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シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜の作製方法及びシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜 コモンズ

国内特許コード P03A000375
整理番号 U2000P229
掲載日 2003年8月28日
出願番号 特願2001-087297
公開番号 特開2002-289526
登録番号 特許第3451325号
出願日 平成13年3月26日(2001.3.26)
公開日 平成14年10月4日(2002.10.4)
登録日 平成15年7月18日(2003.7.18)
発明者
  • 安田 幸夫
  • 財満 鎭明
  • 鳥毛 裕二
  • 酒井 朗
出願人
  • 学校法人名古屋大学
発明の名称 シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜の作製方法及びシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜 コモンズ
発明の概要 カーボン濃度を広範囲で制御することができ、シリコンカーバイドの析出を抑制して、膜中の全域にわたって均質且つ高品質なシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜を提供する。シリコン基板11上に、少なくとも1原子層分の厚さを有するシリコン・ゲルマニウム二元混晶下地層12を形成し、この下地層12上に、シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶層13を形成し、シリコン原子とカーボン原子との優先結合及びゲルマニウム原子とカーボン原子との置換を利用することにより、シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜を作製する。
従来技術、競合技術の概要 近年、シリコン基板上に、シリコン・ゲルマニウム二元混晶もしくはシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶をベース領域に用いた超高速動作ヘテロバイポーラトランジスタを形成し、光伝送システムや移動体通信システムなどに適用する試みが盛んである。特にシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶は、シリコン・ゲルマニウム二元混晶の弱点を補う材料として注目されている。カーボンは、シリコンやゲルマニウムに比べて原子半径の小さな元素である。したがって、シリコン・ゲルマニウム混晶に少量のカーボンを添加することにより、結晶の格子定数を小さくし、シリコンとゲルマニウムの格子定数差に起因して生じる圧縮歪みを補償し、組成によってはシリコン基板に格子整合させることも可能となる。この結果、結晶中に蓄積される歪みの量を極めて小さくできるので、熱的耐性が向上する。また、ゲルマニウム濃度を数十%、カーボン濃度を数%以上と高くし、引張り歪み状態にすると、シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶の値電子帯と伝導帯の両方にバンドオフセットが生じるため、新たなヘテロ接合構造を有する番導体デバイスの構築が可能となる。但し、高濃度のカーボンを有する高品質なシリコン・ゲルマニウム・カーボン結晶を作製することは容易ではなく、例えば応用物理学会誌、66巻(2000年)2559ページに記載されているように、カーボン濃度4%以上のシリコン・ゲルマニウム・カーボン混晶の結晶性は劣悪であり、11%以上では、非晶質化する。これは、カーボン原子が、格子位置のみならず、格子間にも入りやすい性質を持つこと、またカーボンはシリコンと縮合しやすく、特に高温では安定相として炭化珪素(シリコンカーバイド)結晶を作りやすいことによる。高濃度のカーボンを有する高品質のシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元結晶を作製する従来例の一つが、例えば特開平2000-269476号後方に開示されている。これは、数原子層程度の厚みのSi1-xGe層(0<x<1)と、Si1-y層(0<y<1)とを交互に積層し、単一のSiGeC層として機能しうるSi1-xGe/Si1-y短周期格子を形成することにより、結晶性が良好であり、かつ熱的にも安定なシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜を作製しようとするものである。
産業上の利用分野 光伝送システムや移動体通信システムなどに使用する超高速動作ヘテロバイポーラトランジスタなどに好適に用いることのできる、シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜の作製方法、及びシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜
特許請求の範囲 【請求項1】 シリコン基板上に、複数のシリコン・ゲルマニウム二元混晶下地層と、複数のシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶層とを交互に順次形成し、前記シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶層中のカーボン原子の、前記シリコン・ゲルマニウム二元混晶下地層中のシリコン原子との優先的結合を介した、前記シリコン・ゲルマニウム二元混晶下地層中のゲルマニウム原子との置換を通じて、シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜を形成することを特徴とする、シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜の作製方法。
【請求項2】 前記シリコン・ゲルマニウム二元混晶下地層は、前記シリコン基板上に成膜処理を施すことによって形成することを特徴とする、請求項1に記載のシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜の作製方法。
【請求項3】 前記複数のシリコン・ゲルマニウム二元混晶下地層の前記シリコン基板に接する最下層は、前記シリコン基板上にゲルマニウム原子のイオン注入を施した後、前記シリコン基板に対して熱処理を施すことにより形成することを特徴とする、請求項1に記載のシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜の作製方法。
【請求項4】 前記シリコン・ゲルマニウム二元混晶下地層は、少なくとも1原子層分の厚さを有することを特徴とする、請求項1~3のいずれか一に記載のシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜の作製方法。
【請求項5】 前記シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶層は、前記Si・ゲルマニウム二元混晶下地層を含む前記シリコン基板を500℃~700℃に加熱して形成することを特徴とする、請求項1~4のいずれか一に記載のシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜の作製方法。
【請求項6】 シリコン基板上に、1原子層厚さのシリコン・ゲルマニウム二元混晶単原子層と、このシリコン・ゲルマニウム二元混晶単原子層上に形成された1原子層厚さのシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶単原子層とを一周期として、2周期以上積層し、前記シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶単原子層中のカーボン原子の、前記シリコン・ゲルマニウム二元混晶単原子層中のシリコン原子との優先的結合を介した、前記シリコン・ゲルマニウム二元混晶単原子層中のゲルマニウム原子との置換を通じて、シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜を形成することを特徴とする、シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜の作製方法。
【請求項7】 前記シリコン・ゲルマニウム二元混晶単原子層及び前記シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶単原子層の少なくとも一方は、600℃未満の温度で形成することを特徴とする、請求項6に記載のシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜の作製方法。
【請求項8】 前記シリコン・ゲルマニウム二元混晶単原子層及び前記シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶単原子層の少なくとも一方は、600℃以上の温度で形成することを特徴とする、請求項6又は7に記載のシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜の作製方法。
【請求項9】 請求項1~8のいずれか一に記載の方法によって作製され、カーボン原子がシリコン・ゲルマニウム・カーボン混晶の格子位置に配置していることを特徴とする、シリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜。
【請求項10】 前記カーボン原子の含有量が4原子%以上であることを特徴とする、請求項9に記載のシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜。
【請求項11】 ボロン原子、ガリウム原子、砒素原子、燐原子、及びアンチモン原子の少なくとも一種を不純物原子として含有することを特徴とする、請求項9又は10に記載のシリコン・ゲルマニウム・カーボン三元混晶膜。
産業区分
  • 固体素子
  • 表面処理
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
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