東工大、JASRI、名工大ら、半導体中の添加原子と周辺の3次元配列の観察に成功――半導体プロセス開発に貢献

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東京工業大学、高輝度光科学研究センター(JASRI)、名古屋工業大学らによる共同研究グループは2017年12月21日、シリコン(Si)結晶に添加した、ヒ素(As)原子周辺の3次元原子配列構造の観察に成功したと発表した。結晶中の添加元素を選択的に10億倍まで拡大・観察できる、光電子ホログラフィー法と解析理論の開発による成果だという。

半導体は、さまざまな元素を添加することで、p型n型という電気的に異なる性質が生じ、その抵抗率を大幅に変えることができる。添加した元素は、半導体中の電気伝導を担う電子(n型)や正孔(p型)を作り出すのに必要であり、半導体デバイスの高性能化のためには電子や正孔の濃度をできるだけ高めることが求められている。

しかし、全ての添加元素が活性化して半導体中の電気伝導を担う電子(n型)や正孔(p型)を作り出すことはなく、半導体に添加する元素の濃度を高くしても限界がある。この限界を引き上げることが半導体にとって重要なプロセス技術の開発とされており、これまで添加元素の構造を原子レベルで精密に捉える評価手法がなかったことから、半導体に添加された原子の配列構造や挙動を直接把握しながら制御する技術の開発が求められていた。

今回の実験は、大型放射光施設「SPring-8」のビームライン(BL25SU)で行った。Si中にAsが異なる3種類の化学結合状態で混在することは、既に放射光を用いた光電子分光法で定量的に見出されていたが、今回、これら3種類の異なる状態の原子配列構造を光電子ホログラフィー法で初めて明らかにした。具体的には、(1)単独で結晶格子位置を置換し電気的に活性な構造、(2)Si空孔周りにAs原子が複数集まり電気的に不活性な構造、(3)As周りのSiがランダムに配置する電気的に不活性な構造、という3種類の構造を持つことが分かったという。

さらに、これらの濃度比も明らかにしており、添加原子の配列構造と電気的状態の関係性を明確化できることから、今後は多くの半導体製造技術で課題となる添加元素の活性化率を高めるプロセスの技術開発などに役立つとしている。

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