应用于堆叠纳米线MOS器件的STI工艺优化研究

在传统Fin FET集成工艺上,通过Ge Si/Si叠层量子阱结构外延生长再形成堆叠纳米线MOS场效应晶体管的方案,是实现5 nm及其以下CMOS集成电路工艺技术最具可能的器件方案。由于Ge元素在该技术中的引入,导致器件工艺中的浅沟槽隔离(STI)工艺部分产生严重的低温高深宽比工艺(HARP) SiO_2腐蚀速率控制问题。本文针对堆叠纳米线MOS器件STI工艺中的低温HARP SiO_2回刻腐蚀速率调节与均匀性控制问题,进行了全面的实验研究。实验中使用HF溶液对不同工艺条件下的HARP SiO_2进行回刻腐蚀,并对其腐蚀速率变化进行了详细研究,具体包括不同退火时长以及相同退火温度不同厚度HARP SiO_2位置处的腐蚀速率。通过实验结果发现,在退火温度相同的情况下,随着退火时长的增加,SiO_2腐蚀速率逐渐变小;而对于同一氧化层来说,即使退火条件相同,SiO_2不同厚度位置处的腐蚀速率表现也不同,即顶部的速率最大,而底部则最小。由此可以看出,随着退火时长的增加,低温HARP SiO_2腐蚀速率逐渐减小,并且对STI具有深度依赖性。该实验结果对成功制作5 nm技术代以下堆叠纳米线器件的STI结构起到了重要的技术支撑作用。     

应用于堆叠纳米线MOS器件的STI工艺优化研究北大核心CSCD

在传统Fin FET集成工艺上,通过Ge Si/Si叠层量子阱结构外延生长再形成堆叠纳米线MOS场效应晶体管的方案,是实现5 nm及其以下CMOS集成电路工艺技术最具可能的器件方案。由于Ge元素在该技术中的引入,导致器件工艺中的浅沟槽隔离(STI)工艺部分产生严重的低温高深宽比工艺(HARP) SiO_2腐蚀速率控制问题。本文针对堆叠纳米线MOS器件STI工艺中的低温HARP SiO_2回刻腐蚀速率调节与均匀性控制问题,进行了全面的实验研究。实验中使用HF溶液对不同工艺条件下的HARP SiO_2进行回刻腐蚀,并对其腐蚀速率变化进行了详细研究,具体包括不同退火时长以及相同退火温度不同厚度HARP SiO_2位置处的腐蚀速率。通过实验结果发现,在退火温度相同的情况下,随着退火时长的增加,SiO_2腐蚀速率逐渐变小;而对于同一氧化层来说,即使退火条件相同,SiO_2不同厚度位置处的腐蚀速率表现也不同,即顶部的速率最大,而底部则最小。由此可以看出,随着退火时长的增加,低温HARP SiO_2腐蚀速率逐渐减小,并且对STI具有深度依赖性。该实验结果对成功制作5 nm技术代以下堆叠纳米线器件的STI结构起到了重要的技术支撑作用。     

Ge纳米点/Si纳米线复合结构制备及微结构特征分析

结合金属纳米颗粒辅助化学刻蚀法制备Si纳米线和低压化学气相外延自组织生长Ge纳米点制备了Ge纳米点/Si纳米线复合结构,采用电子显微镜、微区原子力/拉曼联合测试系统进行了微结构表征。Ge纳米点基本均匀地分布于Si纳米线上,通过改变生长参数可有效控制Ge纳米点的尺寸和密度。在非常扁薄的无支撑的纳米点/线复合结构中,由于应力和热效应的作用使Si和Ge的拉曼散射特征峰发生了较大的红移。     

Au纳米粒子修饰Si纳米线

报道了在正己硫醇作表面活性剂下,还原HAuCl_4为Au纳米粒子沉积到Si纳米线表面,并利用吸收光谱研究了Au粒子修饰Si纳米线前后的光学性质。通过SiO粉末氧化物辅助生长技术合成了Si纳米线,测量了Si纳米线的吸收光谱,结果表明,与覆盖有SiO_2层的Si纳米线相比,HF处理后的Si纳米线的吸收峰略微“蓝移“。Au纳米粒子沉积到Si纳米线上以后,出现了两个新的吸收峰,波长分别为460和550nm。550nm的吸收峰表明Au纳米粒子的存在,460nm的吸收峰可能是由于Au粒子与Si线之间的界面作用导致的。     

BOE溶液腐蚀PN结N型区域现象

通过选择性离子注入,在硅片表面形成P区、N区紧密接触的PN结结构．实验发现,在黑暗条件下,PN结N型区域可被HF酸或BOE溶液选择性腐蚀;该腐蚀速率与HF酸溶液浓度有关,随环境温度升高而加快,腐蚀速率范围为0．25～3．5nm／min;腐蚀后硅片表面平整．对腐蚀机理进行了初步讨论．结合氧化硅蚀刻缓冲液（BOE溶液）氧化硅牺牲层腐蚀技术,发展出一套硅纳米线加工工艺;利用该工艺,加工出特征尺寸小于100nm的硅纳米线．     

金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线的研究进展

硅纳米线(Si NWs)由于具有独特的一维结构、热电导率、光电性质、电化学性能等特点,被广泛应用于热电与传感器件、光电子元器件、太阳能电池、锂离子电池等领域。金属辅助化学刻蚀法(MACE)是制备Si NWs的常用方法之一,具有操作简便、设备简单、成本低廉和高效等优点,可大规模商业化应用,因而近年来被广泛研究。金属辅助化学刻蚀制备硅纳米线的过程可以分为两步:首先在洁净的硅衬底表面沉积一层金属(Ag、Au、Pt等)纳米颗粒,以催化、氧化它附近的硅原子;然后利用HF溶解氧化层,从而对硅晶片进行刻蚀,形成纳米线阵列。然而,这种简单高效的制备硅纳米线的方法存在一些难以控制的缺点:(1)金属纳米颗粒聚集、相连后造成Si NWs之间的缝隙比较大,从而导致Si NWs密度较低;(2)由于金属纳米颗粒沉积的随机性,在硅晶片表面分布不均匀,不仅导致刻蚀出的纳米线直径范围(50～200 nm)较宽,而且使制得的纳米线阵列排列无序且间距不易调控;(3)当刻蚀出的硅纳米线太长时,范德华力等作用会造成纳米线顶端出现严重的团簇现象。针对常规法存在的一些问题以及不同的器件对硅纳米线的形貌、类型和直径等的要求,近年来的研究主要集中在如何减少纳米线顶端团簇、调控纳米表面粗糙度和直径、低成本制备有序硅纳米线等方面。目前一些改进常规金属辅助化学刻蚀的方法取得了进展,比如:(1)用酸溶液或UV/Ozone对硅晶片预处理,在表面形成氧化层,可以使纳米线的均匀性得到改善并增大其密度(从18%提高到38%);(2)使用物理气相沉积法在硅晶片表面沉积一层金属纳米薄膜,然后再刻蚀,这种方法能够减少纳米线顶端团簇和有效调控纳米线直径;(3)利用模板法(聚苯乙烯小球模板、氧化铝模板、二氧化硅模板和光刻胶模板等)可以制备出有序的硅纳米线阵列。本课题组用离子束刻蚀的方法制备了直径范围可以控制在30～90 nm的聚苯乙烯小球模板,为小尺寸有序硅纳米线的制备打下了坚实的基础。本文简要介绍了常规MACE的原理和制备流程,总结了硅晶片的类型、刻蚀溶液的浓度、温度和刻蚀时间等因素对Si NWs形貌、尺度、表面粗糙度、刻蚀方向以及刻蚀速率的影响,用相关的机制解释了H2O2过量时刻蚀路径偏离垂直方向的机理以及刻蚀速率随溶液浓度变化的原因,重点综述了氧化层预处理、物理法沉积贵金属纳米薄膜、退火处理和模板法等改进方法在减少纳米线顶部团簇、改善均匀性、制备有序且直径和间距可控纳米线中的研究进展。     

ZnS薄膜沉积过程的基材效应

采用热蒸发及离子束辅助沉积技术制备了单层ZnS薄膜,研究了Si、Ge、K9及石英玻璃基材对薄膜沉积速率及光学特性的影响。采用椭偏法拟合了薄膜的厚度和折射率,分析了不同基材上沉积薄膜的色散特性。研究结果表明,薄膜的生长存在明显的基材效应,无论室温沉积、基温200℃,还是采用离子束辅助沉积,石英基材上均具有最高的沉积速率。室温沉积时,4种基材上薄膜的沉积速率差为3.3 nm/min,加热进一步扩大了这种差异(5.2 nm/min),而离子束辅助则在一定程度上缩小了这种差异(1.86 nm/min)。在室温下,石英基材上沉积的ZnS薄膜具有最低的折射率,其他几种基材上折射率差异不大。加热会使Si、Ge及K9玻璃上的折射率差异变大,与石英玻璃上薄膜折射率差异减小,离子源的使用则进一步缩小了这种差异。透射率光谱测试证实了这一结果。     

a-Si∶H/Al/a-Si∶H三层复合膜的低温晶化研究

采用真空热蒸发与PECVD方法 ,在特殊设计的“单反应室双沉积法”薄膜沉积设备中沉积a Si∶H/Al/a Si∶H三层复合薄膜 ,并利用XRD ,XPS及SEM等方法对薄膜在不同温度退火后的晶化行为进行了研究。结果表明 ,随着热处理过程的进行 ,金属Al逐步向表面扩散 ,在金属Al锈导下a Si∶H层出现晶化的温度不高于 2 5 0℃。在Al层厚度低于 2 2nm时 ,a Si∶H向晶态硅转变的量随着Al层厚度的增加而增加 ,而当Al层厚度大于 2 2nm后 ,a Si∶H向晶态硅转变的量与Al层厚度无关     

硅、锗材料在Si(100)表面的生长研究

利用扫描隧道显微镜和超高真空实验装置系统进行了Si(10 0 )表面生长Si,Ge的实验研究。分析了所生成表面的形貌、结构等物理性质。研究表明 :Si在Si(10 0 )表面的同质生长可以形成纳米结构薄膜。Ge在Si(10 0 )表面生长形成规则的三维小岛。而在Si/Ge/Si(10 0 )多层膜上生长则形成大小二种三维岛。研究表明大岛具有Ge/Si/Ge的壳层结构     

半绝缘Si/SiO_2超晶格结构在交流电场下的电致发光特性

本文研究了SiO2和Si层的厚度分别为2-8nm和1.5-3nm的Si/SiO2超晶格在交流电场下的电致发光特性。以超晶格中SiO2层内加速的过热电子碰撞激发纳米Si层中密集的硅量子点,获得了Si/SiO2超晶格蓝绿色交流电致发光。Si/SiO2超晶格的电致发光亮度随电压升高呈现指数增强,最高发光亮度可达到1.4cd/m2。随着Si层厚度的增加,Si/SiO2超晶格电致发光谱的低能侧发光峰相对增强,可以归结为纳米Si层厚度对其中硅量子点尺寸分布的限制作用。当超晶格中SiO2层厚度小于过热电子的平均自由程时,过热电子的平均能量减小导致短波侧的发光强度迅速下降,电致发光强度随之迅速降低。     

Si、Sn、Mg对Q235钢在铝浴中腐蚀行为的影响

为降低钢在铝液中的腐蚀,通过对比纯铝、Al-Si、Al-Sn、Al-Mg铝合金熔体静态腐蚀作用下Q235钢/熔体界面的结构、形貌和腐蚀速率,研究了Si、Sn、Mg元素对Q235在铝合金熔体中静态腐蚀的影响。结果表明:Q235在不同铝合金熔体中均发生腐蚀,表面均形成Fe_2Al_5金属间化合物层,在铝液中添加Si可以使形成的Fe_2Al_5层由舌状转变为平板状,减小Fe_2Al_5层厚度,并显著减缓腐蚀速率;添加Sn和Mg不改变Fe_2Al_5层的形态和厚度,减缓腐蚀速率效果不如Si显著;Si、Sn、Mg不改变Fe_2Al_5择优生长的特点;Si降低腐蚀速率的机制是阻塞Fe_2Al_5空位孔道抑制原子扩散;Sn、Mg降低腐蚀速率的机制是占位阻隔减缓扩散速率。     

Ge/Si超导型和Ge_xSi_(1-x)/Si合金型超晶格的分子束外延生长和特性研究

用分子束外延(MBE)技术生长了Ge/Si超薄型超晶格和Ge_xSi_(1-x)/Si合金型超晶格。用RHEED强度振荡技术生长出了非常陡峭和平整的Si/Ge异质结界面。在Si(001)上生长的一个单原子层Ge和一个单原子层Si的多层结构是可以得到的最薄的超晶格。合金型超晶格的厚度可满足器件制造的要求并避免了失配位错的产生。用XTEM、RBS及X射线衍射对外延晶体质量作了签定,用Raman谱和电调制反射谱对超晶格的光学特性进行了研究。     

SiO_2/酚醛树脂核壳纳米颗粒制备研究

以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱液、氨水为催化剂和去离子水、无水乙醇为溶剂,以甲醛、间苯二酚缩合形成酚醛树脂作为包覆层,采用溶胶-凝胶法制得砖红色二氧化硅(SiO_2)/酚醛树脂(RF)(SiO_2/RF)核壳纳米颗粒。研究结果表明:制得的SiO_2/RF核壳纳米颗粒微观形貌为规整的圆球状,形成了核壳结构;纳米颗粒平均粒径280nm,纳米颗粒的壳层平均厚度为11nm;SiO_2/RF核壳纳米颗粒的C、O、Si元素的摩尔浓度比为1∶1.72∶0.75。     

TiN/Si3N4纳米晶复合膜的微结构和强化机制

采用高分辨透射电子显微镜对高硬度的TiN/Si3N4纳米晶复合膜的观察发现,这类薄膜的微结构与Veprek提出的nc-TiN/a-Si3N4模型有很大不同：复合膜中的TiN晶粒为平均直径约10nm的柱状晶,存在于柱晶之间的Si3N4界面相厚度为0.5～0.7nm,呈现晶体态,并与TiN形成共格界面.进一步采用二维结构的TiN/Si3N4纳米多层膜的模拟研究表明,Si3N4层在厚度约＜0.7nm时因TiN层晶体结构的模板作用而晶化,并与TiN层形成共格外延生长结构,多层膜相应产生硬度升高的超硬效应.由于TiN晶体层模板效应的短程性,Si3N4层随厚度微小增加到1.0nm后即转变为非晶态,其与TiN的共格界面因而遭到破坏,多层膜的硬度也随之迅速降低.基于以上结果,本文对TiN/Si3N4纳米晶复合膜的强化机制提出了一种不同于nc-TiN/a-Si3N4模型的新解释.     

适于PMOSFET的局部双轴压应变Si0.8Ge0.2的生长

通过控制局部双轴压应变SiGe材料的缺陷、组分与厚度,设置了多晶Si侧壁与Si缓冲层的特别几何结构.采用固态源分子束外延MBE设备生长了适于PMOSFET器件的局部双轴压应变Si0.8Ge0.2材料.经SEM、AFM、XRD测试分析,该材料表面粗糙度达0.45nm;Si1-xGex薄膜中Ge组分x=0.188,厚度为37.8nm,与设计值较接近;穿透位错主要由侧壁界面产生,集中在窗口边缘,密度为(0.3～1.2)×10.cm-2;在表面未发现十字交叉网格,且Si0.8Ge0.2衍射峰两侧干涉条纹清晰,说明Si0.8Ge0.2与Si缓冲层界面失配位错已被有效抑制.测试分析结果表明,生长的局部双轴压应变SiGe材料质量较高,可用于高性能SiGe PMOSFET的制备与工艺参考.     

Ge/Si纳米多层膜的埋层调制结晶研究

采用磁控溅射设备,当衬底温度为500℃时,在Si(100)基片上磁控溅射生长Ge/Si多层膜样品.使用Raman,AFM和低角X射线技术对样品进行检测和研究,结果表明通过控制Ge埋层的厚度,可以调制Ge膜的结晶及晶粒尺寸,获得晶粒平均尺寸和空间分布较均匀的多晶Ge/Si多层膜.     

磁控溅射技术制备硅纳米晶多层膜及微观结构表征

在室温下,分别利用常规磁控溅射和反应磁控溅射技术交替沉积Si薄膜和Si1-xNx薄膜在单晶硅基体上制备了Si/Si1-xNx纳米多层膜。接下来,在高温下对Si/Si1-xNx多层膜进行退火诱发各层中形成硅纳米晶。研究了Si1-xNx层厚度和N2流量沉积对Si/Si1-xNx多层膜中Si量子点形成的影响。TEM检测结果表明,N2流量为2.5mL/min时沉积的多层膜退火后形成了尺寸为20～30nm的等轴Si3N4纳米晶;N2流量为5.0mL/min时沉积的多层膜退火后在Si层和Si1-xNx多层中均形成了硅纳米晶,而在7.5mL/min N2流量下沉积的Si/Si1-xNx多层膜退火后仅在Si层中形成了硅纳米晶。     

离子束沉积技术室温生长Si/Ge薄膜的晶化研究

研究Si的室温晶化生长对微电子应用技术是十分重要的.本文采用离子束外延技术制备了一系列的Si/Ge多层膜结构,对样品进行X射线和拉曼散射实验表征.研究表明Ge可诱导膜中Si薄层的室温晶化,当Ge厚度略小于Si薄层厚时,获得最佳的Si室温晶化效果.     

Si基富Ge含量Si1-x-yGexCy异质结构的热退火行为研究

研究了Si基富Ge含量的Si1-x-yGexCy异质结构的热退火地为,采用等离子体增强化学气相淀积（PECVD）法在Si(100）衬底上淀积一层厚度为170nm的Si1-x-yGexCy薄膜（x-0.7,y-0.15),并在其上覆盖－Ge层,将样品分别在650度和800度下进行N2氛围下热退火20min。用拉曼谱（Raman),俄歇电子能谱（AES）以及X射线光电子能谱XPS等方法对样品进行研究。研究结果表明,低温PECVD法生长的Si1-x-yGexCy薄膜是一种亚稳结构,Ge/Si1-x-yGexCy/Si异质结构在650度下呈现不稳定性,薄膜中的Ge,C相对含量下降,且在界面处出现Ge,C原子的堆积,经过800度下退火20min的样品中C 含量基本为0,Ge相对含量下降至约20％左右,且薄膜的组分比较均匀。     

Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9纳米晶合金在NaCl溶液中耐腐蚀性能研究

研究了Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9纳米晶合金在0.1mol/L的NaCl溶液中的耐腐蚀性能,及对其软磁性能的影响。实验结果表明,Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9纳米晶合金经0.1mol/L的NaCl溶液腐蚀后溶液中有橙色沉淀物产生,XRD测试表明铁基纳米晶合金腐蚀后仍保留非晶纳米晶双相结构;铁基纳米晶合金有效磁导率μe随腐蚀时间的增加而降低,腐蚀30d后在频率为50Hz、1、100kHz时其有效磁导率μe较腐蚀前分别下降35.9%、35.3%、27.6%,矫顽力Hc由腐蚀前的0.7097A/m增加到1.117A/m,增加了57.4%,磁滞损耗Pu由腐蚀前的1.819J/m3增加到2.994J/m3,增加了64.6%,腐蚀后铁基纳米晶合金软磁性能有所下降。