使用H?+N?等离子体蚀刻技术对原子级平坦的金刚石(111)表面进行选择性蚀刻

《CARBON》：Selective etching of atomically flat diamond (111) surfaces using H 2+N 2 plasma etching

　　

新型技术

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  **使用H₂+N₂等离子体和Ti/Au掩模，在原子级平坦的(111)金刚石表面上实现了选择性蚀刻。

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蚀刻后的金刚石表面保持了高度平整的(111)结构，表面粗糙度（Sq）≤0.25纳米，可与高质量的机械抛光效果相比。

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层状蚀刻的速率为1.1纳米/分钟。

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即使移除了金属掩模，原子级平坦的形态也得以保持。

引言

金刚石是一种超宽带隙半导体，具有较高的电子和空穴迁移率、高的击穿电场以及优异的热导率。由于这些优越的性能，金刚石作为下一代电力电子材料受到了广泛关注，与传统半导体材料相比，它能够实现低功耗操作[1], [2]。此外，金刚石还具有极高的辐射耐受性，使其成为在太空和核相关设施等恶劣环境中长期稳定运行的理想材料[3], [4]。基于金刚石的各种电力器件已被报道，包括p-n结二极管、肖特基二极管、金属-绝缘体-半导体场效应晶体管（MISFETs）和金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFETs）[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]。特别是2016年，松本等人展示了一种具有正常关闭状态的p型倒置沟道金刚石MOSFET[8]。这种器件结构非常重要，因为它可以抑制故障并实现高可靠性和低功耗操作。最近，小林等人报道了一种具有原子级平坦界面的p沟道倒置层金刚石MOSFET[13]。在这种器件中，通过横向生长技术形成p-n结，可以实现对源/漏区域的选择性掺杂以及原子级平坦通道界面的形成。该结构减少了氧化物-金刚石界面处台阶聚集导致的高界面态密度，并显示出迄今为止报道的倒置层金刚石MOSFETs中最高的场效应迁移率之一。这些结果表明，界面的原子级平整度对于实现高性能器件至关重要。然而，这种结构很大程度上依赖于横向生长条件，这限制了可应用的工艺窗口[14], [15], [16]。感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）是用于制造金刚石器件的最常用技术之一。在上述器件中，采用了低损伤的ICP刻蚀工艺，并降低了直流偏压[13]。然而，传统的ICP刻蚀仍然存在一些问题，如离子轰击引起的表面晶体损伤以及相对于掩模材料的刻蚀选择性有限[17], [18], [19]。此外，还有报道称随着直流偏压的增加，刻蚀速率会增加，而由于离子轰击增强，表面粗糙度也会增加[20], [23]。最近的研究表明，通过降低直流偏压，可以将在ICP刻蚀后形成的表面损伤层减少到几纳米[17]。然而，即使在低偏压条件下，也观察到了含有石墨成分的几层表面，表明表面不能被视为完全无损伤的。另一方面，也有报道称在极低偏压条件下未检测到明显的等离子体诱导缺陷[21]。这些结果表明，直流偏压是控制等离子体刻蚀对基板影响的关键因素。作为一种无等离子体处理方法，基于Ni与金刚石之间固态反应的热化学刻蚀已被报道[24], [25], [26], [27]。然而，在这种方法中，(111)晶面充当了刻蚀终止面，使得难以处理原子级平坦的(111)表面本身。此外，也有报道尝试使用在原子级平坦表面上形成的Ni薄膜进行干法刻蚀。但由于Ni的聚集和颗粒形成，选择性刻蚀控制较为困难[26]。据我们所知，尚未有在原子级平坦的(111)表面上成功实现加工的方法，而这对于先进的金刚石MOSFET来说是必不可少的。因此，目前尚未完全建立用于制造高性能MOSFET的基础——原子级平坦(111)金刚石界面的低损伤制造工艺。最近，我们的研究小组开发了一种使用H₂+N₂等离子体的金刚石刻蚀方法。在这种技术中，刻蚀在MPCVD系统内进行，其中的直流偏压远小于ICP或RIE工艺中的偏压，因此可以显著减少离子轰击对基板的晶体损伤[17], [18], [19], [20], [21], [22]。先前的研究报道称(111)晶面表现为刻蚀终止层；然而，也观察到了刻蚀坑的存在[28], [29]。

在这项研究中，我们使用氢（H₂）和氮（N₂）气体混合物在蚀刻等离子体中研究了原子级平坦的(111)取向金刚石表面上的微观结构形成，以及移除金属掩模后的表面形态。结果表明，可以在1纳米RMA的精度下非常精确地控制原子级平坦(111)表面的刻蚀深度。沟底的表面粗糙度低于0.25纳米。这些发现为基于原子级平坦界面的高性能金刚石器件的制造工艺提供了重要见解。

章节片段

实验方法

图1展示了在原子级平坦的金刚石表面上使用(H₂ + N₂)气体混合物进行选择性蚀刻的实验过程示意图。标签(a–f)表示各个工艺步骤。使用的是Ib型(111)取向的高压高温（HPHT）单晶金刚石基板（住友电气工业有限公司）。

在这项研究中，我们在Ib型(111)取向的单晶金刚石HPHT基板上加工了台面结构

在台面上制备的原子级平坦表面

图2显示了如图1(b)所示在台面上形成的原子级平坦表面的表面形态。(a) 是低倍显微镜（LM）图像，(b) 是原子力显微镜（AFM）图像，(c) 是通过LM获得的截面轮廓，(d) 是原子级平坦表面高度直方图的高斯拟合。通过AFM测量得到的RMS粗糙度（Sq）小于0.05纳米，远小于金刚石的原子层高度[14], [15], [16]。此外，对高度直方图的高斯拟合显示……

结论

在这项研究中，我们使用由我们团队开发的H₂+N₂气体混合物和Ti/Au金属掩模在蚀刻等离子体中研究了选择性蚀刻。这些工作旨在解决之前报道的商用机械抛光HPHT金刚石基板研究中出现的问题，包括蚀刻机制不明确以及蚀刻底部和掩模覆盖表面出现的表面粗糙化问题。为了克服这些限制，将所报告的工艺应用于原子级……

CRediT作者贡献声明

**吉川太郎：**撰写——审稿与编辑，方法学研究。**市川公吉：**撰写——审稿与编辑，验证。**井熊隆雄：**撰写——审稿与编辑，资源协调。**松本翼：**撰写——审稿与编辑，资源协调，资金争取。**小林和树：**撰写——审稿与编辑，验证，方法学研究。**片山真琴：**撰写——审稿与编辑，方法学研究，数据管理。**中村勇人：**撰写——审稿与编辑，验证，方法学研究，数据管理。**克里斯托夫·埃文·内贝尔：**

未引用参考文献

[41]。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

这项工作部分得到了日本学术振兴会（JSPS）的“打造日本顶尖研究型大学计划”（J-PEAKS）（授予编号JPJS00420230006）和日本科学技术省（JST）的“FOREST”计划（授予编号JPMJFR20353078）的支持。此外，还得到了日本学术振兴会科研费（JSPS KAKENHI）（编号24K01344）以及由Daicel公司捐赠建立的“金澤大学未来内窥镜创新讲座”的支持。

R. Yoshida|Y. Nakamura|M. Katayama|K. Kobayashi|K. Ichikawa|T. Yoshikawa|T. Matsumoto|T. Inokuma|S. Yamasaki|C.E. Nebel|K. Hayashi|N. Tokuda