半导体中掺杂原子及其周围三维排列的V体育 - 利用光电子全息术开发半导体器件评价技术 -

[要点]

○开发出实现前所未有的高倍率、高分辨率的光电子全息法
○确认硅中添加的砷原子具有三种原子排列结构
○通过阐明添加原子的排列结构和电状态之间的关系，为半导体工艺开发等做出贡献

[摘要]

　东京工业大学筒井一诚教授、松下智弘首席研究员、木下丰彦首席研究员、高亮度光子科学研究中心（JASRI）首席研究员室克胜之、大阪大学森正教授、V体育林浩一教授、奈良先端科学技术大学松井文彦副教授领导的研究小组成功观测到三维原子添加到硅 (Si) 晶体中的砷 (As) 原子周围的排列结构。这是世界上第一个成果，得益于光电子全息术和分析理论的发展，它可以选择性地放大和观察晶体中的添加元素，最高可达10亿倍。
　Si中的As具有三种类型的结构：仅As取代晶格位置的电活性结构、多个As原子聚集在Si空位周围的电活性结构、以及As周围的Si随机排列的电活性结构。这次我们也明确了这些浓度比。这种观察方法被认为有助于开发提高添加元素活化率的工艺技术，这是许多半导体制造技术中的一个问题。
　该光电子全息实验是在大型同步辐射装置SPring-8（注1）的软X射线固态能谱束线（BL25SU）上进行的。
　该研究成果于2017年11月17日发表在美国科学期刊《Nano Letters》上。

研究成果

　利用近年来取得巨大进展的光电子全息技术（见图1及其说明文字），我们揭示了添加到半导体晶体中的元素的三维原子排列结构，这是难以直接V体育的（图2）。该实验针对半导体硅 (Si) 中的砷 (As)，并在大型同步辐射装置 SPring-8 的束线 (BL25SU) 上进行。该样品是通过离子注入将As注入到Si集成电路芯片用Si晶片的表面，并通过热处理对其进行电激活（注2）而制成的。
　利用同步辐射的光电子能谱已经定量发现样品的Si晶体中As以三种不同的化学键态存在。此次，首次利用光电子全息术揭示了这三种不同状态的原子排列结构。由分析获得的结构表明，存在(1)其中As原子单独占据Si晶体中的晶格位置的晶格取代结构，(2)其中2至4个晶格取代As原子以固定距离排列在Si空位周围的簇结构，以及(3)其中As原子周围的Si晶格随机化的混合结构。
　另外，关于电特性，我们确认在(1)中As处于向半导体发射电子的电活性状态，而在(2)和(3)中As处于电非活性状态。
　使用 SPring-8 光束线 (BL25SU) 和更先进的数据分析方法开发的高灵敏度、高能量分辨率角分辨光电子能谱系统在结构分析的成功中发挥了重要作用。这是因为添加到半导体中的元素浓度最多为百分之几(%)的数量级，并且取决于原子排列结构的化学键能(化学位移)的差异小至01电子伏(eV)。通过光电子全息结构分析与第一性原理计算模拟相结合，确定了三种类型的原子排列结构。这一过程还揭示了As原子与周围Si原子的键合方向的扭曲，以及As原子周围局部大晶格振动的存在，并且还获得了使用其他评估测量方法难以检测到的新信息。

背景

通过在半导体中添加各种元素，可以产生p型、n型等不同的电特性，电阻率可以发生显着的改变。添加的元素是产生负责半导体导电的电子（n 型）和空穴（p 型）所必需的。为了提高半导体器件的性能，需要尽可能提高电子和空穴的浓度。然而，并非所有添加元素都被激活以产生电子或空穴，并且即使增加添加到半导体中的元素的浓度也存在限制。提高这一限制是工艺技术的发展，这对许多半导体来说很重要。到目前为止，还没有一种评估方法可以在原子水平上精确捕获添加元素的结构，因此需要开发一种可以直接掌握和控制添加到半导体中的原子的排列和行为的技术。
　至于半导体晶体中存在过高浓度的添加元素，理论计算表明它们会形成各种簇结构并失活。也有报道使用离子散射和电子显微镜部分或间接检测它们的存在，但目前还没有直接V体育方法。

研究历史

　研究小组使用的光电子全息术的分析理论是由JASRI首席研究员松下于2005年提出的，他实现了放大倍数为10亿倍、可以V体育三维原子排列的显微镜。此外，这次，安装在SPring-8光束线（BL25SU）上的高灵敏度和高能量分辨率角分辨光电子能谱系统使得可以根据微小的能量差异来识别添加元素的化学键状态的差异。以这一基础技术为背景，东京工业大学筒井教授课题组制备了掺As的硅晶体样品，并结合大阪大学森川教授的第一性原理计算进行了系统分析，得出了目前的结果。

未来发展

　由于Si中As的原子排列结构和电激活状态现在可以“可见”，因此可以研究抑制非活性结构和增加活性结构浓度的过程，同时V体育该结构在各种工艺条件下如何变化。这种方法可以扩展到其他添加元素，以及碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和金刚石等宽带隙半导体，这些元素最近变得极其重要，并被认为有助于新材料器件技术的发展。此外，在Si技术领域，随着器件的超微细化，部分结构中引入了硅锗（SiGe），但出现了新的问题，例如SiGe中添加元素的活化率降低，希望该技术也能应用于这些领域。
　这项研究表明，先进的光电子全息术有潜力成为开发半导体工艺技术的新方法。

　本研究是2014年度通过的创新领域科学研究补助金（研究领域提案型）“3D活性位点科学”（领域代表：奈良科学技术大学大门博教授）下跨学科合作研究的成果。

参考图

图1) 光电子全息
在光学全息术的情况下，全息图是通过将激光照射到物体上以产生物波来干扰未照射到物体的光而创建的。通过将再现光照射到全息图上，可以三维地看到物体。光电子全息术也是如此：当样品暴露在 X 射线下时，光电子从添加的原子中飞出。它被周围的原子散射，形成散射波，散射波与未散射波干涉，形成全息图。从该全息图中，可以通过计算获得添加剂原子周围的三维结构。

图2)再生硅(Si)三维原子图像示意图
V体育到三种结构：Si位置有取代(取代)的结构、两个As原子和一个空位、以及无规结构。当As具有取代结构时，它变得具有电活性并释放传导电子。

●本研究是在以下资助和支持下进行的。
·作为新学术领域科学研究补助金（研究领域提案型）的计划研究项目“3D活性位点科学”（领域代表：奈良科学技术大学大门博教授）
“半导体杂质的 3D 结构控制和低损耗、高效器件的开发”（研究总监 Issei Tsutsui）
“数据采集和3D原子图像再现算法的研究”（研究代表Tomohiro Matsushita）
“使用微光电子全息术对活性位点进行时间分辨 3D 原子成像”（研究代表 Toyohiko Kinoshita）
“利用第一原理模拟阐明和设计活性位点结构和功能”（研究代表森川吉忠）
“使用荧光 X 射线和中子全息术对掺杂原子进行 3D 成像”（研究代表 Koichi Hayashi）

·日本文部科学省，作为光学/量子融合协作研究开发计划“面向光学/量子科学研究基地形成的基础技术开发”的分包工作项目（研究代表：东京大学固体物理研究所新诚教授）
“时间分辨微光束线的构建”（负责人：木下丰彦，高亮度光科学研究中心）

[术语解释]

(注1)大型同步加速器辐射装置SPring-8
　这是位于兵库县播磨科学园区市的理化学研究所设施，可产生世界上最高性能的同步加速器辐射，其运营和用户支持由高强度光子科学研究中心（JASRI）负责。同步加速器辐射是一种薄而强大的电磁波，当电子加速到几乎等于光速并且其行进方向被电磁体弯曲时产生。 SPring-8 正在利用这种同步加速器辐射进行广泛的研究，包括纳米技术、生物技术和工业应用。

（注2）激活
　通过向半导体中添加特定元素，电子或空穴（电子被去除后的空穴）从原子中释放出来，并负责半导体中的导电。当添加的元素处于可以发射电子和空穴的状态时，称为电激活状态。另一方面，不能发射电子和空穴的状态变为电非活性状态。在器件应用方面，基本原理是提高活性元素的浓度，降低非活性元素的浓度。

[论文信息]

标题：使用光谱对掺杂硅中多个掺杂位点进行单独原子成像
　　　　光电子全息术
作者：Kazuo Tsutsui、Tomohiro Matsushita、Kotaro Natori、Takayuki Muro、Yoshitada Morikawa、
　　　　星井卓也、角岛国之、若林仁、林浩一、文彦
松井和木下丰彦
发表于：Nano Letters，第 17 卷，第 7533-7538 页，(2017)。
DOI：101021/acsnanolett7b03467

另外，这项研究中介绍过

[查询]

东京工业大学科学技术研究所未来产业技术研究所教授
筒井一夫
电子邮件：ktsutsui［at］eptitechacjp
电话：045-924-5462
传真：045-924-5462

光明影像科学研究中心信息处理推进办公室主任
松下智博
电子邮件：matusita［at］spring8orjp
电话：0791-58-1042

大阪大学工学研究科教授
森川芳忠
电子邮件：morikawa［at］precengosaka-uacjp
电话：06-6879-7288

奈良科学技术大学材料科学研究科副教授
松井文彦
电子邮件：matui［at］msnaistjp
电话：0743-72-6017

[面试申请地址]

东京工业大学公共关系与社会合作总部公共关系与区域合作部门
电子邮件：media［at］jimtitechacjp
电话：03-5734-2975
传真：03-5734-3661
　
（关于 SPring-8/SACLA）
光明科学研究中心、公益财团法人、利用促进部、传播信息部
电子邮件：kouhou［at］spring8orjp
电话：0791-58-2785
传真：0791-58-2786

大阪大学工学研究科总务部评价公关课
电子邮件：kou-soumu-hyukakouhou［at］officeosaka-uacjp
电话：06-6879-7231
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V体育企划公关部公关室
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传真：052-735-5009
　
奈良科学技术大学企划总务部公关课
电子邮件：s-kikaku［at］adnaistjp
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传真：0743-72-5011

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