JP3131773B2 - Preparation method of SiC thin film - Google Patents
Preparation method of SiC thin filmInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ＳｉＣ薄膜の作成
法に関する。[0001] The present invention relates to a method for forming a SiC thin film.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ＳｉＣは、広いバンドギャップ、高い電
子移動度、高い耐熱性を持つこと、および構成元素の資
源量が豊富でかつ環境汚染への懸念が小さい等の特徴を
持つ化合物半導体として、次世代電子素子、高速高温動
作可能電子素子、太陽光発電素子等としての応用が期待
される材料である。特にシリコン基板上に形成されたＳ
ｉＣ薄膜は、現在のシリコンテクノロジーを継承できる
ことから、産業技術の開発コストにおける優位性から
も、実用化が求められる材料である。また材料特性を最
適に引き出すためにシリコン基板に対してエピタキシャ
ルに成長させることも求められている。ＳｉＣ薄膜の作
成法としては、各種ＣＶＤ法、スパッタリング法、各種
ＭＢＥ法等が存在する。2. Description of the Related Art SiC is a compound semiconductor having characteristics such as a wide band gap, high electron mobility, high heat resistance, abundant resources of constituent elements, and low concern about environmental pollution. It is a material expected to be applied as a next-generation electronic device, an electronic device capable of high-speed and high-temperature operation, a photovoltaic device, and the like. In particular, S formed on a silicon substrate
Since the iC thin film can inherit the current silicon technology, it is a material that is required to be put to practical use also from the viewpoint of the development cost of industrial technology. It is also required to grow epitaxially on a silicon substrate in order to optimally extract material properties. As a method of forming the SiC thin film, there are various CVD methods, sputtering methods, various MBE methods, and the like.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】上記の従来のＳｉＣ膜
の形成法は、すべて基板の加熱（６００〜１２００℃以
上）を必要とする。これはＳｉ−Ｃ間の結合が共有結合
であるため、化学結合形成エネルギー、およびエピタキ
シャル結晶成長のための拡散エネルギーが、ともに大き
なものとなるためである。しかし、ＳｉＣとＳｉの格子
定数には約２０％の違い（格子ミスマッチ）があり、か
つその線熱膨張係数にも８％の違いがあるために、高温
での薄膜形成は、冷却時の熱ひずみを生じ、素子特性の
劣化、機械的破損を招くことが予測され、低温薄膜形成
技術の開発が求められていた。本発明は、従来法の欠点
を解消するためになされたもので、その目的は、イオン
照射技法を利用することにより、Ｓｉ−Ｃ間の化学結合
の低温形成、および形成したＳｉＣの低温エピタキシャ
ル成長を可能とする方法を提供することを課題とする。All of the above-mentioned conventional methods for forming a SiC film require heating of the substrate (at 600 to 1200 ° C. or higher). This is because the bond between Si and C is a covalent bond, so that both the chemical bond formation energy and the diffusion energy for epitaxial crystal growth are large. However, since the lattice constant of SiC and Si has a difference of about 20% (lattice mismatch) and the coefficient of linear thermal expansion thereof also has a difference of 8%, the thin film formation at high temperature requires the thermal It has been predicted that distortion will occur, which will lead to deterioration of element characteristics and mechanical damage, and thus development of a low-temperature thin film forming technique has been required. The present invention has been made to solve the drawbacks of the conventional method, and an object of the present invention is to use an ion irradiation technique to achieve low-temperature formation of a chemical bond between Si-C and low-temperature epitaxial growth of the formed SiC. It is an object to provide a method that makes it possible.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、ＳｉＣ薄
膜の作成について、鋭意研究を重ねた結果、シリコン、
炭素の２成分系に高エネルギーイオンを照射することに
より、基板の加熱を必要とせずに、高エネルギーイオン
からの非弾性散乱による電子的エネルギー励起によりＳ
ｉＣ薄膜を形成、成長させ得ることを見いだし、本発明
を完成した。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies on the preparation of a SiC thin film, and have found that
By irradiating high energy ions to the two-component system of carbon, it is possible to reduce S by electronic energy excitation by inelastic scattering from high energy ions without heating the substrate.
The inventors have found that an iC thin film can be formed and grown, and have completed the present invention.
【０００５】本発明は、シリコン基板上に堆積した炭素
膜もしくは炭素−シリコン混合膜、または炭素イオンを
注入したシリコン基板に対して、高エネルギーのイオン
を照射することにより、基板加熱なしで、高エネルギー
イオンからの非弾性散乱による電子的エネルギー励起に
よりＳｉ−Ｃ間の反応を励起させてＳｉＣ化合物の形成
を可能とする方法である。炭素膜もしくは炭素−シリコ
ン混合膜の形成法としては、例えば、炭素膜としては、
炭素の直接通電加熱、電子線蒸着等を用い、シリコン膜
としては、電子線蒸着、クヌッセンセル等を用いること
により、それらによる同時蒸着あるいは交互蒸着により
形成することができる。また、Ｓｉ、Ｃを構成成分とす
る有機金属の熱分解等によっても混合膜を形成すること
が可能であるが、特に膜形成法に依存することはない。
薄膜の厚さに応じて高エネルギーのイオン種、エネルギ
ー値を設定すれば良い。The present invention, carbon film or a carbon deposited on a silicon substrate - silicon mixture film or the silicon substrate was implanted carbon ions, by irradiating a high energy ions, without substrate heating, high energy
For electronic energy excitation by inelastic scattering from ions
This method excites a reaction between Si and C to form a SiC compound. As a method of forming a carbon film or a carbon-silicon mixed film, for example, as a carbon film,
The silicon film can be formed by simultaneous vapor deposition or alternate vapor deposition by using electron beam vapor deposition, Knudsen cell, or the like by using direct current heating or electron beam vapor deposition of carbon, and by using electron beam vapor deposition or Knudsen cell. In addition, a mixed film can be formed by thermal decomposition of an organic metal containing Si and C as components, but does not particularly depend on a film forming method.
What is necessary is just to set the high energy ion species and energy value according to the thickness of a thin film.
【０００６】さらに、本発明は、このようにして形成し
たＳｉＣ薄膜あるいはその他の方法によりシリコン基板
上に形成された非晶質または無配向ＳｉＣ薄膜に対し
て、高エネルギーイオンを照射することにより、基板加
熱なしで、高エネルギーイオンからの非弾性散乱による
電子的エネルギー励起によりそれら薄膜を基板シリコン
に対してエピタキシャルに成長させることを特徴とする
ＳｉＣ薄膜の作成法にある。非晶質または無配向ＳｉＣ
薄膜の作成法としては、スパッタリング法、メチルシラ
ン等の有機金属を用いたＣＶＤ法等がある。Further, the present invention provides a method of irradiating the thus formed SiC thin film or an amorphous or non-oriented SiC thin film formed on a silicon substrate by other methods with high energy ions. Due to inelastic scattering from high energy ions without substrate heating
A method for producing a SiC thin film is characterized in that these thin films are epitaxially grown on a substrate silicon by electronic energy excitation . Amorphous or unoriented SiC
As a method for forming a thin film, there are a sputtering method, a CVD method using an organic metal such as methylsilane, and the like.
【０００７】本発明の方法では、基板加熱が必要ないこ
とにより、熱膨張係数の差による収縮に由来する機械的
歪みを抑制することが可能となる。また、基板シリコン
との界面における熱拡散も抑制可能である。高温では炭
素はシリコン中に固溶することが知られている。ＳｉＣ
／Ｓｉの半導体接合を利用する素子を開発する場合に
は、炭素の固溶によるＳｉ側の特性変化は素子機能の劣
化を招くことになる。ただし、本発明の方法は、基板加
熱をしないことを不可欠とするものではない。半導体素
子として求められる特性が基板加熱を許容するのであれ
ば、基板加熱を併用することも可能である。この場合
は、照射するイオンエネルギーや照射量を低減できるメ
リットがある。In the method of the present invention, since the substrate is not required to be heated, it is possible to suppress the mechanical strain caused by the contraction due to the difference in the thermal expansion coefficient. Further, thermal diffusion at the interface with the substrate silicon can also be suppressed. It is known that carbon forms a solid solution in silicon at high temperatures. SiC
In the case of developing an element using a semiconductor junction of / Si, a change in characteristics on the Si side due to solid solution of carbon causes deterioration of the element function. However, the method of the present invention does not require that the substrate is not heated. If the characteristics required for the semiconductor element allow substrate heating, it is also possible to use substrate heating in combination. In this case, there is an advantage that the ion energy to be irradiated and the irradiation amount can be reduced.
【０００８】高エネルギーイオンとして用いることが可
能な下限エネルギーは、イオンの種類および薄膜の膜厚
に依存するが、ＬＳＳ理論に基づいた計算により予測さ
れる非弾性散乱エネルギー損失と弾性散乱エネルギー損
失の比が５を越えることが必要であり、１０を越えるこ
とが望ましい。エピタキシャル成長を実現するために
は、ＳｉＣ薄膜と基板の界面において、この比を保持し
なければならないため、ＳｉＣ薄膜の膜厚が厚くなれ
ば、それに従い高いエネルギーが必要となる。一方、こ
の比はエネルギーが高くなるに従い高くなるため、用い
得るエネルギーの上限は原理的にはない。またこの比
は、用いるイオンの質量が大きくなるに従い小さくなる
ため、重いイオンの場合には相対的に高いエネルギーが
必要となる。[0008] The lower limit energy that can be used as high energy ions depends on the type of ions and the thickness of the thin film, but the inelastic scattering energy loss and the elastic scattering energy loss predicted by calculation based on LSS theory. It is necessary for the ratio to exceed 5, and preferably to exceed 10. In order to realize epitaxial growth, this ratio must be maintained at the interface between the SiC thin film and the substrate. Therefore, as the thickness of the SiC thin film increases, higher energy is required accordingly. On the other hand, since this ratio increases as the energy increases, there is no upper limit of the energy that can be used in principle. In addition, since this ratio decreases as the mass of ions used increases, relatively high energy is required for heavy ions.
【０００９】イオンの種類としては、上述の比が５を越
えればその種類を問わないが、但し水素イオンについて
は、炭素一水素のエネルギー粒子の衝突は核反応の可能
性を持つため、実用上好ましくない。よって、水素を除
くもっとも軽い元素であるヘリウムでの２０ｋｅＶが下
限エネルギーとなる。実際的なイオンエネルギーの選択
には、照射イオンの弾性散乱による基板シリコンの格子
乱れが表面のＳｉＣ薄膜の結晶性、表面平滑性に及ぼす
影響を考慮する必要がある。Any kind of ion can be used as long as the above-mentioned ratio exceeds 5, except for hydrogen ions, where collision of energetic particles of carbon-hydrogen has a possibility of a nuclear reaction, so that it is practically possible. Not preferred. Therefore, 20 keV in helium which is the lightest element except hydrogen is the lower limit energy. In selecting an actual ion energy, it is necessary to consider the influence of lattice distortion of the substrate silicon due to elastic scattering of irradiation ions on the crystallinity and surface smoothness of the SiC thin film on the surface.
【００１０】本発明の方法を実施するためには、下記の
ような装置を使用できる。図１にその概略を示す。イオ
ンエネルギーとしてヘリウムイオン２０ｋｅＶ以上を発
生できるイオン発生装置１。イオン発生装置１、真空排
気装置２とつながった真空槽３。真空度は、イオン発生
装置１のエネルギーによるが、残留ガスとの散乱による
イオンエネルギーの減衰による不確実性の発生、真空か
らのコンタミ防止のために、通常は１０-4Ｐａ以上であ
ることが望ましい。真空槽２内にある試料保持装置４。
この試料保持装置４は、シリコン上の炭素源、炭素−シ
リコン混合膜等を保持し、その膜にイオン照射できるよ
うに配置できるものであればよい。炭素、シリコン膜形
成装置５。シリコン上の炭素膜、炭素−シリコン混合膜
等は、真空槽３内に外部から導入できる機構があれば良
いが、大気からの不純物混入を防ぐために、この真空槽
３内に炭素膜、炭素−シリコン混合膜等の作成が可能と
なる薄膜形成装置を備えていることが好ましい。In order to carry out the method of the present invention, the following apparatus can be used. FIG. 1 shows the outline. An ion generator 1 capable of generating helium ions of 20 keV or more as ion energy. A vacuum chamber 3 connected to the ion generator 1 and the evacuation device 2. Although the degree of vacuum depends on the energy of the ion generator 1, it is usually 10 -4 Pa or more in order to generate uncertainty due to ion energy attenuation due to scattering with residual gas and to prevent contamination from vacuum. desirable. Sample holding device 4 in vacuum chamber 2.
This sample holding device 4 may be any device that can hold a carbon source on silicon, a carbon-silicon mixed film, and the like, and can be arranged so that the film can be irradiated with ions. Carbon and silicon film forming apparatus 5. The carbon film on silicon, the carbon-silicon mixed film, and the like only need to have a mechanism capable of being introduced into the vacuum chamber 3 from the outside. However, in order to prevent impurities from entering the atmosphere, the carbon film, It is preferable to provide a thin film forming apparatus capable of forming a silicon mixed film or the like.
【００１１】[0011]
【実施例】実施例１ シリコン（１００）基板上に電子線蒸着により形成した
厚さ１ｎｍの炭素薄膜に２ＭｅＶのアルゴンイオンを１
×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2 以上照射することにより、室
温、基板加熱なしで非晶質ＳｉＣ薄膜を得た。さらにイ
オン照射を続けることにより、非晶質ＳｉＣ薄膜は基板
シリコン（１００）に対してエピタキシャルな関係を持
つ結晶質ＳｉＣ薄膜を得た。EXAMPLE 1 A 1-nm thick carbon thin film formed on a silicon (100) substrate by electron beam evaporation was irradiated with 2 MeV argon ions.
By irradiating at least 10 15 ions / cm 2 , an amorphous SiC thin film was obtained at room temperature without heating the substrate. By continuing the ion irradiation, an amorphous SiC thin film was obtained as a crystalline SiC thin film having an epitaxial relationship with the substrate silicon (100).
【００１２】実施例２ シリコン（１００）基板上に電子線蒸着により形成した
厚さ２モノレイヤーの炭素薄膜に２００ｋｅＶのへリウ
ムイオンを１×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2 以上照射するこ
とにより、室温、基板加熱なしで非晶質ＳｉＣ薄膜を得
た。さらにイオン照射を続けることにより、非晶質Ｓｉ
Ｃ薄膜は基板シリコン（１００）に対してエピタキシャ
ルな関係を持つ結晶質ＳｉＣ薄膜を得た。Example 2 A 2-monolayer carbon thin film formed on a silicon (100) substrate by electron beam evaporation was irradiated with 200 keV helium ions at a dose of 1 × 10 14 ions / cm 2 or more, so that the room temperature was lowered. An amorphous SiC thin film was obtained without heating the substrate. By continuing ion irradiation, amorphous Si
As the C thin film, a crystalline SiC thin film having an epitaxial relationship with the substrate silicon (100) was obtained.
【００１３】実施例３ シリコン（１００）基板上に電子線蒸着により炭素膜
（厚さｌｎｍ）とシリコン膜（厚さｌｎｍ）の多層膜を
形成し、これに対して２ＭｅＶのアルゴンイオンを１×
１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2 以上照射することにより、室
温、基板加熱なしで非晶質ＳｉＣ薄膜を得た。さらにイ
オン照射を続けることにより、非晶質ＳｉＣ薄膜は基板
シリコン（１００）に対してエピタキシャルな関係を持
つ結晶質ＳｉＣ薄膜を得た。EXAMPLE 3 A multilayer film of a carbon film (thickness 1 nm) and a silicon film (thickness 1 nm) is formed on a silicon (100) substrate by electron beam evaporation, and 2 MeV argon ions are applied to the silicon film (1 ×).
By irradiating 10 15 ions / cm 2 or more, an amorphous SiC thin film was obtained at room temperature without heating the substrate. By continuing the ion irradiation, an amorphous SiC thin film was obtained as a crystalline SiC thin film having an epitaxial relationship with the substrate silicon (100).
【００１４】実施例４ シリコン（１００）基板上にエチレンの熱分解法により
形成した無配向多結晶ＳｉＣ薄膜（厚さ５ｎｍ）に対し
て、２ＭｅＶのアルゴンイオンを５×１０15ｉｏｎｓ／
ｃｍ2 以上照射することにより、室温、基板加熱なしで
基板シリコン（１００）に対してエピタキシャルな関係
を持つ結晶質ＳｉＣ薄膜を得た。Example 4 A 2MeV argon ion of 5 × 10 15 ions / s was applied to a non-oriented polycrystalline SiC thin film (5 nm in thickness) formed on a silicon (100) substrate by a pyrolysis method of ethylene.
Irradiation of not less than 2 cm 2 yielded a crystalline SiC thin film having an epitaxial relationship with the substrate silicon (100) at room temperature without substrate heating.
【００１５】[0015]
【発明の効果】本発明の方法によると、次世代半導体材
料であるＳｉＣを、室温で、シリコン基板に対してエピ
タキシャルな薄膜として作成することが可能になる。According to the method of the present invention, it is possible to form SiC, which is a next-generation semiconductor material, at room temperature as an epitaxial thin film on a silicon substrate.
【図１】本発明の方法を実施するために用いる装置の模
式図である。FIG. 1 is a schematic view of an apparatus used to carry out the method of the present invention.
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−199572（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−191013（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−238111（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 C01B 31/36 H01L 21/20 - 21/205 Continuation of the front page (56) References JP-A-6-199572 (JP, A) JP-A-61-191013 (JP, A) JP-A-1-238111 (JP, A) (58) Fields investigated (Int .Cl. 7 , DB name) C23C 14/00-14/58 C01B 31/36 H01L 21/20-21/205
Claims (5)
は炭素−シリコン混合膜または炭素イオンを注入したシ
リコン基板に対して、高エネルギーイオンを照射するこ
とによる高エネルギーイオンからの非弾性散乱による電
子的エネルギー励起によりシリコンと炭素間の反応を励
起し、Ｓｉ−Ｃ結合を形成させてＳｉＣ薄膜を成長させ
ることを特徴とするＳｉＣ薄膜の作成法。1. A carbon film or a carbon deposited on a silicon substrate - the silicon mixed film or a silicon substrate implanted carbon ions, by inelastic scattering of high energy ions that by the irradiation with high-energy ions Electric
A method for producing a SiC thin film, characterized in that a reaction between silicon and carbon is excited by excitonic energy excitation to form a Si-C bond and grow a SiC thin film.
は無配向ＳｉＣ薄膜に対して、高エネルギーイオンを照
射することによる高エネルギーイオンからの非弾性散乱
による電子的エネルギー励起により基板に対してエピタ
キシャルな関係を持つＳｉＣ薄膜を成長させることを特
徴とするＳｉＣ薄膜の作成法。Wherein the amorphous or unoriented SiC thin film is present on a silicon substrate, inelastic scattering from the high energy ions that by the irradiation with high-energy ions
Growing a SiC thin film having an epitaxial relationship with a substrate by electronic energy excitation by the method.
以上のエネルギーを持つイオンを用いることを特徴とす
る請求項１または２記載のＳｉＣ薄膜の作成法。3. As high energy ions, 10 keV
3. The method according to claim 1, wherein ions having the above energies are used.
オン以上の質量を持つイオンを用いることを特徴とする
請求項１または２記載のＳｉＣ薄膜の作成法。4. The method for producing a SiC thin film according to claim 1, wherein ions having a mass equal to or greater than helium ions are used as high energy ions.
オンを照射することを特徴とする請求項１または２記載
のＳｉＣ薄膜の作成法。5. The method for producing a SiC thin film according to claim 1, wherein high energy ions are irradiated without heating the substrate.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10264037A JP3131773B2 (en) | 1998-09-02 | 1998-09-02 | Preparation method of SiC thin film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10264037A JP3131773B2 (en) | 1998-09-02 | 1998-09-02 | Preparation method of SiC thin film |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000080471A JP2000080471A (en) | 2000-03-21 |
| JP3131773B2 true JP3131773B2 (en) | 2001-02-05 |
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ID=17397681
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP10264037A Expired - Lifetime JP3131773B2 (en) | 1998-09-02 | 1998-09-02 | Preparation method of SiC thin film |
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|---|---|---|---|---|
| JP2011001225A (en) * | 2009-06-19 | 2011-01-06 | Japan Atomic Energy Agency | Method for producing single crystal silicon carbide nanotube |
| CN103985846B (en) * | 2014-05-30 | 2016-08-17 | 西安交通大学 | A kind of silicon nanoparticle structure of carbon load and its preparation method and application |
-
1998
- 1998-09-02 JP JP10264037A patent/JP3131773B2/en not_active Expired - Lifetime
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