论文部分内容阅读
早在五十年前，戈登·摩尔依据半导体行业的发展规律提出了著名的摩尔定律，准确预测了晶体管体积地不断缩小给微电子行业带来的革新;约十年之前，英特尔基于摩尔定律宣布了自己的“Tick-Tock”处理器研发周期，预测两年一次的处理器架构大更新。然而，随着工艺节点日趋进入10nm以内，短沟道效应、高的漏电流以及载流子速度饱和等效应使得晶体管等比例缩小已无法提供更加优异的性能，必须引入新工艺及新技术以解决晶体管减小带来的各种问题，从而使得芯片研发周期延长。不久前，英特尔已宣布将以Process-Architecture-Optimization（制作工艺-架构-优化）取代“Tick-Tock”模式，摩尔定律的有效期也不断被质疑。 基于微电子工艺节点不断减小带来的难题和挑战，本论文基于中科院上海微系统与信息技术研究所在SOI（绝缘体上硅）方面的长期技术积累，结合国家科技重大专项“新型硅基应变材料研究”以及“16/14nm关键工艺研究”等课题，开展了基于电学互连以及光电互连领域的探索研究，主要包括应变技术对硅基微电子器件性能的提升，以及表面等离子体纳米腔技术对硅基光源光强的增强，对目前纯电学互连的微电子产业的进一步发展以及将来基于光电互连的硅光子的大胆引入提供参考解决方案。本论文的主要研究成果如下: （一）离子注入技术制备SiGe弛豫衬底。本论文利用离子注入技术，在外延的全应变SiGe晶片内注入一定剂量的He+。在快速退火过程中，He+相互聚集形成直径约25nm的球形He泡，并逐渐向SiGe/Si Sub界面移动。在高温下，压强足够大的He泡在SiGe/Si Sub界面产生失配位错，并诱导产生穿透位错从而形成位错环，从而使得SiGe层中的应力得到释放。穿透位错在运动过程中相互抵消从而保证了SiGe高的晶体质量。本论文利用该技术实现了8英寸SiGe虚拟衬底材料的制备，并成功为应变硅的制备提供衬底材料。 （二）8英寸绝缘体上应变硅(sSOI)晶片的制备技术研究。研究了25％的TMAH溶液以及HF(0.5％)∶HNO3∶HAc溶液对Si和SiGe薄膜的选择性腐蚀，通过调整溶液的配比以及腐蚀温度使得两种选择性腐蚀溶液的选择比均大于100;提出了NH4OH∶H2O2∶H2O溶液可以有效去除选择性腐蚀Si、SiGe后在表面留下的尖刺。晶片键合剥离后通过四层结构的选择性腐蚀，成功制备出了表面粗糙度仅为0.421nm的8英寸sSOI晶片。顶层18nm的应变硅界面平直、厚度均匀、晶格排列整齐，厚度在整个晶圆范围偏差在10％以内;项层应变硅双轴张应力平均值高达1.31GPa，在整个晶圆的偏差为±4.6％;通过优先腐蚀液测试出sSOI的缺陷密度在2-4×104 cm-2;由于双轴张应力的引入，在sSOI上制备的nMOSFETs器件的迁移率提高了90％以上，饱和驱动电流提高了50％以上。 （三）机械应力法制备硅基应变材料。将薄膜卷曲技术与微电子加工工艺相结合，创新性地提出利用独特的桥型结构制备单轴/双轴硅基应变材料。成功制备了应力值高达3.2％/0.9％的单轴/双轴张应变硅纳米带以及应力值高达3.1％的单轴张应变锗纳米带。实验与有限元仿真软件相结合研究了纳米带应力的来源以及应力在三个维度的分布。实现了通过简单地调节桥型结构的几何参数方便地对纳米带的应力值进行可控的调控。通过对锗纳米带金属-半导体-金属结构光电探测性能的比较，证明了在锗中引入张应力可以有效调节锗的能带结构，从而提高锗在光电领域的应用。由于利用该桥型结构制备张应变材料对起始材料没有任何限制，理论上可以将该技术应用到任意种类的材料中，从而提高材料在机械、电学以及光电等领域的应用。 （四）利用等离子体纳米腔增强硅纳米线的发光性能。利用硅基刻蚀工艺实现了硅纳米线类梯形结构的加工，借助于SOI独特的三层结构以及薄膜转移等半导体工艺，创新性的制备了类梯形结构的表面等离子体共振腔来提高硅纳米线阵列的热辐射复合效率，并最终获得了宽波长范围内多波段的光致发光谱。通过对硅纳米线进行发光性能的对比研究，证实了类梯形结构的纳米腔对硅热辐射复合的几率的增强。实验与FDTD模拟相结合，提出了硅纳米线的发光峰位与纳米腔共振模式一一对应的关系，并通过制备宽度渐变的硅纳米线，证实了通过纳米腔的腔模对硅纳米线发光峰位的可控调制。提出了热声子效应以及声子瓶颈效应在硅热辐射复合过程中的促进作用，从而解释了通过纳米腔的腔模对硅纳米线发光峰位进行有效调控的物理机制。