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フレキシブル基板上における 低温SiGe擬似単結晶成長技術
九州大学システム情報科学研究院 佐道 泰造
1
鍵技術：
方位制御されたSiGe擬似単結晶 (粒径≧10μm) /絶縁膜の
低温成長[≦250℃(プラスティック上)]
システムインディスプレイ 高効率薄膜太陽電池
SiGe擬似単結晶TFT
Memory
SiGe擬似単結晶TFT
（高速演算用）
プラスティック SiGe擬似単結晶セル
（高効率発電）
プラスティック
a-Si:H
pixel
CPU
Wireless LAN
SiGe擬似単結晶
absorber
擬似単結晶：方位制御され、かつデバイス寸法以上の結晶粒
SiGe擬似単結晶による次世代デバイス
従来技術とその問題点
金属触媒(Al等)を用い、絶縁膜(SiO2等)上に結晶方位が揃い、かつ大粒径(デバイス寸法(～10μm)以上)のSiGe結晶を形成。
但し、成長温度は高(≧450℃)。軟化温度の低いプラスチック基板上への適用は困難。
プラスチック基板上における結晶方位制御の指針は存在せず。
Alの固溶度が高いため、残留Alによる電気特性劣化が懸念。
2
新技術の特徴・従来技術との比較
3
新触媒(Au)を用い、プラスチック基板上に、 結晶方位が揃い、かつ大粒径のSiGe結晶(Ge濃度:0%～100%)を低温(≦250℃)で形成。
Auの固溶度は極めて低く(～5x109cm-3)、電気特性への影響は殆ど無し。
高性能フレキシブルデバイスの活性層や、機能材料の成長テンプレートとしての応用が期待。
想定される用途
4
本技術により、プラスチック等の基板上において、SiGe擬似単結晶の低温形成が可能。
フレキシブルな情報端末やウェアラブルデバイス
高効率な薄膜太陽電池（Ⅳ族、III-V族系）
三次元LSI/異種機能デバイス混載型LSI
新技術の位置づけ 5
フレキシビリティー
1000
単結晶Si (現状)
擬似単結晶SiGe [本研究]
新触媒成長法による ・ 粒界散乱低減 ・ 低温成長
0 単結晶 基板
(～1000℃)
無定型 ｶﾞﾗｽ基板 (～500℃)
500
ﾌﾚｷｼﾌﾞﾙ ﾌﾟﾗｽﾁｯｸ基板
(～300℃)
多結晶Si (現状)
単結晶SiGe (研究中/ 世の中)
トランジスタのキャリヤ移動度
(cm2/Vs)
従来技術：Al触媒法 6
結晶Si
Al
ガラス
層交換成長
Al誘起層交換法によるSi結晶/ｶﾞﾗｽ（軟化温度:500℃）の低温成長
Nast, J. Appl. Phys. 88, 124 (2000)
Al(100nm)
Si結晶核の形成 & 横方向成長
Al(100nm)
熱処理
(~400℃)
大粒径Si結晶
Si Si Si 非晶質Si
Al
ガラス ガラス
・Alの触媒効果により成長温度が低温化 （700℃→400℃） ・ガラス基板上に大粒径Si結晶を実現 ・しかし、プラスチック基板(軟化温度:300℃)の 利用には、更なる低温化が必須 Alより低温成長が可能な新触媒を探索
新触媒の探索 7
新触媒Au（共晶点：～360℃）による層交換成長（≦250℃）を検討
Si-Ag4)
Si-Al1-3)
プラスチック軟化温度
層交換成長（報告例）からの推測
・Si, Ge と共晶を形成
・層交換温度 ∝ 共晶点
Ge-Al1)
層交換成長の報告例 (Si,Ge-Al,Ag)
200 400 600 800
200
400
600
800
Eutectic Temperature [°C]
Layer–
exchange T
em
pera
ture
[°C
]
Si-Au共晶点：363℃
Ge-Au共晶点：361℃
共晶点の低い材料を用いれば、
成長温度を低温化できる可能性 1) M. Kurosawa, et al., JJAP, 48, 03B002 (2009)
2) O. Nast et al., APL, 88, 124 (2000)
3) E. Pihan et al.,Thin Solid Films 451,328 (2004)
4) M. Scholz, et al., APL, 94, 012108 (2009)
共晶点 (oC)
層交換成長温度
(oC
)
極低温成長の実現 8
初期Ge組成
成長後
Ge組成
0 50 100 150 200 2500
20
40
60
80
100
Concentr
ation [
%]
Au Ge
Si
O
・ Si1-xGex(0≦x≦1)の層交換成長＠250oCを実現
金属誘起層交換成長が共晶系で生じる仮説を支持
熱処理前 表面 裏面
5mm 5mm
0 50 100 150 2000
20
40
60
80
100
Depth [nm]
Concentr
ation [
%]
Au Ge
Si
O
熱処理後（250oC, 20h）
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
20μm
Quartz
Ge
Au
Quartz Layer
Exchange
@250℃
poly-SiGe
a-SiGe (100nm)
Au (100nm)
極低温成長の実現 9
初期Ge組成
成長後
Ge組成
0 50 100 150 200 2500
20
40
60
80
100
Concentr
ation [
%]
Au Ge
Si
O
・ Si1-xGex(0≦x≦1)の層交換成長＠250oCを実現
金属誘起層交換成長が共晶系で生じる仮説を支持
・ 但し、ランダム方位を有する小粒径成長
熱処理前 表面 裏面
5mm 5mm
0 50 100 150 2000
20
40
60
80
100
Depth [nm]
Concentr
ation [
%]
Au Ge
Si
O
熱処理後（250oC, 20h）
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
tair: 0 min
20μm
111
101 001
Quartz
Ge
Au
Quartz Layer
Exchange
@250℃
poly-SiGe
a-SiGe (100nm)
Au (100nm)
成長様態 vs 界面層 10
100 mm
Dark
Bright
Al2O3上：(100)核
Au (100nm)
a-Ge (100nm)
quartz (SiO2)
・ 界面層(~7nm)の導入により、大粒径(≧50μm)Ge(111)成長を実現
・ 下地SiO2上での核発生による方位制御 ?
250℃
100 mm 100 mm
10 mm
0 nm [250oC, 20h]
5 mm
6 nm [250oC, 50h]
20 mm
7 nm [250oC, 200h]
111
101 001
6 nm 0 nm 7 nm
SiO2上：(111)核
核発生位置の候補と結晶方位
界面層 (0-7 nm) (非晶質Al2O3) (111)1)
(100)2)
最小界面E
SiO2
非晶質Al2O3
1) J. ECS, 110, 524 (1963)
2) J. Crys. Growth 287, 423 (2006)
(111)配向の機構(1) 11
仮定:
核発生の活性化エネルギー
E@SiO2 < E@Al2O3 < E@Bulk
核発生のための臨界Ge濃度
C@SiO2 < C@Al2O3 < C@Bulk
quartz (SiO2)
Au
a-Ge
@下部界面
@上部界面
@バルク
Al2O3
Ge濃度
深さ
quartz
C@Bulk
(バルク)
C@SiO2
(下部界面)
C@Al2O3
(上部界面)
(111)1)
(100)2)
最小界面E
SiO2
非晶質Al2O3
1) R.J.Jaccodine, JECS, 110, 524 (1963)
2) J. Schneider, JCG, 287, 423 (2006)
(111)配向の機構(2) 12
Ge濃度
Quartz
Ge濃度
Quartz
Ge濃度
Quartz
拡散
原子供給
界面酸化膜無し / 薄すぎ
速い原子供給 (≫ 拡散) Au中のGe濃度急上昇
⇒ 多数の核発生
Au
a-Ge
Quartz Quartz
Au
a-Ge Au
Quartz
Poly-Ge
ランダム配向
小粒径結晶
深さ
深さ
深さ
C@Bulk
(バルク)
C@Bulk
(バルク)
(111)配向の機構(3) 13
Quartz Quartz Quartz
適度な界面酸化膜厚 石英(SiO2)界面で核発生
⇒ (111)-配向核（少量）
a-Ge
Quartz
Au
a-Ge
Quartz
Au
Au
Quartz
Poly-Ge
(111)配向
大粒径結晶 Al2O3 Al2O3
原子供給 ≪ 拡散
Ge濃度
拡散
原子供給
深さ
C@SiO2
(下部界面)
C@Bulk
(バルク)
C@SiO2
(下部界面)
C@SiO2
(下部界面)
C@Al2O3
(上部界面)
C@Al2O3
(上部界面)
結晶方位制御の実証 14
下地界面変調によりGe(111) or (100)の大粒径成長@250℃が実現
配向制御のアイディア 下地界面の変調による結晶核
の配向制御が期待 界面層
Quartz (SiO2)
Au
a-Ge
(111)1)
(100)2)
最小界面E
SiO2
非晶質Al2O3 Quartz
Au
a-Ge
下地界面酸化膜
界面層
下地界面変調効果
Quartz
Au：100nm
a-Ge：100nm 界面層： 非晶質Al2O3 (8nm)
下地界面膜： 非晶質Al2O3 (20nm)
熱処理条件：250oC,100h
1) R.J.Jaccodine, JECS, 110, 524 (1963)
2) J. Schneider, JCG, 287, 423 (2006)
Si(111) 核 Si(100) 核？
5μm
111
101 001
(100)
Appl. Phys. Lett. 103, 082102 (2013)
15
本研究は、主要業界誌でも 紹介されました。
プラスチック上へ展開 16
大粒径(≧50μm) Ge(111) をフレキシブル基板上に直接形成
高性能SiGeフレキシブル・エレクトロニクスの基盤技術として期待
111
101 001
Jpn. J. Appl. Phys. 53, 020302 (2014).
2mm
50 μm
Au
a-Ge inter. layer
(amor.-Al2O3)
ﾌﾟﾗｽﾁｯｸ
250oC
50 μm
Ge(111) 核発生
Au
a-Ge inter. layer
(amor.-Al2O3)
ﾌﾟﾗｽﾁｯｸ
250oC
下地層
(SiO2)
100μm
下地層(SiO2)あり
下地層無し
良好な電気特性 17
Auの低い固溶度に起因し、
高キャリヤ移動度(～160cm2/Vs)が実現
現在、SiおよびSiGeへ展開中
1000/T (K-1)
1.4
Al in Ge
Au in Ge
ni@300K
1010
108
1012
1014
1016
1018
1020
1022
固溶度
(cm
-3)
1.6 1.8 2.0
200 300 400 500
温度 (oC)
1000/T (K-1)
3 1016
正孔密度
(cm
-3)
4 5 6 7
Ge/ガラス AIC@400oC
Ge/プラスチック GIC@250oC
1017
1018
1019
1020
1021
正孔密度 (cm-3) 1015
10
正孔移動度
(cm
2V
-1s
-1)
GIC-Ge
102
103
1016 1017 1018 1019 1020 1021
AIC-Ge
アービン曲線
(p型単結晶Ge)
@300K
Appl. Phys. Lett. 104, 252110 (2014).
実用化に向けた課題
18
現在、結晶成長プロセスの基本アイディアの原理実証を、ほぼ完了。 実用化には、下記課題の解決が要。
(1) 界面酸化膜形成プロセスの制御性向上。
（特にSiリッチ側で重要）
(2) プロセス時間の短縮。
(3) 使用時の形状変化が結晶性や電気特性
に与える影響の解明。
企業への期待
本技術は、高性能なフレキシブルエレクトロニクス（次世代情報端末、高効率太陽電池、ウェアラブル機器）や三次元LSI等の基盤技術として有効です。 デバイス技術（太陽電池、LSI）や素材技術（プラスチック等）を有する企業との共同研究を希望します。
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本技術に関する知的財産権
発明の名称：半導体基板の製造方法
出 願 番 号：特願2014- 028417
出 願 人：九州大学
発 明 者：佐道泰造、朴鍾爀、宮尾正信
20
産学連携活動への参画歴
2000年-2005年 組織対応型(包括的）連携における 個別事業（富士通研究所）
2001年-2005年 科学技術振興調整費 （SUMCO、メルコセミコン）
2004年-2006年 組織対応型(包括的）連携における 個別事業（東芝セミコンダクター）
2006年-2008年 東芝との共同研究
2007年-2009年 半導体理工学研究センターとの 共同研究
2007年-2011年 知的クラスター事業（東芝）
21
