近年、分子線エピタキシー法や有機金属気相成長法といった結晶成長技術の進歩により、原子レベルで制御された半導体ヘテロ構造作製が可能となった。このヘテロ接合を用いて人工的なポテンシャルを導入すると、電子やホールの局在化が起きてその運動を低次元化するため、新しい電子物性の出現やバルク半導体にはない機能を持つデバイスの実現(低発振しきい値レーザや高速動作トランジスタ等)が期待される。Siテクノロジーとの整合性が良く応用上重要なSi/Ge系ヘテロ構造は、このような機能デバイス実現に最も適した材料系として期待されている。しかし、これらのデバイスを実現する為には、完全にバンド構造を制御した良質なSiGe膜とそれを用いた量子構造の作製が重要と考えられるが、いまだ十分な品質に達していない。さらに、デバイス構造を実際に実現する上で、低抵抗電極を作製や、アニールによる温度耐性を調べる事が重要となってくるが、これらについての知見も不十分である。現在,SiGe材料を用いて最も改善が望まれているデバイスの一つとして、p-MOS(Metal Oxide Semiconductor)が挙げられるが,これはp型構造における低移動度がCMOS(Complementary MOS)構造において、集積化と高速化を妨げているためである。そこで、本研究では、特に重要なデバイスとして高速p型変調ドープトランジスタの元となるp型Geチャネル変調ドープ構造の最適化とその周辺プロセス技術に関する研究を行った。

　本研究で用いた試料は、主として固体ソース分子線エピタキシー法(SSMBE)によって作製した。この方法の利点として、原子層オーダーの構造制御が可能であり,変調ドープ構造の作製に有利であることが挙げられる。固体ソースの場合はガスソースと比べて、高温における界面の急峻性が劣る事が知られている。しかし、固体ソースを用いることによって低温における結晶成長が可能となり、今回の研究で重要な低温バッファ層や低温成長が必要である高濃度Ge構造の作製時には、固体ソースを用いた方法が有利となる。

　まずバンド構造を制御する為には、歪みの制御が重要であるので良質な緩和SiGeバッファ層を作製する事が重要である。現在、この目的のためにSi基板上にGe組成を徐々に増加させて得られるSiGeグレイディッドバッファ層を利用し、移動度低下やリーク電流の原因となる転位密度は〜10⁸cm^-2から〜10⁶cm^-2へと減少するに至っている。しかし応用を視野に入れると転位密度はまだ高く、またその他の特性も十分ではないため,さらに膜質を向上させることが必要となる。

　1997年、Liらはシリコン基板上に通常の成長温度より低温(400℃)で成長したSi層を50nm成長した上に、Si_0.7Ge_0.3を500nm成長することで、貫通転位密度が〜10⁵cm^-2、表面ラフネスは1.4nm、膜緩和率〜90%という優れた膜質が得られる事を報告した。^[1]この作製法では、従来のグレイディッドバッファ(膜厚:1-2m)と比較して、必要とする膜厚が大幅に薄くできるので、この観点からも応用に有利と考えられる。しかし、この低温Siバッファ法を用いた緩和SiGe層の膜質の組成依存や成長温度依存性については報告がなかったので、今回調べた。その結果、Ge組成を増加させるとGe組成0.3から0.5に増加させるにつれ一旦膜質は悪化するが、高Ge組成領域では成長温度を400℃まで下げることで膜質は著しく向上し、Ge組成0.7以上においては組成が増すにつれ膜質が向上していくという興味深い事実がわかった(図1)。

　また、低温Si層中の点欠陥が良質なSiGe膜緩和に寄与していると考えれるので、成長温度の異なるSi膜中の点欠陥状態について陽電子消滅法を用いて調べた。ドップラー拡がり測定によって得られたSparameterによると、結晶状態では成長温度が低いほど点欠陥サイズが大きくなるが、非晶質状態では温度が低い程点欠陥サイズが小さくなることがわかった。特に成長温度400℃においては、非常に大きな欠陥が存在することが分かり、併せて寿命測定を行うことにより、欠陥サイズがV_>10。程度で、欠陥濃度が>10¹⁸cm^-3であることがわかった。

　さらに、これらの優れた低温Siバッファを用いて、従来p型SiGe系変調ドープ構造を作製した。この構造は従来非常に厚い膜厚で、かつ品質の悪いものしか得られなかったので、応用を考えると非常に不利であった。作製に用いたSiGeバッファのGe組成は0.7とした。低温バッファとして、Pengらが用いた二段階バッファを用いた構造と、今回新たに用いた一段階バッファを用いた。二段階バッファと一段階バッファを用いた変調ドープ構造で、それぞれ移動度は20Kで1.1×104cm²/Vs,4100cm²/Vsであり、室温では1300cm²/Vs,910cm²/Vsである(図2)。この値は、SiGeチャネルにおける室温での移動度250cm2/Vsと比べて遥かに大きく、従来のグレイディッドバッファ層を用いた変調ドープ構造の最高移動度と同程度である。また、この構造はグレイディッドバッファを用いた構造と比較して、膜厚は1/5程度で、バッファ層の貫通転移密度は1-2桁低減、ラフネスも1/5程度と大きく改善されており非常にデバイス応用に非常に有望であると考えられる。

　低抵抗電極作製はデバイスの微小化を行う上で重要だが、そのためイオン注入したキャリアの活性化に関する知見を得る必要があるが、Ge組成変化がキャリア活性化過程に与える影響は報告されていない。イオン注入条件はAs⁺を加速電圧125keVで、5×10¹⁴-4×10¹⁵cm^-2と変化させて活性化のために十分高い温度600℃で15minアニールし活性化率を調べた。注入量が1×10¹⁵cm^-2を越えると活性化率が大きく低下していくことが分かった。この活性化率の低下を固溶度の影響と考え、As分布をGauss関数で近似し固溶度を2×10¹⁵cm^-2と4×10¹⁵cm^-2の場合について求めた。その結果、固溶度はGe組成が増加するにつれて減少し、Ge組成0.3においてはSiの場合の半分にまで固溶度が低下することが分かった(図3)。固溶限界を越えてないサンプルでも活性化はGe組成増加に伴い低下し、Ge組成が上昇するにつれ残留欠陥が増すことがわかった。また、固溶度を越えてない1×10¹⁵cm^-2の注入量において、アニール温度を変化させキャリア活性化過程と結晶回復過程を観測した。結晶成長温度はGe組成が増すと、一旦上昇するが10%を越えると再び低下する。これは、歪みにより結晶化の活性化エネルギーが増加する過程と、Ge本来の低い活性化エネルギー減少する過程の競合と考えられる。

　プロセス過程において必須である熱処理によって、SiGe構造がどのようなメカニズムで劣化していくかは、酸化膜によるゲート作製時などにおいて重要である。チャネル幅を変化させたn型変調ドープ構造試料を用いて、アニールを行いキャリアの散乱散乱要因の変化を調べた。As-grown試料においては、チャネル幅10nmで強い界面ラフネス散乱を受け、4.3nmの試料では移動度は1桁以上低下することが分かる。しかし、アニールを行うと、ラフネス散乱による系統的な移動度の変化は崩れていった(図4)。アニール前後の全サンプルに対して、キャリア濃度に対して移動度をプロットすると、その変化傾向として3つのグループに分けられた。チャネル幅20nmのサンプルに対して、試料にゲート電圧を印可しキャリア濃度に対する移動度依存性を調べたところ、移動度に対するキャリア濃度のべき乗数が3/2から1へと減少していることから、700℃以上のアニールにおいてドーパントが拡散し、リモート不純物散乱から一様不純物散乱に散乱要因が変化していることが分かり、この結果はSbの拡散実験の結果と一致する。チャネル幅が4nmのサンプルでは、他のサンプルより低いアニール温度で移動度の低下がおこり850℃でキャリアの局在が起こることから、バリア層のGeのSiチャネルへの拡散により、界面ラフネス散乱の影響が著しくなったと理解できる。チャネル幅5.3nmのサンプルでは、アニール前後で移動度はほとんど変化しないことがわかり、アニールによるラフネスの平坦化によるラフネス散乱の低下と、ドーパントの影響が相殺しているものと考えられる。チャネル幅が10nm以上の場合では、750℃程度から移動度の低下が始まり、リモート不純物散乱から一様不純物散乱へ散乱機構が変化した。チャネル幅53nm以下では、アニール後も界面ラフネス散乱が主であると考えられた。

図表図1 SiGe層の表面ラフネスと貫通転移密度のGe濃度依存性 / 図2(a)2段階低温バッファ層と(b)1段階低温バッファ層を用いたp-型Geチャネル変調ドープ構造のホール移動度とキャリア濃度の温度変化 / 図3 SiGe混晶の電気的固溶度のGe組成依存性 / 図4 アニール前後のa)移動度とb)キャリア濃度の変化

　SiGe変調ドープ構造は、現在、集積回路の性能を大幅に向上させるものとして期待され、研究が行なわれている。特に、p型変調ドープ構造は、従来型トランジスタの10倍以上の動作速度を達成できる可能性を持っている。しかし、これまでの研究では、作製構造の膜質が低い事や、デバイスプロセスに関する知見が不十分である事などから、実用化に際して解決されなければならない幾つかの問題点が残っている。本論文では,「シリコンゲルマニウム歪ヘテロ構造の作製とその電子デバイスへの応用に関する研究」と題し、従来と比較して、著しく改善された高品質p型変調ドープ構造の作製と伝導特性評価、デバイスプロセスにおいて重要なイオン注入した不純物の活性化と、アニールが変調ドープ構造の伝導特性に与える影響に関して行った研究をまとめたものである。

　第1章「序論」では、本研究の背景、目的、方法、論文の概要などが述べられている。

　第2章「SiGe変調ドープ構造」では、本研究の対象であるSiGe変調ドープ構造についての予備知識、および従来の研究報告がまとめられている。

　第3章、第4章、第5章、第6章は,本論文の中心をなすもので、本研究で得られた実験結果とその考察が議論されている。

　第3章「低温Siバッファを用いた緩和SiGe層作製とその評価」は、分子線エピタキシー法を用いて低温Siバッファ上に作製された緩和SiGe層と、低温Si層に関する内容を述べている。緩和SiGe層の成長温度を上昇させると、SiGe層の緩和率が温度に対してピークを持つという低温Siバッファ特有の現象が見い出された。これは、低温Si層が緩和SiGe層成長時にアニールされて、結晶性が改善された為と説明できた。さらに、Ge組成を増加させていくと、低温成長が可能となりGe組成が0.6を越えると、緩和SiGe膜の緩和率、表面ラフネス、貫通転位密度といった膜特性が改善される特徴的な振る舞いが観測された。

　また、低温Siバッファが、優れた膜緩和バッファとして働く原因として、空孔型欠陥が関与していると考えられたので、陽電子消滅法を用いて空孔型欠陥を評価した。その結果、Siが結晶化する最低温度400℃において、空孔型欠陥のサイズが最大であることが観測され、そのサイズは原子空孔の10倍以上であり、濃度は〜10¹⁸cm^-3以上である事が解明された。この事から、低温Si層が優れたバッファとして役割を果たすのは、巨大空孔クラスターが存在し、機械的強度が弱くなって、膜緩和が起きやすくなったためと結論づけられている。

　第4章「低温バッファを用いた歪みGeチャネル変調ドープ構造」は、第3章で述べた低温バッファ上のp型歪みGeチャネル変凋ドープ構造の作製と伝導特性に関する検討結果を述べている。まず、低温バッファを用いることによって、室温で1300cm²/Vsという非常に高い移動度を得る事に成功した。この値は世界最高値であるとともに、表面ラフネスの少ない高品質バッファ層を用いていることから、デバイス応用に有望であることが指摘されている。また、極低温におけるSchubnikov-de Haas振動から、ドーピング層に大量のパラレル伝導キャリアが存在する事がわかり、これが移動度の低下を引き起こしている事がわかった。したがって、ドーピング条件を最適化することにより、さらに移動度向上が期待できる。また、バッファとして1段階の低温バッファを用いた場合、2段階バッファより低移動度を示すのは、表面構造が影響しているためと説明できた。

　第5章「イオン注入したSiGe混晶のキャリア活性化」は、Asをイオン注入した歪み緩和Si_1-xGe_xにおいて、キャリア活性化に関する内容について述べている。AsのSi_1-xGe_xに対する固溶度は、Ge組成の増加につれて減少すること、活性化率がやはりGe組成増加に伴い減少することを見出した。また、キャリア活性化温度は、Ge組成に対してx＝0.1付近で極大を持つという特異な振るまいが見出された。この結果は、低い活性化エネルギーを持つGe導入による活性化エネルギーの減少と、原子レベルでの歪み増加による活性化エネルギーの増加が競合している為と説明できた。

　第6章「アニールしたn型歪みSiチャネル変調ドープ構造の散乱要因」では、異なるチャネル幅を持つn型歪みSi変調ドープ構造をアニールし、散乱要因の変化に関して検討を行っている。チャネル幅が10nmより大きい場合は、アニール温度800℃から移動度の低下が起こり、主散乱要因が遠距離不純物から一様不純物散乱に変化していく事がわかった。チャネル幅が小さくなるにつれて、界面ラフネス散乱の影響が大きくなり、チャネル幅4nmの場合には、700℃から界面ラフネス散乱の影響が大きくなり、850℃でキャリアの局在が起こる事がわかった。これらの結果から、チャネル幅が5.3nm以上の場合、800℃以下でアニールを行えば移動度には悪影響を与えないことが明らかとなった。また、アニールによって期待された結晶性向上による移動度の増加はほとんど見られない事がわかった。

　第7章「結論」では、以上の研究の結論が要約されている。

　以上を要約すると、本研究はデバイス応用を目的とした高品質SiGe変調ドープ構造の作製、評価、デバイスプロセスに関する物理現象について、多くの新しい知見を見出したものであり、物理工学の発展に寄与するところがきわめて大きい。

　よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。