[論文レビュー] XPS studies on AlN thin films grown by ion beam sputtering in reactive assistance of N+/N2+ ions: Substrate temperature induced compositional variations

Neha Sharma, S. Ilango+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2015

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 19被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、反応性N⁺/N₂⁺イオン補助を伴うイオンビームスパッタリング堆積法における基板温度の効果がAlN薄膜の組成に与える影響を調査している。XPS分析により、室温から500 °Cに基板温度を上昇させることで、AlN表面濃度が74 at. %に向上し、他の手法と比較して顕著な高純度が達成されたことが示された。二次相の検出は最小限に抑えられた。

ABSTRACT

We report on an XPS study of AlN thin films grown on Si(100) substrates by ion beam sputter deposition (IBSD) in reactive assistance of N+/N2+ ions to unravel the compositional variation of their surface when deposited at different substrate temperatures. The temperature of the substrate was varied as room temperature (RT), 100oC and 500oC. The binding energy of Al-2p, N-1s and O-1s core electrons indicate the formation of 2H polytypoid of AlN. The increase in concentration of AlN with substrate temperature during deposition is elucidated through detailed analysis with calculated elemental atomic concentrations (at. %) of all possible phases at the film surface. Our results show that predominate formation of AlN as high as 74 at. % is achievable using substrate temperature as the only process parameter. This high fraction of AlN in thin film surface composition is remarkable when compared to other growth techniques. Also, the formation of other phases is established based on their elemental concentrations.

研究の動機と目的

• イオンビームスパッタリング法を用いたAlN薄膜の堆積において、反応性N⁺/N₂⁺イオン補助下での基板温度の影響を調査すること。
• 変動する堆積温度下での薄膜表面に存在する相を特定および定量すること。
• AlN相濃度を最大化し、二次相を最小限に抑える最適な基板温度を特定すること。
• 追加のプロセス変数を用いずに、基板温度のみを用いて高純度AlN薄膜を達成する可能性を評価すること。

提案手法

• Si(100)基板上に、反応性N⁺およびN₂⁺イオンの補助を伴うイオンビームスパッタリング堆積法(IBSD)を用いてAlN薄膜を成長させた。
• 基板温度を300 K（室温）、373 K（100 °C）、773 K（500 °C）の3段階で系統的に変化させた。
• Al-2p、N-1s、O-1s電子の核心準位結合エネルギーを分析するために、X線光電子分光法(XPS)を用いた。
• XPSデータから全表面相の元素原子濃度(at. %)を計算し、相の組成を評価した。
• Al-2pおよびN-1sの特徴的な結合エネルギー値に基づき、AlNの2H多型が確認された。
• 元素濃度の傾向と既知の基準値との比較により、相同定がさらに裏付けられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反応性N⁺/N₂⁺イオン補助を伴うIBSD法で成長したAlN薄膜の表面組成に、基板温度がどのように影響を与えるか？
• RQ2 変動する基板温度下で、表面におけるAlN濃度の上限はどの程度達成可能か？
• RQ3 堆積中に生成される二次相は何か？ それらの濃度は温度にどのように依存するか？
• RQ4 追加のプロセス変数を用いずに、基板温度のみで高純度AlN薄膜を達成できるか？

主な発見

• 基板温度を500 °Cに上昇させた際、AlN表面濃度が74 at.%に増加し、本研究で達成された最高のAlN分率となった。
• Al-2pおよびN-1sの特徴的な結合エネルギー値に基づき、AlNの2H多型が確認され、高い構造的品質を示した。
• 酸素関連種は全温度範囲で検出されたが、その濃度は低く保たれ、酸化が最小限に抑えられていることが示された。
• Al₂O₃およびAlN関連の酸窒化物のような微量の二次相が同定されたが、高温域でその濃度が低下した。
• 500 °CでAlNの形成が顕著に促進され、ストイキオメトリと表面品質が向上したことが示された。
• 結果から、反応性イオン補助を伴うIBSD法において、基板温度がAlN薄膜組成を制御する極めて有効なパラメータであることが明らかになった。