Fe蒸着反応法によるSi表面上におけるβ-FeSi2形成とその表面解析
現在、半導体シリサイドの中で、資源の豊富なSiとFeから構成されるβ-FeSi2が注目されている[1]。β-FeSi2はSi基板上でエピタキシャル成長が可能であること、0.83eVのバンドギャップを持ち光通信で使われる1.5μmの発光を示すなど、従来の光デバイスで使用されているGaAsに比べても、優れた物性を示す[2]。このため、光集積回路素子材料、太陽電池や熱電変換素子材料としても期待されている。
Si基板上におけるβ-FeSi2の作製方法として、主に、熱反応堆積法(Reactive
Deposition Epitaxy：RDE)[3],分子線エピタキシー法(Molecular
Beam Epitaxy：MBE)[3]やイオンビーム合成法(Ion
Beam Synthesis：IBS)[4]等が知られている。しかし、これらの手法による研究は着実に進んでいるが、デバイス化には膜成長法と物性制御において解決しなければならない問題が残されている。膜成長法においては、作製した膜が単相膜で表面が平坦かつ結晶欠陥が少なく、膜の物性を制御できる方法の確立が必要不可欠である。
その結果、Si(100)清浄表面上にFeのみを約10Å蒸着するとFe膜は島状成長し、Si表面はFe膜で完全に覆われないことが分かった。この表面を約540℃で熱処理することで、Si(100)上にβ-FeSi2
(100)がエピタキシャル成長し、2×2構造表面が形成することが分かった。約540℃の熱処理によりFe膜とSi基板との界面でFe原子、Si原子の相互拡散が起こり、この2×2構造の表面最外層又は表面数層においてFe原子よりSi原子が豊富に存在することが分かった。また、約540℃で形成させた2×2表面構造をさらに約770℃で熱処理することでより鮮明な2×2構造表面が形成することが分かった。また、β-FeSi2(100)テンプレート上にFeのみを蒸着し約660℃で熱処理する過程を繰り返すことで、β-FeSi2の(800)が形成していきやすくβ-FeSi2(100)単相膜を形成できることが分かった。さらに、β-FeSi2(100)テンプレート上にFeのみを蒸着し約770℃で熱処理する過程を繰り返すことで、β-FeSi2の(200)が形成していきやすく、厚いβ-FeSi2
(100)単相膜を形成できることが分かった。
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(a)
He ion scattering spectra from surfaces; spectrum A was from the
surface with Fe deposits of 10 Å at room temperature, and spectrum B was
from the surface of which 2x2 LEED pattern was observed by the annealing
procedure of 540 ℃ for 30 s. (b) Li ion scattering spectra from the
surfaces; spectra A and B were from the same surfaces examined by He ion. |
(a) 65 eV LEED pattern of Si(100)-2x1 surface. (b) 65 eV 2x2 LEED pattern from
epitaxial template film of β-FeSi2 grown on Si(100) surface. The
template was formed by depositing 10 Å Fe and annealing at 540 ℃ for 30 s.
(c) 64 eV LEED pattern from the template surface which annealed at further high
temperature of 770 ℃ for 10 s. Because of the better rearrangement of
lattice atoms, the pattern gave more sharp 2x2 structure
