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シリコン基板上に堆積したナノカーボン薄膜への高温短時間アニーリングの影響
Rapid-Thermal-Annealing of Nano-Carbon Thin Films on Silicon substrate
東工大フロンティア研1，東工大総理工2
○田中祐樹1，川那子高暢1, 角嶋邦之2，Parhat Ahmet1，筒井一生2，西山彰2，
杉井信之2，名取研二1，服部健雄1，岩井洋1
31a-ZF-9
背景シリコンを用いたMOSFETは…
シリコン以外の半導体材料の開発が必要
名称 ダイヤモンド カーボンナノチューブ グラファイト
構造図
結合 sp3結合 sp2結合 sp2結合
新たな材料としてカーボン系材料が注目されている
性能向上の限界
物性値の限界
微細化にともなう短チャネル効果の増大
高温、高電圧下など厳しい環境での使用
1
ダイヤモンド･･････
簡便なプロセスで良質な特性を持つカーボン膜を作成できることが望まれる
ワイドギャップ、優れた熱伝導性
グラフェン、グラファイト･･･ 非常に高い移動度
背景カーボン材料の優れた特性
カーボンナノチューブ････ 一次元的構造、高い移動度
2
デバイス応用で大きな魅力
カーボン材料をデバイスのチャネルとして用いるには・・・
熱処理によりカーボン薄膜の構造をコントロール
目的
ナノカーボン薄膜の構造の変化について、熱処理および触媒金属の影響を調べる。
・形成後のカーボン薄膜の評価
・熱処理後のカーボン薄膜の評価
3
ナノカーボン薄膜は電子線蒸着にて成膜した
本実験で用いたカーボン薄膜形成法
基板
膜厚計
真空ポンプ
グラファイト電子銃
電子ビームシャッター
電子線蒸着概略図
4
使用基板：SiO2/Si （SiO2:400nm)基板洗浄
(アセトン、エタノールで超音波洗浄, HF処理10sec)
一部の基板にFe or Ni堆積
(Fe:1nm, 蒸着法 / Ni:1nm, スパッタ法)
ラマン分光法で構造の変化を観察
実験手順
カーボン堆積(10nm, 電子線蒸着法)
アニール
5min
400,600
800,1000℃
Time
20℃/sec
Temperature
アニール条件
Anneal
Carbon
SiO2
Catalyst
(N2雰囲気)
5
G,D-bandの重なり合ったアモルファスカーボン特有のブロードなスペクトル
sp2構造の結晶クラスタが小さいことを反映
Carbon膜形成後のラマンスペクトルラマン分光条件
レーザー波長：514nm, レーザー強度：1W/cm2, 露光時間：300s 積算回数：2回
Wave Number(cm-1)
Inte
nsity
(a.u
.)
1600 170015001300 1400
G-bandD-band
・G-bandピーク波数：1560cm-1
半値幅：172cm-1
・D-bandピーク波数：1383cm-1
半値幅：350cm-1
強度比Id/Ig：1.35
ガウス関数でのピーク分離結果
6
アニール温度とシート抵抗の変化ナノカーボン膜アニール後のラマンスペクトル
sp2型の結晶クラスタのサイズが大きくなった
窒素雰囲気注熱処理後のCarbon膜の評価G-bandが高波数側にシフト
Wave Number(cm-1)1600 17001500
w/o anneal
14001300
400℃
800℃600℃
1000℃
Temperature(℃)1000800600400
Inte
nsity
(a.u
.)
Res
ista
nce(
k
Ω/squ
are)
3.02.0
4.0
1.0
四端子法によるシート抵抗の測定
5.06.0
アニール前のシート抵抗:52kΩ/square
アニール温度が上がると抵抗値が減少
7
ニッケルをカーボン上に成膜し熱処理した時のラマンスペクトル
Carbon膜上に触媒金属を成膜し熱処理した時の変化
Wave Number(cm-1)1600 17001500
w/o anneal
14001300
400℃
800℃
600℃
1000℃
Inte
nsity
(a.u
.)
Wave Number(cm-1)1600 17001500
w/o anneal
14001300
400℃
800℃
600℃
1000℃
Inte
nsity
(a.u
.)
触媒をつけることによる結晶性の変化を観察
G,D-bandのピークが先鋭化
グラファイト型の結晶構造に近づいた
鉄をカーボン上に成膜し熱処理したた時のラマンスペクトル
鉄を触媒に用いた方が低い温度での構造の変化が大きい 8
ピーク分離による解析～強度比～
1000800600400
3.0
2.0
1.0
w/o catalystNi
Fe w/o catalyst
Ni
Fe
Temperature(℃)強度比ID/IGの推移
面積強度比はsp3/sp2結合の割合に関係
ID/IG比が減少→ グラファイトの結晶クラスタの増加
9
1000800600400
2.0
4.0
Temperature(℃)
6.0
8.0
面積強度比
I D/I G
強度比
I D/I G
面積強度比ID/IGの推移面積強度比が減少→sp2型の結合の割合が増大
減少
ピーク分離による解析～G,Dバンドの半値幅～
1000800600400
120
80
40
160w/o catalyst
Ni
Fe
Temperature(℃)G-bandの半値幅の推移
半値幅が減少、特に触媒を付けたときは大きく変化
ナノカーボン膜がアモルファス構造からグラファイト型の結晶構造に近付いている
Wav
eN
umbe
r(cm
-1)
10
1000800600400
300
200
100
400w/o catalyst
Ni
Fe
Temperature(℃)D-bandの半値幅の推移
Wav
eN
umbe
r(cm
-1)
• 電子線蒸着によりナノカーボン薄膜を作製し、結晶化へのアニールおよび触媒への影響を検討した。
• 金属触媒をつけていないナノカーボン薄膜に5分間の高温アニールを行った結果、アニール温度が上がるに従ってsp2型の結晶ク
ラスタが大きくなった。
• ナノカーボン薄膜上に触媒金属を成膜しアニールを行った結果、G-バンドとD－バンドのピークの重なりが減り、グラファイト型の結晶構造に近づいた。
・1000℃で触媒があると、 sp2型の結晶クラスタが顕著に増大する。
まとめ
11
Wave Number(cm-1)1600 17001500
w/o anneal
14001300
400℃
800℃
600℃
1000℃
Inte
nsity
(a.u
.)
・800℃のNiを触媒としたときのラマンでは800℃のピークが消えてるが、どうなっているのか？
・窒素雰囲気以外でも行ったのか
質問
・SEMなどで表面をみたか。特にNiを堆積した場合はどうなったか。
アニール温度とシート抵抗の変化ナノカーボン膜アニール後のラマンスペクトル
窒素雰囲気中と比較し大きな変化は見られなかった
F.G.雰囲気中熱処理後のCarbon膜の評価F.G.：N2 97% / H2 3%
Wave Number(cm-1)1600 17001500
w/o anneal
14001300
400℃
800℃
600℃
1000℃
Temperature(℃)1000800600400
Inte
nsity
(a.u
.)
Res
ista
nce(
k
Ω/squ
are)
3.0
2.0
4.0
1.0
アニール温度が上がると抵抗値が減少
四端子法によるシート抵抗の測定
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DLCをチャネルとしたバックゲートのTFT型の電界効果デバイスを作成
Poly-Si:100nm
SiO2
DLC:10nm チャネル
SiO2:10nm
Al:ソースドレイン電極
Al:ゲート電極50nm
電界効果デバイス構造
SiO2/Si基板基板洗浄(アセトン、エタノールで超音波洗浄後、HFに10秒間浸透)
Si堆積 (100nm,RF Sputtering)
Pイオン注入(30keV, 5×1014 cm-2)
デバイス作製プロセス
熱酸化熱酸化(1000(1000℃℃，，10min)10min)
活性化アニール活性化アニール ( 800( 800℃℃，，5min. )5min. )
SiO2SiO2パターニングパターニング(BHF,15sec)(BHF,15sec)
CarbonCarbon堆積堆積((電子線蒸着電子線蒸着,10nm,,10nm,リフトオリフトオフ加工フ加工))
ゲート、ソース、ドレイン電極形成ゲート、ソース、ドレイン電極形成
(Al 50nm,(Al 50nm,蒸着法蒸着法,,リフトオフ加工リフトオフ加工))
0.0E+00
2.0E-06
4.0E-06
6.0E-06
8.0E-06
1.0E-05
0 5 10 15 200.E+00
1.E-06
2.E-06
3.E-06
4.E-06
5.E-06
6.E-06
7.E-06
8.E-06
0 10 20 30 40
ゲート電圧を変えることでドレイン電流が変化した。
電界効果を見ることができた。
Id-Vg特性(Vd:10V)
40V
Id-Vd特性
30V20V
0V
10V
Id(A)
Vd(V)
Id(A)
Vg(V)
デバイスの電気特性測定結果
