研究・技術情報

シリコンゲルマニウム（SiGe）ベースの半導体デバイスは、その高いキャリア移動度、低消費電力など優れた性能により、次世代の半導体材料として期待されている。 しかしながら、Si とGe は融点が476℃離れており、かつ全率固溶体であるため、Ge 含有量が制御された多結晶を含まない良好なバルク品質のSiGe 単結晶を実現することは非常に困難である。

一般的な単結晶SiGe 層の形成手法は、化学気相成長法（CVD）や分子線エピタキシー法（MBE）などが挙げられるが、これらは高真空プロセスであり、大規模な装置と長時間の処理を必要とする。 液相エピタキシー（LPE）は厚さ20～30μｍのSiGe 層を生成し、制御により欠陥を最小限に抑えることができる製造法である。 しかし、従来のLPE プロセスでSiGe バルク結晶または層を得るには、大型の加熱炉と特別な装置が必要であった。 より簡単で迅速な方法として、1000℃未満の比較的低い温度でSi とGe を溶融できるAl 誘起再結晶を利用したLPE 成長に焦点を当てた¹⁾。

当社では、SiGe 単結晶を形成する新たな手法として、Si 基板上へのAl-Ge ペーストのスクリーン印刷と熱処理によるSiGe 液相エピタキシー法を考案した。 図１にSiGe/Si ウェハの作製工程を示す。 本手法は、特殊な装置を必要とせず、Si 基板上にCVD やMBE では形成困難な数十μｍの厚いSiGe 層を簡便に形成することができる。 スクリーン印刷と熱処理のみでSiGe 層を形成できるため、大面積化も期待できる。 また、形成されるSiGe 層は使用するAl-Ge ペースト中のAl とGeの比率を変更することにより、SiGe 層の厚みやSi とGe の比率を調整することが可能であることも特徴である²⁾。

本手法で6インチSi(111)基板上に作製したSiGe/Siウェハの断面SEM写真を図2に示す。
Si基板上に30μｍ程度の厚いSiGe層が形成されていることが確認できる。 図3にSEM-EDXによる元素プロファイルを示す。 SEM-EDXでの測定結果から、Ge濃度が10%前後であることが分かる。

図4にCMP後のSiGe/Siウェハ表面におけるレーザー顕微鏡での表面粗さ測定結果を示す。 表面粗さ測定によりSiGe表面のSaが2.86 nmであり、非常に平滑であることが確認できた。

XRD-RSM測定により、形成されたSiGe層の結晶化度と歪み状態を測定した結果を図5に示す。 Si基板のピークとSiGeのピークからSiGeが歪み緩和方向にエピタキシャル成長していることが確認できた。

これまでの開発で、小サイズではSiGe層中のGe濃度が80%以上のものを作製可能なことが確認できている³⁾。 大面積かつ高Ge濃度のSiGe/Siウェハの開発を進め、多接合太陽電池など次世代半導体デバイスへの適応を目指す³⁾。

¹⁾鈴木紹太, ダムリンマルワン, 生産と技術,第74巻 第3号(2022), 51-54
²⁾中原正博, 松原萌子, 鈴木紹太, ダムリンマルワン,軽金属学会第136回春期講演概要(2019), 301-302.
³⁾Shota Suzuki, Moeko Matsubara, Hideaki Minamiyama, Marwan Dhamrin and Yukiharu Uraoka, Effect of annealing ambient on SiGe layer formation using Al-Ge paste for III-V solar cell application, Japanese Journal of Applied Physics, 62 SK1041 (2023).