小さい曲面にすることができない。フォトリソグラフィー工程も考慮して、シリコン表面のサインウェブ化を提案する。その実現方法としてシリコンのエッチングと酸化を繰り返すことによって表面曲率を減少させることが考えられる。

本研究の目的は、シリコン基板表面をピラミッド化に処理し、その上にSiCエピ成長を実現することである。ピラミッド化処理によって次の二つの目標を目指していた。まず、SiC/Si界面の結晶欠陥の方向を結晶成長方向からずらすことにより、結晶の成長に連れ欠陥密度を減少させる狙いがある。更に、SiC/Si界面付近にSiCとSiが混在するバッファ的な領域を形成されることで、SiCとSi間の熱膨張係数の差による結晶欠陥の導入を阻止することができる。研究の初年度では、(100)Si基板一面にフォトリソグラフィーで高さ2μmのピラミッドを作製し、その上に水素プラズマスパッタリング法でSiC結晶をエピ成長させた。これによってSiC結晶性を向上させたことが確認できた。しかし、成長温度が1075℃を超えると、依然としてSiC/Si界面にSi基板ロスによる空洞化が進んだことも認められる。つまり、ピラミッド化処理は結晶性を改善したものの、デバイス用材料の成長に至らなかった。その原因として、結晶成長初期段階における成長速度が遅すぎることが挙げられる。成長温度が1000℃を超えると、シリコン基板が著しく蒸発しはじめる。特に炭素などの不純物が存在する場合、結晶欠陥が基板に導入され、蒸発速度が一段と増加する。問題解決の焦点は、如何にシリコン基板が蒸発する前にSiC結晶を形成させるかである。研究の最終年度では、ピラミッドの表面を平面から曲面に変えた。これによってSiC/Si界面での空洞化が随分抑制された。曲面上にナノメートルオーダーのステップが形成されSiC成長初期段階の速度を増加させたと思われる。この成長速度の増加で曲面上ではSiC/Si界面の空洞化が完全に阻止できた。しかし、ピラミッド状ではすべての表面を曲率の小さい曲面にすることができない。フォトリソグラフィー工程も考慮して、シリコン表面のサインウェブ化を提案する。その実現方法としてシリコンのエッチングと酸化を繰り返すことによって表面曲率を減少させることが考えられる。