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微纳器件激光退火工艺的优化和探索

马福帅  
【摘要】:随着大数据和云计算的迅猛发展,集成电路需要处理的数据量不断增加,数据的存储变得越来越重要。为了满足市场对高性能和高密度存储设备的需求以及缓解平面NAND Flash的技术瓶颈,3D NANDFlash结构被提出。由于3D NAND Flash结构需要更低的热预算来减少温度对器件层的损坏,因此3D体系结构退火工艺的研究对于新一代存储器件具有一定的实际意义。本文主要围绕存储器制备中激光退火工艺的优化展开,分别对纳秒激光(短脉冲激光)退火条件下器件中的温度场变化和飞秒激光(超短脉冲激光)照射半导体材料时的相变机理作了深入的探究。目的是更加详尽的掌握激光非晶硅退火过程中热力场的变化,优化激光退火的工艺以及对激光退火制备多晶硅沟道提供了一定的数据参考。第一部分主要介绍了基于有限元软件对纳秒激光脉冲作用下3D垂直沟道结构单元中的热力场分布进行数值仿真。通过参数设置、模型创建、网格划分、相变处理等建立激光退火的仿真模型,其中施加热源为高斯激光光束。然后,分别改变多晶硅沟道厚度、激光能量密度和脉冲宽度并对相应的热力场进行数值模拟。结果表明:样品表面的温度与激光能量密度成正比,与脉冲宽度成反比。同时,沿半径方向以及沿轴线方向的温度大小和温度梯度大小逐渐降低。当激光能量密度U= 1500mJ/cm2时,沟道层表面非晶硅材料首先达到相变温度;当U≈2000mJ/cm2时,底部非晶硅材料温度才能稳定在非晶硅的相变温度;同时为了避免临近Si02材料层的熔化,激光退火过程中使用的激光能量应限制在3000mJ/cm2以内。此外,多晶硅沟道厚度与界面温度呈非线性关系,且沟道层厚度约13nm时,界面处温度最低。该研究结果可为3DNANDFlash退火工艺的优化提供重要的参考。第二部分主要从理论分析、数值模拟和实验分析三方面研究了飞秒激光与非热退火的机理和可行性。理论部分,介绍了飞秒激光飞秒激光与固体材料相互作用的物理机理,为飞秒激光非热作用过程的理解奠定理论基础。数值计算部分,通过引入和求解双温模型来探究飞秒激光与半导体材料相互作用过程,分析结果可得:电子-晶格耦合时间远大于飞秒激光脉冲持续时间,电子温度和晶格温度始终处于非平衡状态;激光在半导体样品中的穿透深度为微米量级;当激光能量密度不变时,增加激光脉冲宽度,电子温度的最大值和晶格的平衡温度减小,同时晶格温度的升高速率变缓。实验部分,首先采用PECVD工艺在两种不同的衬底上制备非晶硅薄膜,然后在室温下使用飞秒激光照射该薄膜来实现非晶硅的晶化。经扫描电子显微镜和原子力显微镜观测表明,退火后非晶硅薄膜表面出现纳米晶粒,表面粗糙度增大,以及衬底对退火过程的影响很小。经拉曼光谱分析可知,飞秒激光实现了从非晶硅到多晶硅的相变。以上结果表明,飞秒激光非热退火工艺适用于室温非耐热衬底上大规模制备多晶硅薄膜。


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