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相变材料Cr-SbTe的反应离子刻蚀及其机理研究

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相变材料Cr-SbTe的反应离子刻蚀及其机理研究

作者：王路广天津理工大学

学位级别：硕士

相变存储器(Phase Change Random Access Memory,PCRAM)是一种具有优良性能的新型非易失性存储技术,具有良好的应用前景。相变材料铬掺杂碲化锑(Cr-SbTe)具有热稳定性高、结晶速度快等优势,具备替代传统相变材料锗锑碲(GST)的潜力。要... 详细信息

相变存储器(Phase Change Random Access Memory,PCRAM)是一种具有优良性能的新型非易失性存储技术,具有良好的应用前景。相变材料铬掺杂碲化锑(Cr-SbTe)具有热稳定性高、结晶速度快等优势,具备替代传统相变材料锗锑碲(GST)的潜力。要实现先进相变材料工艺集成,与之相关的相变材料刻蚀是PCRAM制备的关键工艺。因此本文主要从Cr-SbTe薄膜的刻蚀工艺参数优化及刻蚀机理进行探索和研究。本文利用磁控溅射生长Cr-SbTe薄膜,并对不同生长功率条件下的薄膜采用聚焦离子束(FIB)、原子力显微镜(AFM)、X射线能谱分析(EDS)、半导体参数分析仪分别对其厚度、表面粗糙度、元素成分、温阻变化进行了表征,对优化后的Cr-Sb Te薄膜利用XRD、拉曼光谱进行结构表征。分别研究了Ar/SF、O/SF两组混合刻蚀气体的气体流量比例、压强和功率对刻蚀速率的影响,发现Ar/SF刻蚀速率明显高于O/SF。气体总流量为50 sccm、气体比例为Ar/SF=10:40时,刻蚀速率最大为144.8 nm/min,刻蚀后薄膜表面均方根粗糙度最小为0.87 nm。随着压强的增加,刻蚀速率逐渐减小,最佳压强为10 m Torr。随着功率的增加刻蚀速率先增大后减小,在压强为10 m Torr,功率为150 W时刻蚀速率最大,侧壁垂直度最佳(接近90°)。Ar/SF对光刻胶和Si O的刻蚀选择比明显大于O/SF,Ar/SF混合气体对光刻胶的刻蚀选择比最大达到0.83,对SiO的刻蚀选择比达到3.3。在以上优化工艺参数的基础上,分析刻蚀过程中发生的化学反应,对刻蚀前后Cr-SbTe薄膜进行XPS表征,分析Cr、Sb、Te元素化学状态变化。发现刻蚀过程中Cr、Te元素较易被刻蚀,Sb元素不易被刻蚀。并通过对刻蚀后薄膜进行XPS深度分析,发现刻蚀后薄膜表面产生一层氟化物薄层,保护刻蚀表面。利用刻蚀工艺制备相变存储单元,并对相变存储单元进行电学性能分析。此论文对相变材料Cr-SbTe的刻蚀工艺应用于相变器件的制作提供了理论依据和实验基础。

关键词：铬掺杂碲化锑反应离子刻蚀刻蚀工艺刻蚀机理存储单元

新型相变材料Cr-SbTe的RIE刻蚀工艺及刻蚀机理的研究

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新型相变材料Cr-SbTe的RIE刻蚀工艺及刻蚀机理的研究

作者：李宇翔天津理工大学

学位级别：硕士

铬掺杂锑化碲(Cr-SbTe)是一种新型相变存储材料,它与传统锗锑碲(GST)相变材料相比,具有稳定性高,功耗低,操作速度快等优点,是下一代相变存储器件理想的材料之一。制备限域结构的相变存储器件,刻蚀是重要工艺之一,然而目前针对这种新型... 详细信息

铬掺杂锑化碲(Cr-SbTe)是一种新型相变存储材料,它与传统锗锑碲(GST)相变材料相比,具有稳定性高,功耗低,操作速度快等优点,是下一代相变存储器件理想的材料之一。制备限域结构的相变存储器件,刻蚀是重要工艺之一,然而目前针对这种新型材料的刻蚀工艺研究不足。基于此,论文从Cr-SbTe材料的反应离子刻蚀的工艺参数以及刻蚀机理等方面进行了研究和探索,具有重要的科学意义和应用价值。本文首先对Cr-SbTe的磁控溅射生长过程中功率对薄膜质量的影响进行了研究,优化得到了30W的射频溅射功率。然后对Cr-SbTe材料刻蚀工艺进行探索:刻蚀气体的组分与混合气体的比例,射频功率,工作压强等工艺参数对刻蚀速率,选择比和刻蚀后样品表面粗糙度等对反应离子刻蚀的影响进行了优化。研究发现,混合气体中氟基气体的浓度对刻蚀速率的影响较大,使用CF/Ar气体刻蚀后表面粗糙度普遍大于CHF/O。随着射频功率增加,样品的刻蚀速率呈现先升高后降低的趋势。随着腔室压强的增加,刻蚀速率先升高后降低,样品表面粗糙度先减小后增大。在综合以上刻蚀参数后,得到了使用CHF/O=40:10的混合气体,在150W射频功率和15m Torr的腔室压强下,反应离子刻蚀Cr-SbTe样品的刻蚀速率为108.1nm/min,刻蚀后样品表面均方根(RMS)粗糙度0.447nm,Cr-SbTe对光刻胶的选择比为0.65,对Ti N的选择比为6.54。基于以上工艺参数的分析研究,本文对Cr-SbTe的图形转移质量,刻蚀后侧壁陡直度,刻蚀过程中的化学反应机理以及刻蚀前后材料的相变性能的变化进行了研究。其中侧壁陡直度与混合气体中氟基气体的浓度有关,氟基气体浓度较低时侧壁陡直度较高。在比较刻蚀前后样品表面的XPS能谱图后发现,Cr-SbTe薄膜中,较容易刻蚀的是Cr和Te元素,但刻蚀后均易产生难脱附的氟化产物,而Sb元素刻蚀后产生的氟化产物含量较少,且刻蚀过程对材料的相变性能影响不大。最后对Cr-SbTe及相变存储结构单元的电学性能进行了分析。本文对使用刻蚀技术制备Cr-SbTe基相变存储器件提供了一定的理论依据和实践基础。

关键词：铬掺杂碲化锑反应离子刻蚀刻蚀速率选择比刻蚀机理

新型相变材料Cr-SbTe反应离子刻蚀工艺及机理分析

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红外与激光工程 2021年

作者：李宇翔王芳黄金荣王路广张楷亮天津市薄膜电子与通信器件重点实验室天津理工大学电气电子工程学院

铬掺杂锑化碲（Cr-SbTe）是一种新型相变材料，具有稳定性高，功耗低，操作速度快等优点，是理想的相变材料之一。本文优化了Cr-SbTe材料反应离子刻蚀工艺，比较了CF;/Ar和CHF;/O;两种刻蚀气体对Cr-SbTe薄膜刻蚀效果的影响，通过SEM、AF... 详细信息

铬掺杂锑化碲（Cr-SbTe）是一种新型相变材料，具有稳定性高，功耗低，操作速度快等优点，是理想的相变材料之一。本文优化了Cr-SbTe材料反应离子刻蚀工艺，比较了CF;/Ar和CHF;/O;两种刻蚀气体对Cr-SbTe薄膜刻蚀效果的影响，通过SEM、AFM、XPS等手段对刻蚀前后样品形貌及组分进行表征。得到优化条件，CHF;/O;=40：10，功率200 W，工作压强15mTorr时，实现刻蚀速率108.1 nm/min，Cr-SbTe对光刻胶的选择比0.65，对TiN的选择比6.54，刻蚀后样品表面粗糙度0.447 nm，达到最优条件。并在此基础上研究了刻蚀侧壁的陡直度影响及刻蚀机理的分析。

关键词：铬掺杂锑化碲相变材料反应离子刻蚀刻蚀机理

氢、氧原子刻蚀CVD金刚石涂层石墨相的机理研究

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金刚石与磨料磨具工程 2020年第2期40卷 17-21页

作者：简小刚黄新何嘉诚王俊鹏同济大学机械与能源工程学院上海201804

采用第一性原理分子模拟计算方法对氢、氧原子刻蚀石墨相的过程进行分子动力学仿真,分析了2种原子在石墨相上的吸附过程及刻蚀反应的反应热和反应能垒。结果表明:氧原子在石墨相表面的吸附能强于氢原子吸附能,同时氧原子的化学反应活性... 详细信息

采用第一性原理分子模拟计算方法对氢、氧原子刻蚀石墨相的过程进行分子动力学仿真,分析了2种原子在石墨相上的吸附过程及刻蚀反应的反应热和反应能垒。结果表明:氧原子在石墨相表面的吸附能强于氢原子吸附能,同时氧原子的化学反应活性大于氢原子的,更容易在石墨结构表面发生电子转移反应;氢原子促使石墨相表面的C—C键断裂需要两步反应,而氧原子则只需要一步反应,氢原子刻蚀石墨相的反应能垒比氧原子的高,所需能量更多。同时,通入含氧气源可以有效降低CVD金刚石涂层的沉积温度,提高金刚石涂层的质量。

关键词：第一性原理刻蚀机理吸附过程反应热反应能垒

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Pr_(6)O_(11)对合成金刚石单晶各向异性的刻蚀

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材料工程 2022年第11期50卷 173-181页

作者：朱振东肖长江马金明栗正新河南工业大学材料科学与工程学院郑州450001

为了探究稀土氧化物对合成金刚石单晶的各向异性刻蚀,在氮气保护下,在750~950℃内用Pr_(6)O_(11)对合成金刚石单晶进行刻蚀。采用扫描电子显微分析、热重分析、X射线衍射和拉曼光谱等技术对刻蚀后金刚石单晶不同晶面的表面形貌、物相组... 详细信息

为了探究稀土氧化物对合成金刚石单晶的各向异性刻蚀,在氮气保护下,在750~950℃内用Pr_(6)O_(11)对合成金刚石单晶进行刻蚀。采用扫描电子显微分析、热重分析、X射线衍射和拉曼光谱等技术对刻蚀后金刚石单晶不同晶面的表面形貌、物相组成和刻蚀机理进行表征与分析。采用最大刻蚀深度、单颗粒抗压强度和冲击韧性来表征刻蚀前后金刚石性能的变化。结果表明:Pr_(6)O_(11)对金刚石{100}面和{111}面的刻蚀程度和形貌均不同;当温度为750℃时,Pr_(6)O_(11)对金刚石单晶已有一定程度的刻蚀,随刻蚀温度的增加,刻蚀加剧,且金刚石{111}面的刻蚀程度比{100}面严重;{111}面刻蚀坑形貌从三角形变为层状结构三角形,{100}面由轻微的四边形变为类蜂窝状刻蚀坑;{111}面最大刻蚀深度从1.12μm增加到12.54μm,而{100}面只从0.30μm增加到2.11μm;金刚石单颗粒的抗压强度由未刻蚀金刚石的576.25 N降低到最小530.06 N,冲击韧性由92.94 J/cm^(2)减小到88.53 J/cm^(2);Pr_(6)O_(11)对金刚石单晶的刻蚀机理在885℃前为催化石墨化,885℃后为催化石墨化和氧化。

关键词：金刚石单晶氧化镨各向异性刻蚀刻蚀机理性能

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化学辅助离子束刻蚀实验设备设计及其机理的研究

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化学辅助离子束刻蚀实验设备设计及其机理的研究

作者：单能飞国防科学技术大学

学位级别：硕士

化学辅助离子束刻蚀属于干法刻蚀的一种,可用来对物理器件进行微细加工。这种干法刻蚀方法是在真空环境中加入反应气体利用离子源产生高能离子束对样品进行轰击,由于反应气体的参与可以大大提高刻蚀速率,而且由于离子束刻蚀具有较好的... 详细信息

化学辅助离子束刻蚀属于干法刻蚀的一种,可用来对物理器件进行微细加工。这种干法刻蚀方法是在真空环境中加入反应气体利用离子源产生高能离子束对样品进行轰击,由于反应气体的参与可以大大提高刻蚀速率,而且由于离子束刻蚀具有较好的刻蚀方向性,所以用这种方法来加工二维光子晶体是一种较好的方法。本文基于光子晶体实验研究的目的,研究设计了一套适用于加工光子晶体的化学辅助离子束刻蚀系统。文中首先讲述了化学辅助离子束刻蚀系统的设计原理,完成了基本结构设计和设备基本参数的选取,所设计的化学辅助离子束刻蚀系统能够满足光子晶体制作的基本要求。然后对设备的刻蚀机理做了初步的研究,最后对刻蚀剖面做了一个简单的模拟。模拟结果表明:刻蚀过程中的各向同性刻蚀和各向异性刻蚀作用的比例对刻蚀剖面形状影响挺大,离子束发散角的大小对刻蚀剖面也有较大影响。

关键词：光子晶体化学辅助离子束刻蚀设计原理刻蚀机理模拟

InAs/GaSb超晶格台面刻蚀工艺研究综述

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航空兵器 2023年

作者：张翔宇蒋洞微贺雯王金忠哈尔滨工业大学材料科学与工程学院中国科学院半导体研究所中国科学院大学材料科学与光电技术学院

本文综述了InAs/GaSb超晶格台面刻蚀工艺研究。从湿法和干法刻蚀的物理化学机理以及参数调控等方面进行分析，旨在阐明工艺条件对台面形貌的影响，以抑制带隙较窄的长波和甚长波超晶格表面漏电流。结果表明，湿法刻蚀中恰当的腐蚀液配... 详细信息

本文综述了InAs/GaSb超晶格台面刻蚀工艺研究。从湿法和干法刻蚀的物理化学机理以及参数调控等方面进行分析，旨在阐明工艺条件对台面形貌的影响，以抑制带隙较窄的长波和甚长波超晶格表面漏电流。结果表明，湿法刻蚀中恰当的腐蚀液配比可以实现两种组分的均匀性刻蚀，而不会导致粗糙的表面和严重的下切；干法刻蚀中，采用Cl2基和CH4基混合气体，通过调整刻蚀气体类型及比例可实现物理和化学刻蚀两个过程的平衡，保证台面侧壁平滑性和倾角的垂直度。另外，对于不同组分的超晶格，需要选择不同的工艺参数才能满足InAs和GaSb的协同性刻蚀。最后对InAs/GaSb超晶格台面刻蚀工艺作出了展望。

关键词： InAs/GaSb超晶格湿法刻蚀干法刻蚀刻蚀机理工艺优化

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PrO对合成金刚石单晶各向异性的刻蚀

材料工程 2022年

作者：朱振东肖长江马金明栗正新河南工业大学材料科学与工程学院

目的探究稀土氧化物对合成金刚石单晶的各向异性刻蚀。方法在氮气保护下，在750～950℃内用PrO对合成金刚石单晶进行刻蚀。用扫描电子显微分析、热重分析、X射线衍射和拉曼光谱等技术对刻蚀后金刚石单晶不同晶面的表面形貌、物相组成和... 详细信息

目的探究稀土氧化物对合成金刚石单晶的各向异性刻蚀。方法在氮气保护下，在750～950℃内用PrO对合成金刚石单晶进行刻蚀。用扫描电子显微分析、热重分析、X射线衍射和拉曼光谱等技术对刻蚀后金刚石单晶不同晶面的表面形貌、物相组成和刻蚀机理进行了表征与分析；用最大刻蚀深度、单颗粒抗压强度和冲击韧性来表征刻蚀前后金刚石性能的变化。结果PrO对金刚石{100}面和{111}面的刻蚀程度和形貌均不同；当温度为750℃时，PrO对金刚石单晶已有一定程度的刻蚀，随刻蚀温度的增加，刻蚀加剧，且金刚石{111}面的刻蚀程度比{100}面严重；{111}面刻蚀坑形貌从三角形变为层状结构三角形，{100}面由轻微的四边形变为类蜂窝状刻蚀坑；{111}面最大刻蚀深度从1.12 μm 增加到12.54 μm，而{100}面只从0.3μm 增加到2.11μm；金刚石单颗粒的抗压强度由未刻蚀金刚石的576.25 N降低到最小530.06 N，冲击韧性由92.94 J/cm减小到88.53 J/cm；PrO对金刚石单晶的刻蚀机理是在885 ℃前为催化石墨化，885 ℃后为催化石墨化和氧化。结论在实验温度范围内，PrO成功地对金刚石单晶进行各向异性刻蚀，并根据金刚石单晶不同晶面原子的排列对刻蚀机理进行了分析。

关键词：金刚石单晶氧化谱各向异性刻蚀刻蚀机理性能

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稀土氧化物对金刚石单晶刻蚀的研究

稀土氧化物对金刚石单晶刻蚀的研究

作者：朱振东河南工业大学

学位级别：硕士

本文以三种稀土氧化物(PrO、LaO、ScO)作为刻蚀剂,金刚石单晶为刻蚀对象,在N气氛中通过改变刻蚀温度和刻蚀时间探究稀土氧化物对金刚石单晶表面刻蚀的影响。主要结论如下:(1)PrO、LaO、ScO均能成功的对金刚石单晶表面进行刻蚀,并且均表... 详细信息

本文以三种稀土氧化物(PrO、LaO、ScO)作为刻蚀剂,金刚石单晶为刻蚀对象,在N气氛中通过改变刻蚀温度和刻蚀时间探究稀土氧化物对金刚石单晶表面刻蚀的影响。主要结论如下:(1)PrO、LaO、ScO均能成功的对金刚石单晶表面进行刻蚀,并且均表现为各向异性刻蚀。PrO刻蚀后,{111}面刻蚀坑变化为:层状结构逐渐增加,在900℃、120 min时为多层状倒金字塔形,{100}面刻蚀坑变化为:四边形→八边形→多层状倒金字塔形→蜂窝状(900℃、120 min);LaO刻蚀后,{111}面刻蚀坑变化为:倒三棱台形→三棱柱形→内侧褶皱倒金字塔形(940℃、120 min),{100}面刻蚀坑变化为:倒四棱锥形→侧边有孔洞的倒四棱锥形→无规则孔洞形→内侧粗糙倒四棱台形(940℃、120 min);ScO刻蚀后,{111}面刻蚀坑变化为:小倒金字塔形→倒三棱台形→六边形→大倒金字塔形(950℃、120 min),{100}面:倒四棱锥形→四边形→星形(950℃、120 min)。(2)PrO、LaO、ScO对金刚石单晶的最佳刻蚀温度分别为900℃、940℃、950℃。经过三种氧化物刻蚀2h后,金刚石单晶表面的粗糙度(Ra)和最大刻蚀深度显著提高。(3)三种氧化物处理后金刚石的单颗粒抗压强度CFS和抗冲击韧性TI下降幅度较空气刻蚀小得多。PrO、LaO、ScO对金刚石的理论最佳刻蚀条件分别为900℃、97 min,940℃、92 min,950℃、90 min。(4)PrO对金刚石单晶的刻蚀机理为催化石墨化和氧化,LaO和ScO对金刚石单晶的刻蚀机理均为催化石墨化。(5)三种稀土氧化物刻蚀后金刚石节块(金刚石的刻条件均为理论上的最佳条件,结合剂为CuSn)相对于未刻蚀金刚石节块的抗折强度均有所提高,金刚石浓度越高越明显。

关键词：金刚石单晶 Pr6O11 La2O3 Sc2O3 表面刻蚀表面形貌力学形能刻蚀机理