早稻田大学理工学院教授乗松 航（名古屋大学客座教授）、名古屋大学博士后榊原 涼太郎、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澤 知潮、名古屋大学未来材料与系统研究所名誉教授楠 美智子联合研究课题组，发现了阶梯解聚现象，它可以作为一种新技术在原子水平上平坦化半导体表面。
在用作功率器件材料的半导体中，在原子水平上平坦化晶圆表面对于器件特性和新材料的制造极其重要。SiC 晶片表面具有约一个原子高（约 0.25 nm）的台阶。当SiC受热时，表面原子移动，台阶聚集，首先形成高度为1～1.5nm的台阶。这称为步长聚束，传统上认为步长可以逐渐升高，但不能逐渐降低。该研究小组最近发现，曾经升高的步长在某些条件下会变得更低。 我们将这一步骤命名为解聚现象。
在传统的半导体制造技术中，有可以使表面极其平坦但由于加工而留下损伤层的方法，以及没有损伤层但使表面稍微粗糙的方法。另一方面，本研究的方法可以通过单个简单的过程获得没有损伤层的原子级平坦表面。因此，期望有可能大大降低半导体制造工艺的成本和时间。
该成果于2023年7月19日发表在美国物理学会出版的《Applied Physics Letters》上。 这项研究得到了日本文部科学省科学研究补助金 B 和早稻田大学各务纪念材料科技研究所联合使用/联合研究中心项目的支持。
在半导体材料中，碳化硅（SiC）目前作为功率器件的基础材料被广泛应用。例如，在东海道新干线N700S系列中，使用SiC功率器件的转换器和逆变器实现了显着的小型化和省电化。快速发展的电动汽车有望在SiC功率器件中发挥核心作用。 SiC晶圆的表面形貌对于SiC功率器件非常重要。 如果表面存在凹凸不平，热氧化膜的厚度就会变得不均匀，这对器件特性产生严重的不利影响。
另一方面，SiC也被用作制造新型二维材料的衬底。 例如，开发了一种通过碳化硅热解在晶圆级上制造单向石墨烯的技术。 SiC表面的原子级粗糙度也严重影响石墨烯的电子性能。
当对SiC晶片进行机械抛光时，即使肉眼看起来像镜面，也存在如图2（a）所示的原子级别的随机抛光痕迹。这种不均匀性对于碳化硅和石墨烯器件来说是致命的。因此，使用化学机械抛光（CMP）和氢蚀刻的方法来平坦化表面。在CMP中，可以去除抛光痕迹，仅留下0.25nm高度的台阶，如图2(b)所示，但据说由于加工而在表面附近残留有损伤层。另一方面，在氢蚀刻中，可以通过在氢气氛中进行高温加热来去除抛光痕迹和加工损伤层，但由于高温加工而发生称为台阶聚束的现象，并且如图2(c)所示，台阶高度增加至约5-10nm或更高。因此，将台阶高度保持在约 1 nm 或更小，同时避免表面加工损坏非常重要。
图2 SiC表面的原子力显微镜图像。 (a) 机械抛光后，(b) CMP 后，(c) 1600°C 氢蚀刻后。 比例尺为 2 μm。
这项研究目标是通过相对简单的工艺在SiC单晶衬底上获得台阶高度小于1 nm的原子级平坦表面。
台阶聚束现象可分为最小台阶聚束（MSB）和大台阶聚束（LSB），其中最小台阶聚束（MSB）是高度为0.25 nm的台阶聚集形成1至1.5 nm的台阶，而大台阶聚束（LSB）是MSB之后的台阶进一步聚集并具有几纳米或更高的高度。这些通常被认为是不可逆的，因为 LSB 发生在 MSB 之后。 相比之下，本研究揭示了一种现象，即LSB在一定条件下生长到5至10 nm的高度，然后又恢复到1至1.5 nm的较低高度，研究小组将其命名为阶梯解聚现象。
课题组在SiC热解石墨烯研究中，偶然发现了SiC表面形貌控制过程中的阶梯解聚现象。当SiC在含有约4%氢气的氩气（Ar/4%H2）气氛中加热时，如图3（a）所示，在1600℃时出现LSB。当LSB诱导的SiC保持在1400°C时，5-10 nm的高台阶逐渐分离成一组1-1.5 nm的低台阶，如图3(b)→(c)→(d)所示。这一系列现象称为步骤解聚。在原子层面上示意性地表达，它对应于从状态（e）到状态（f）的变化。 即，发现通过在Ar/4％H 2 气氛中首先保持高温然后保持低温，在LSB之后生成MSB。 当在不含氢的氩气气氛中进行相同的实验时，没有发生台阶解聚现象。
图3 步骤解聚现象。 (a) 在 1600°C 下加热 10 分钟，(b) 然后在 1400°C 下保持 10 分钟，(c) 保持 20 分钟，(d) 在 Ar/4%H2 气氛中保持 60 分钟后样品的表面形貌。 (e,f)从(a)到(d)的变化示意图。
课题组发现了一种以前被认为不可逆的现象，在特定的大气中是可逆的。 由此，能够得到仅由1～1.5nm左右的台阶构成的原子级的平坦面。
关于SiC的阶跃聚束现象，MSB和LSB都得到了广泛的讨论，并提出了各种机制。基于这些机制，无法简单地解释MSB出现在LSB之后的现象。因此，这一结果被认为是向表面科学理论扔了一块石头。
另外，在一般的半导体制造工艺中，将晶锭切割成晶片，对其表面进行机械抛光，然后进行CMP和氢蚀刻。单独使用 CMP 时，会残留一层加工损伤，而单独使用简单的氢蚀刻时，会出现 LSB。另一方面，对于带有抛光痕迹的SiC表面，首先在Ar/4%H2气氛中对抛光痕迹进行高温处理，然后在低温下保持，可以获得原子级平坦的表面。换句话说，利用该技术，可以获得原子级平坦的表面，而没有一层加工损伤，并减少了包括CMP在内的工艺数量。 由于这简化了半导体制造工艺，预计将有可能显着节省成本和时间。
在本研究中，仅将 SiC 作为半导体目标。 另一方面，作为半导体，还有氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)等各种其他材料。对于这些，由于相似的晶体结构，也可能发生阶梯解聚。 该技术应用于其他半导体材料是未来的课题。