氢热处理对硅单晶纳米结构形貌控制特征研究

随着微纳技术的不断进步以及新型器件功能实现的内在需要，对纳米结构实现精细调控提出了越来越高的要求。本课题重点研究高温下氢与硅单晶表面原子的相互作用特征，掌握氢热处理对硅纳米结构形状的有效调制以及实现平滑表面的方法，为硅小尺寸MOS器件、纳米线基太阳电池及深亚波长光电器件的发展提供科学与技术基础。研究工作将采用微纳加工获得特定结构形貌的硅单晶样品，对各种氢气氛热处理条件，包括温度、压强、氢成份、时间及等离子体等作用下，表征分析其结构形状和表面形貌的变化特征，揭示结构演变规律和关键参数；同时，采用蒙特卡罗方法模拟不同晶面化学势对原子表面扩散的作用特征，给出在氢作用下结构形貌演变基本过程。我们将阶段研究成果及时与国内相关科研项目相结合应用于器件研制。

随着硅MOS器件尺寸不断缩小并从2D进入到3D，对纳米结构实现精细调控提出了更高的要求。本课题重点研究高温下氢与硅单晶表面原子的相互作用特征，掌握氢热处理对硅纳米结构形状的有效调制及实现平滑表面的方法。设计并组装了一套氢气氛快速高温退火系统用于实验研究。通过对微纳加工获得特定结构形貌的硅单晶的氢气氛热处理实验研究，测试显示纳米结构上表面的粗糙度明显降低，并且出现了原子级的台阶。同时，观察氮气和真空高温热处理会使硅原子的扩散更加明显，使单晶硅表面变得粗糙并导致微孔的产生。对不同晶面的锗单晶的实验发现氢热处理同样有效改变表面的粗糙度，特别是（100）晶面。在理论模拟分析上，采用了第一性原理模拟分析氢热处理基团键能变化特征。基于蒙特卡罗方法，模拟了氢热处理过程对Fin-MOSFET结构的影响，给出三维沟道侧面粗糙度和线宽粗糙度的变化特征，指出在面扩散机制下可以很好的控制Fin结构的形貌变化。通过施加机械形变的方法产生单轴张应变、压应变，和双轴张应、压应变，研究了各应变条件下MOSFET工作特性变化规律。研究工作成果对硅纳米结构形貌精细调控和3D结构的 MOSFETs发展具有重要的学术意义。