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2023年7月20日 早稻田大学 名古屋大学 日本原子能研究开发机构 阶跃不平衡现象的发现 ~使半导体表面在原子水平上平坦化的新技术~【发表要点】 在以往的半导体制造技术中，存在虽然能够使SiC晶片表面非常平坦，但会残留加工造成的损伤层，或者虽然没有损伤层但表面变粗糙，对器件特性产生不良影响的问题。 发现了可以作为用单一的简单工艺，在没有损伤层的情况下在原子水平上平坦化SiC晶片表面的新技术应用的阶跃不平衡现象。 在半导体制造工序中，不需要包括化学机械研磨在内的工序，有望大幅削减成本和时间。
图1 SiC晶片表面的阶跃不平衡现象 早稻田大学理工学术院教授乘松航(名古屋大学客座教授)等人的研究小组由名古屋大学博士后期课程学生榊原凉太郎、中国内蒙古民族大学讲师包建峰、日本原子能研究开发机构研究员寺泽知潮等人组成 在与名古屋大学未来材料系统研究所名誉教授楠美智子等人的共同研究中，发现了可以作为使半导体表面在原子水平上平坦的新技术应用的阶跃不平衡现象。 在作为功率器件材料使用的半导体的SiC中，使晶片表面在原子水平上平坦对于器件特性和新材料的制作是极其重要的。 SiC晶片表面具有被称为台阶的1个原子左右的高度(约0.25 nm )的台阶。 如果加热SiC，表面的原子移动会聚集台阶，首先形成1~1.5 nm的高度台阶，再在高温下加热的话会变成几nm~几十nm的台阶。 这被称为台阶聚并，过去人们认为台阶有时会逐渐变高，但不会变低。 这次本研究小组发现，如果放在某个特定的条件下，一旦变高的阶梯就会变低。 我们把它命名为阶跃不平衡现象。 在以往的半导体制造技术中，有虽然表面可以非常平坦，但由于加工而残留损伤层的方法，也有虽然没有损伤层，但表面稍微变粗糙的方法。 与此相对，采用本研究的方法，可以用单一的简单过程，在没有损伤层的情况下得到原子水平上平坦的表面。 因此，有望大幅削减半导体制造工序的成本和时间。 本成果于2023年7月19日(当地时间)刊登在美国物理学协会发行的《Applied Physics Letters》杂志上。 本研究是在文科省科研经费基础研究b和早稻田大学各务纪念材料技术研究所共同利用共同研究据点事业等的支持下进行的。 （１） 迄今为止的研究中所了解的内容(科学、历史、背景等)在半导体材料中，碳化硅( SiC )※1目前作为功率器件的基础材料，被广泛应用。 例如，东海道新干线N700S系列通过使用SiC功率器件的变频器，实现了大幅度的小型化、省电化。 即使是开发迅速的电动汽车，SiC功率器件也是核心。 在SiC功率器件中，SiC晶片的表面形态非常重要。 如果表面存在凹凸，则热气化膜的厚度会变得不均匀，对器件特性造成严重的不良影响。 另一方面，SiC也被用于制作新二维材料时的基板。 例如，我们通过SiC热分解法，开发了在晶片尺度上制作单位单方位石墨烯的技术。 SiC表面的原子级凹凸对石墨焗的电子物性也具有并重的影响。 对SiC晶片进行机械研磨时，即使用肉眼观察起来是镜面，在原子水平上也存在如图2(a )所示的随机研磨痕。 这样的凹凸对SiC器件和石墨烯器件来说是致命的。 因此，使用化学机械研磨( CMP )※2和气蚀蚀刻※3的方法进行了表面平坦化。 CMP可以去除研磨痕，只是形成如图2 (b )所示的高度0.25 nm的被称为阶梯的阶梯，但假设表面附近会残留加工造成的损伤层。 另一方面，在气蚀中，通过在气蚀中以上高温加热，可以去除研磨痕和加工损伤层，但由于高温处理引起被称为台阶聚并※4的现象，如图2 (c )所示，由于台阶的高度为5-10 nm左右以上，因此重要的是要避免表面加工损伤，且将台阶高度控制在1 nm左右以下。
图2 SiC表面的原子力显微镜图像。 ( a )机械研磨后，( b ) CMP后，( c ) 1600℃下氢蚀刻后。 光栅尺为2 μm。 （２） 这次的研究中新想要实现的事情、明确的事情本研究的目标是，对于SiC单晶基板，以比较简单的工艺，在台阶高度1 nm左右以下的原子水平上得到平坦的表面。 台阶聚束现象分为最小台阶聚束( MSB )和大台阶聚束( LSB )，其中，高度0.25 nm的台阶聚集在一起，成为1~1.5 nm的台阶，大台阶聚束( LSB )的MSB后的步骤进一步聚集，达到数nm以上的高度 一般来说，MSB产生后会产生LSB，所以这些一直被认为是不可逆的现象。 与此相对，本研究发现的是，产生LSB并达到5~10 nm的高度后，在某个特定的条件下放置时，会回到1~1.5 nm的较低高度的现象，本研究小组将其命名为阶梯失衡现象。 （３） 为此新开发的手法本研究小组在SiC热分解石墨烯的研究中，在控制SiC表面形态的过程中，偶然发现了台阶失衡现象。 在含4%左右氢的氩气( Ar/4%H2 )气氛中加热SiC时，1600℃下会如图3(a )所示发生LSB。 将产生LSB的SiC保持在1400℃时，原本高度为5~10 nm的步骤如图3(b )→(c )→(d )所示，逐渐分为1~1.5 nm的低步骤的集合。 这一系列现象就是阶跃不平衡。 如果用原子水平模式表示的话，对应的是从( e )的状态像( f )那样变化。 也就是说，可知通过在Ar/4%H2气氛中，首先在高温下保持后在低温下保持，在LSB之后会产生MSB。 另外，即使在不含氢的氩气气氛中进行相同的实验，也不会发生阶跃不平衡现象。 可以说发现了以往被认为是不可逆的现象在特定的气氛下是可逆现象。 由此，可以得到仅由1~1.5 nm左右的台阶构成的原子水平上的平坦表面。
图3阶跃不平衡现象。 在Ar/4%H2气氛中，( a )在1600℃下加热10分钟，( b )然后在1400℃下保持10分钟，( c )保持20分钟，( d )保持60分钟试样的表面形态。 ( e，f ) ( a )至( d )的变化示意图。 （４） 研究的波及效果和社会影响关于SiC的分步聚束现象，MSB、LSB此前都进行了很多讨论，提出了各种各样的机制。 根据这些机制，无法简单说明产生LSB后产生MSB的现象。 因此，我们认为本成果将为表面科学理论提供一石。 另外，在一般的半导体制造工艺中，将铸锭切断制成晶片，对其表面进行机械研磨后，实施CMP和氢蚀刻处理。 只靠CMP会残留加工损伤层，只靠单纯的氢蚀刻会产生LSB。 与此相对，对于残留研磨痕的SiC表面，只要通过在Ar/4%H2气氛中首先高温处理来去除研磨痕，然后在低温下保持，就可以得到原子水平上平坦的表面。 也就是说，根据本技术，不仅可以在没有加工损伤层的情况下得到原子水平的平坦表面，而且有可能减少含有CMP的工艺。 这可以简化半导体制造工序，因此也有望大幅削减成本、时间。 （５） 今后的课题本研究仅以SiC作为半导体对象。 另一方面，作为半导体，还有氮化镓( GaN )和砷化镓( GaAs )等其他各种物质。 关于这些，由于结晶结构类似，也有可能发生台阶失衡。 今后的课题是将本技术应用于其他半导体物质。 （６） 用語解説※1 SiC由硅Si和碳c组成的半导体物质。 因为带隙比Si大，所以被称为宽隙半导体。因为耐电压性高，所以被用作电力转换等的功率半导体。 ※2 化学机械研磨（CMP）在机械研磨半导体基板表面时，通过在研磨液中含有酸碱等，利用其化学作用高速得到极其平坦的研磨面的技术。 在SiC中，可以得到仅由作为最小结构单位的高度0.25 nm的台阶形成的如图2(b )那样的表面。 虽然是半导体制造工艺中必须的技术，但由于在室温下进行机械加工，因此存在在表面附近残留加工损伤层的问题。 ※3 氢蚀刻将Si和SiC等半导体在含氢的气氛下，以千数百度加热时，Si和c会被氢从表面除去的现象。 虽然也可以一并去除加工损伤层，但是由于台阶聚并现象同时发生，台阶的高度如图2(c )所示，会变成几nm~几十nm。 ※4 分步聚束低高度舞步聚集成高舞步的现象。 bunch是结束的意思。 在SiC中，最小高度0.25 nm的步数4或6个聚集在一起形成1.0或1.5 nm的步数的MSB，以及它们进一步聚集在一起形成数nm~数十nm的LSB。 MSB是通过出现能量论上稳定的表面而产生的，LSB被认为是在外因性的速度论的效果下产生的。 （７） 论文信息雑誌名：应用物理学快报论文名称: step un bunching phenomenon on 4h-sic ( 0001 ) surface during hydrogen etching 撰文人姓名(所属机构名称、作用):Ryotaro Sakakibara (名古屋大学，实验分析论文执笔)、Jianfeng Bao (名古屋大学，实验分析论文编辑)、Keisuke Yuhara (名古屋大学，实验)、Keita Mme Tomo-o Terasawa (名古屋大学日本原子能研究开发机构，实验分析论文编辑)、Michiko Kusunoki (名古屋大学，分析论文编辑)、and Wataru Norimatsu (名古屋大学早稻田大学，总结分析论文执笔) 掲載予定日(当地时间):2023年7月19日(星期三) 掲載URL：https://pubs./aip/apl/issue/123/3 DOI：https:///10.1063/5.0153565 （８） 研究资助研究費名：科研经费基础研究b 研究课题名称:半绝缘性SiC上晶片级石墨烯最适合电子学应用吗？ 研究代表者姓名(所属机构名称) :乘松航(名古屋大学:资助当时) 研究经费名称:新学术领域研究公开募集研究 研究课题名称:固体电解质/纳米碳界面的Li嵌入脱离机制阐明和新功能创造 研究代表者姓名(所属机构名称) :乘松航(名古屋大学:资助当时) |
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