電子素子用半導体材料のイオンビーム改質と分析

半導体へのイオン注入で生じる照射損傷の回復に必要な熱処理温度の低減が望まれており、その一つの方法として、イオンビーム照射による結晶成長法(イオンビーム誘起結晶成長法)を用いて、熱処理温度の低減が検討されている。Siの場合、熱処理だけでは500℃程度の加熱が必要なのに対して、イオンビーム照射を行うことで、200℃程度で結晶成長が起きることが示されており、熱処理温度を低減する方法として期待できる。本研究では、次世代半導体素子への応用を考慮しつつ、イオンビーム誘起結晶成長の基礎特性のうち、不純物元素の効果や格子位置への置換について研究を行った。Si中の固溶度と拡散速度が極めて低い3種類の不純物元素(Te、Pb、Bi)をSi結晶中にイオン注入して非晶質層を形成し、その非晶質層をイオンビーム誘起結晶成長した後の不純物元素の分布と格子置換率を調べ、単純加熱による結晶成長の場合と比較した。試料にはCz成長の(100)面Siを使用し、不純物元素をエネルギー100keV、ドーズ量1×10^<15>cm^<-2>で室温注入した。注入後、非晶質層端の重損傷層を除去し、単結晶層との界面を平滑化するため、450℃1時間のアニールを行った。このようにして準備した試料を400℃に加熱しながら3MeV Siイオンビームをドーズ量5×10^<15>〜2×10^<16>cm^<-2>の範囲で照射してイオンビーム誘起結晶成長を起こした。またイオンビーム照射しない熱処理だけの試料も用意した。結晶成長後の試料は、1.8MeV Heイオンビームによるラザフォード後方散乱(RBS)/チャネリング法と、中エネルギーイオン散乱分光(MEIS)により分析した。実験結果のうち、不純物元素の深さ分布の変化に着目すると、PbとBiの場合、イオンビーム誘起結晶成長で非晶質/単結晶界面が表面に向かって進行すると同時に顕著な再分布が起き、一部は表面に偏析した。一方、Teの場合には、結晶成長を行っても再分布や表面への偏析はほとんどなかった。これらの差は不純物元素の融点に関係していると考えられるが、熱のみのアニールの場合は、一貫して表面への偏析は起きていないことから、照射誘起拡散が起きていることを示唆している。また、不純物元素の濃度に着目すると、3種類の元素いずれの場合も、固溶度を遥かに上回る濃度でSi結晶中に残留しており、非熱平衡的に不純物元素が結晶中に取り込まれたことが分かる。

半導体へのイオン注入で生じる照射損傷の回復に必要な熱処理温度の低減が望まれており、その一つの方法として、イオンビーム照射による結晶成長法(イオンビーム誘起結晶成長法)を用いて、熱処理温度の低減が検討されている。Siの場合、熱処理だけでは500℃程度の加熱が必要なのに対して、イオンビーム照射を行うことで、200℃程度で結晶成長が起きることが示されており、熱処理温度を低減する方法として期待できる。本研究では、次世代半導体素子への応用を考慮しつつ、イオンビーム誘起結晶成長の基礎特性のうち、不純物元素の効果や格子位置への置換について研究を行った。Si中の固溶度と拡散速度が極めて低い3種類の不純物元素(Te、Pb、Bi)をSi結晶中にイオン注入して非晶質層を形成し、その非晶質層をイオンビーム誘起結晶成長した後の不純物元素の分布と格子置換率を調べ、単純加熱による結晶成長の場合と比較した。試料にはCz成長の(100)面Siを使用し、不純物元素をエネルギー100keV、ドーズ量1×10^<15>cm^<-2>で室温注入した。注入後、非晶質層端の重損傷層を除去し、単結晶層との界面を平滑化するため、450℃1時間のアニールを行った。このようにして準備した試料を400℃に加熱しながら3MeV Siイオンビームをドーズ量5×10^<15>〜2×10^<16>cm^<-2>の範囲で照射してイオンビーム誘起結晶成長を起こした。またイオンビーム照射しない熱処理だけの試料も用意した。結晶成長後の試料は、1.8MeV Heイオンビームによるラザフォード後方散乱(RBS)/チャネリング法と、中エネルギーイオン散乱分光(MEIS)により分析した。実験結果のうち、不純物元素の深さ分布の変化に着目すると、PbとBiの場合、イオンビーム誘起結晶成長で非晶質/単結晶界面が表面に向かって進行すると同時に顕著な再分布が起き、一部は表面に偏析した。一方、Teの場合には、結晶成長を行っても再分布や表面への偏析はほとんどなかった。これらの差は不純物元素の融点に関係していると考えられるが、熱のみのアニールの場合は、一貫して表面への偏析は起きていないことから、照射誘起拡散が起きていることを示唆している。また、不純物元素の濃度に着目すると、3種類の元素いずれの場合も、固溶度を遥かに上回る濃度でSi結晶中に残留しており、非熱平衡的に不純物元素が結晶中に取り込まれたことが分かる。