欠陥サイト選択反応を駆使した三次元ナノデバイス側壁面の原子平坦仕上げ加工法の開発

• 研究課題/領域番号: 20H02483
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分26050:材料加工および組織制御関連
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 服部 賢 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (00222216)
• 研究分担者: 服部 梓 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (80464238)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円); 2022年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2021年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2020年度: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円)
• キーワード: 三次元立体形状試料 / 表面原子平坦化 / 側壁表面 / ファセット表面 / ウェットプロセス / 走査トンネル顕微鏡 / 電子回折 / 原子平坦 / 三次元デバイス / 走査電子顕微鏡 / 低速電子回折 / 側壁面 / 電子状態 / 磁性

研究開始時の研究の概要

パソコンやスマホの性能を決めるトランジスタは年々微細化され、現在のサイズは10 nm台、構造は立体型へと大きく高密度化されている。更に2030年代にはトランジスタが積層した超高密度三次元ナノデバイスの実現が予定されている。
現在の問題点はデバイス側壁面の凹凸が 2～3 nmと大きく、電気抵抗の増大など多くの性能劣化を引き起こしていることである。この解決には側壁面凹凸を原子平坦面にする必要がある。
本研究では、原子平坦化する仕上げのウェットエッチング反応を原子レベルの顕微観察で調べ、この理解に基づいた欠陥サイト選択反応を応用することにより、従来できなかった側壁面原子平坦加工法を開発する。

研究成果の概要

原子精度で平坦なファセット表面（基板面から傾いた表面）をもつミクロスケールの立体形状のシリコン試料を、シリコン基板をリソグラフィー法で切削加工、更に真空加熱することにより作製しました。
原子平坦にする工夫の１つは、リソグラフィーの最終工程であるエッチング処理での溶液の選択で、表面の荒れを軽減することのできる特定の欠陥サイトからのエッチング反応を進行させました。もう１つの工夫は、表面原子拡散により表面凹凸を整える真空加熱の条件最適化で、通常の加熱温度よりも150～200℃ほど低温が、原子平坦表面の仕上げと立体形状維持に良いことが分かりました。

研究成果の学術的意義や社会的意義

立体形状をもつシリコン・デバイスの精緻な形状制御は、医療用マイクロ流路や加速度センサー等のMEMSデバイス、高密度立体トランジスタなどの最新の立体半導体デバイスなど、多くのテクノロジーを支える基盤技術の１つです。立体形状シリコンの表面は原子精度で平坦とは言えず、最先端のデバイスにおいてはパフォーマンスの劣化を招いていました。本研究の成果は、原子平坦な立体形状シリコンを創り出す技術に直結しており、デバイス・パフォーマンスの向上に寄与するものです。

研究成果

• [国際共同研究] Dalian Jiaotong University(中国)
• [国際共同研究] Dalian Jiaotong University(中国)
• [国際共同研究] Dalian Jiaotong University(中国)
• [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology(ドイツ)
• [雑誌論文] Accessibility of ARPES for Three-dimensionally Architected Si{111}7×7 Facet Surfaces on Micro-patterned Si(110) (2022)
  • 著者名/発表者名: Hattori Ken、Sakai Yuya、Pamasi Liliany N.、Irmikimov Aydar、Higashi Takaaki、Yang HaoBang、Shi XiaoQian、Guo FangZhun、Osaka Ai I.、Tanaka Hidekazu、Iimori Takushi、Komori Fumio、Hattori Azusa N.
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 20 号: 4 ページ: 214-220
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2022-038
  • ISSN: 1348-0391
  • 年月日: 2022-07-28
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Growth of Fe Islands on Clean and Ammonia-saturated Si(111)7 × 7 Surfaces Studied by in situ Electron Diffraction (2021)
  • 著者名/発表者名: Pamasi Liliany Noviyanty、Nishida Shota、Takemoto Shohei、Hattori Ken
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 号: 3 ページ: 034601-034601
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.034601
  • NAID: 210000158850
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomically Architected Silicon Pyramid Single-Crystalline Structure Supporting Epitaxial Material Growth and Characteristic Magnetism (2021)
  • 著者名/発表者名: Irmikimov Aydar、Pamasi Liliany N.、Hattori Azusa N.、Higashi Takaaki、Takahashi Shunta、Hashamova Emilia E.、Shi Xiaoqian、Guo Fangzhun、Hosoito Nobuyoshi、Osaka Ai I.、Tanaka Hidekazu、Hattori Ken
  • 雑誌名: Crystal Growth & Design 巻: 21 号: 2 ページ: 946-953
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.0c01286
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spatial Analytical Surface Structure Mapping for Three-dimensional Micro-shaped Si by Micro-beam Reflection High-energy Electron Diffraction (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakatsuka Sohei、Imaizumi Taishi、Abukawa Tadashi、Hattori Azusa N.、Tanaka Hidekazu、Hattori Ken
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 19 号: 0 ページ: 13-19
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2021.13
  • NAID: 130007995518
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] RHEEDパターンの表面粗さ依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井田有紀, 北川喜宏, Juharni, 清水智也, 髙橋駿太, 大坂藍, 服部梓, 田中秀和, 桃野浩樹, 服部賢
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] サブマイクロサイズの三次元Si{111}ファセットライン構造の表面制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 今山航, 木元康成, Ni'matil Mabarroh, 阪井雄也, 東嵩晃, 服部梓, 大坂藍, 田中秀和, 服部賢
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] Photoelectron spectroscopy of artificially designed three-dimensional Si facet-line structures with clean {111} facet surfaces (2023)
  • 著者名/発表者名: Ni'matil Mabarroh, Juharni, Yuki Ida, Wataru Imayama, Yasunari Kimoto, Yoshihiro Kitagawa, Liliany N. Pamasi, HaoBang Yang, Yuya Sakai, Tomoya Shimizu, Ai I. Osaka, Hidekazu Tanaka, XiaoQian Shi, FangZhun Guo, Kiyohisa Tanaka, Shigemasa Suga, Shin-ichiro Tanaka, Azusa N. Hattori, Ken Hattori
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] Magnetic interaction between three-dimensional pyramids with ferromagnetic nano-film (2023)
  • 著者名/発表者名: Juharni, Liliany N. Pamasi, Nobuyoshi Hosoito, Ni'matil Mabarro, Azusa N. Hattori, Ai I. OsakaA, Hidekazu TanakaA, Satoru Yoshimura, Ken Hattori
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 3次元構造表面の逆格子マッピングのための多軸制御RHEEDシステムの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井田有紀, 北川喜宏, 清水智也, 髙橋駿太, Pamasi Liliany, 服部 梓, 桃野浩樹, 田中秀和, 服部 賢
  • 学会等名: 第8回材料WEEK 「材料シンポジウム」
• [学会発表] 原子レベルで平坦な{111}ファセット面をもつ三次元Siライン構造の作製 (2022)
  • 著者名/発表者名: 今山 航, 木元康成, 木元康成, 阪井雄也, 東嵩晃, Irmikimov Aydar, 楊浩邦, 服部 梓, 大阪 藍, 田中秀和, 服部 賢
  • 学会等名: 第8回材料WEEK 「材料シンポジウム」
• [学会発表] Photoelectron spectroscopy of artificially designed three-dimensional Si structures with {111} facet surfaces (2022)
  • 著者名/発表者名: Ken Hattori, Liliany N. Pamasi, Aydar Irmikimov, Takaaki Higashi, HaoBang Yang, Yuya Sakai, Tomoya Shimizu, Yuki Ida, Wataru Imayama, Juharni Juharni, Ai I. Osaka, Hidekazu Tanaka, XiaoQian Shi, FangZhun Guo, Takuji Iimori, Fumio Komori, Shigemasa Suga, Kiyohisa Tanaka, Shin-ichiro Tanaka, Azusa N. Hattori
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum congress (IVC-22)
  • 国際学会
• [学会発表] Ferromagnetic properties induced by artificially designed three-dimensional shapes in Fe nanofilm pattern (2022)
  • 著者名/発表者名: Liliany N. Pamasi, Juharni juharni, Nobuyoshi Hosoito, Aydar Irmikimov, Takaaki Higashi, Yuya Sakai, Azusa N. Hattori, Ai I. Osaka, Hidekazu Tanaka, Satoru Yoshimura, Ken Hattori
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum congress (IVC-22)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of multiple-axes controlled RHEED system for reciprocal space mapping of three-dimensional structure surfaces (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuki Ida, Tomoya Shimizu, Yoshihiro Kitagawa, Shunta Takahashi, Liliany N. Pamasi, Azusa N. Hattori, Ai I. Osaka, Hidekazu Tanaka, Hiroki Momono, Ken Hattori
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum congress (IVC-22)
  • 国際学会
• [学会発表] Creation of three-dimensional Si lined structures with atomically flat {111} faceted surfaces (2022)
  • 著者名/発表者名: Wataru Imayama, Yuya Sakai, Takaaki Higashi, Aydar Irmikimov, Haobang Yang, Liliany N. Pamasi, Azusa N. Hattori, Ai I. Osaka, Hidekazu Tanaka, Ken Hattori
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum congress (IVC-22)
  • 国際学会
• [学会発表] Artificially designed three-dimensional shaped surfaces and films in atomic precision: Creation, structure evaluation, and application of unique properties (2022)
  • 著者名/発表者名: Ken Hattori
  • 学会等名: 1st International Conference on Frontier in Sciences (ICFS-2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Modulated three-dimensional ferromagnetic anisotropy of pyramidal shape Fe nanofilms (2022)
  • 著者名/発表者名: Liliany N Pamasi, Aydar Irmikimov, Yuya Sakai, Tomohiro Shimizua, Haobang Yang, Nobuyoshi Hosoito, Azusa N. Hattori, Ai I. Osaka, Hidekazu Tanaka, and Ken Hattori
  • 学会等名: The 25th SANKEN international symposium
  • 国際学会
• [学会発表] 3次元立体表面上の鉄ナノ薄膜での特異な磁気特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 服部 梓、Liliany N. Pamasi、阪井 雄也、Haobang Yang、細 糸 信好、Irmikimov Aydar、東 嵩晃、大坂 藍、田中 秀和、服部 賢
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 原子精度で構造制御した立体形状Si試料からの光電子分光 (2021)
  • 著者名/発表者名: 服部 梓、服部 賢、阪井 雄也、Haobang Yang、Aydar. Irmikimov、Liliany. N. Pamasi、東 嵩晃、田中 秀和、飯盛拓嗣、小森文夫
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 立体構造表面の逆空間マップ多軸制御RHEEDシステムの改良 (2021)
  • 著者名/発表者名: 清水智也、高橋駿太、Liliany.N.Pamasi、服部梓、田中秀和、桃野浩樹、服部 賢
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] ピラミッド構造ファセット面上の鉄ナノ薄膜の立体形状磁性 (2021)
  • 著者名/発表者名: Liliany N. Pamasi、Aydar Irmikimov、阪井雄也、清水智也、Haobang Yang、服部梓、大坂藍、田中秀和、服部 賢
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 3次元立体形状Fe薄膜での特異な磁気特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 服部 梓、大坂 藍、田中 秀和、Liliany N. Pamasi、細糸信好、Aydar Irmikimov、東 嵩晃、阪井 雄也、Haobang Yang、服部 賢
  • 学会等名: 日本材料学会第7回材料WEEK材料シンポジウム
• [学会発表] 立体Si構造の作製及び立体ファセット表面の原子制御秩序 (2021)
  • 著者名/発表者名: 阪井雄也、東嵩晃、Irmikimov Aydar、Haobang Yang、今山航、Pamasi L. Noviyanty、服部梓、大坂藍、田中秀和、服部 賢
  • 学会等名: 日本材料学会第7回材料WEEK材料シンポジウム
• [学会発表] 原子制御した立体構造表面でのものづくりと立体形状が織りなす特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 服部 賢
  • 学会等名: 第8回電子デバイスフォーラム京都
  • 招待講演
• [学会発表] 多軸制御RHEEDシステムの構築と Si立体構造表面 の逆空間マップ評価法の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 清水 智也、井田 有妃、高橋 駿太、Liliany N. Pamasi、服部 梓、田中 秀和、桃野 浩樹、服部 賢
  • 学会等名: 2021年日本表面真空学会 学術講演会
• [学会発表] Magnetism of epitaxial Fe nanofilms on threedimensionally structuralized Si {111} facet surfaces (2021)
  • 著者名/発表者名: Liliany N. Pamasi、Irmikimov Aydar、阪井 雄也、清水 智也、Haobang Yang、細糸 信好、服部 梓、大坂 藍、田中 秀和、Ken Hattori
  • 学会等名: 2021年日本表面真空学会 学術講演会
• [学会発表] 原子平坦立体表面をもつマイクロピラミッドシリコンの創成： 立体表面構造分析と特異物性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 服部 賢
  • 学会等名: 第101回（令和3年度第2回） 産研テクノサロン 表面・界面現象の分析技術
  • 招待講演
• [学会発表] 原子秩序ファセット表面をもつ多様な三次元Si構造の創成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 東嵩晃、Aydar Irmikimov、楊浩邦、阪井雄也、Emilia E. Hashamova、服部梓、大坂藍、田中秀和、Fangzhun Guo、Xiaoqian Shi、服部 賢
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 多軸制御RHEEDシステムの構築による立体構造任意表面の逆空間マップ評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 髙橋駿太、山本幸弘、Liliany N. Pamasi、清水智也、服部梓、田中秀和、桃野浩樹、服部 賢
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Magnetic property of ferromagnetic nanofilms on facet surfaces of three-dimensional structures (2021)
  • 著者名/発表者名: Liliany N. Pamasi, Aydar Imirkimov, Takaaki Higashi, Shunta Takahashi, Emilia E. Hasamova, Tomoya Shimizu, Nobuyoshi Hosoito, Ai I. Osaka, Azuza N. Hattori, Hidekazu Tanaka, Ken Hattori
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Si(551)基板上に形成されたSi(15 17 3)3x1ファセット表面の表面構造解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青山大晃、内藤完、中塚聡平、小川修一、虻川匡司、江口豊明、服部 賢、服部梓、黒田理人
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] ナノビームRHEEDによるSi基板上マイクロ構造の局所表面構造解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中塚 聡平、内藤 完、今泉 太志、虻川 匡司、江口 豊明、服部 梓、田中 秀和、服部 賢
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Si(551)表面のW-RHEEDとSTMによる構造解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 内藤 完、中塚 聡平、小川 修一、虻川 匡司、江口 豊明、服部 賢、服部 梓、黒田 理人
  • 学会等名: 2020年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] 立体構造における任意方位表面の逆空間マップ評価法の開発：多軸制御RHEEDシステムの構築 (2020)
  • 著者名/発表者名: 髙橋 駿太、山本 幸弘、Liliany N. Pamasi、清水 智也、服部 梓、田中 秀和、桃野 浩樹、服部 賢
  • 学会等名: 2020年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] 3D Si{111}ピラミッド作製、及び7×7ファセット表面上のナノ薄膜形成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 東 嵩晃、Aydar Irmikimov、Liliany N. Pamasi、Emilia E. Hashamova、髙橋 駿太、服部 梓、田中 秀和、Fangzhun Guo、Xiaoqian Shi、服部 賢
  • 学会等名: 2020年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] フラッシング加熱によるSi3Dマイクロ構造と表面の構造変化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中塚 聡平、内藤 完、今泉 太志、虻川 匡司、江口 豊明、服部 梓、田中 秀和、服部 賢
  • 学会等名: 2020年日本表面真空学会学術講演会
• [図書] Chap. 6. "Creation and evaluation of atomically ordered side- and facet-surface structures of three-dimensional silicon nano-architectures" in "21st Century Surface Science" (2020)
  • 著者名/発表者名: Azusa N. Hattori and Ken Hattori (eds. by Phuong Pham, Pratibha Goel, Samir Kumar and Kavita Yadav)
  • 出版者: IntechOpen (London)
  • ISBN: 9781839626401
• [備考] 研究室紹介
  • URL: https://mswebs.naist.jp/LABs/surface-material-physics/index.html
• [備考] 研究概要
  • URL: https://mswebs.naist.jp/LABs/surface-material-physics/project.html
• [備考] 研究業績
  • URL: https://mswebs.naist.jp/LABs/surface-material-physics/achievement.html