基于CMOS兼容自上而下RTO/HF减薄技术在超薄Si(001)层中晶体有序性的保持

《Applied Surface Science Advances》：Preservation of crystalline order in ultra-thin Si(001) layers by cmOS-compatible top-Down RTO/HF thinning

　　

在实现原子尺度硅厚度可控的同时保持晶体有序性，是下一代纳米电子器件面临的主要挑战。在这项工作中，研究人员开发了一种基于连续快速热氧化（Rapid Thermal Oxitation, RTO）与氢氟酸蚀刻（Hydrofluoric Acid Etching, HF）的CMOS兼容自上而下减薄策略，旨在将绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator, SOI）衬底的厚度可控地缩减至亚纳米量级。光谱椭偏仪（Spectroscopic Ellipsometry, SE）与X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）表明，厚度可从7.05 nm重现性地降低至0.77 nm。原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）测量显示，在减薄过程中表面粗糙度保持较低水平且几乎不变，其均方根（Root-Mean-Square, RMS）粗糙度值在0.3–0.4 nm范围内。最重要的是，低能电子衍射（Low-Energy Electron Diffraction, LEED）测量提供了直接证据，表明即使总硅厚度降低至1 nm以下，在LEED探测深度内Si(001)的长程金刚石立方有序性仍得以保持。这些结果表明，在实现极端自上而下减薄的同时可以维持结构与化学完整性。因此，所提出的RTO/HF方法为制备与先进CMOS器件架构兼容的超薄结晶硅层提供了一条可扩展的途径。

研究背景方面，半导体器件的持续微缩化日益要求对材料厚度与界面质量进行原子级控制。在先进纳米电子架构中，半导体表面的结构与化学完整性显著影响载流子输运、静电控制及器件可靠性。Si/SiO₂体系因其优异的界面质量与工业成熟度，仍是互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）技术的基石。近年来，超薄硅层在纳米片与全环绕栅极晶体管架构中备受关注，沟道厚度直接影响静电约束与短沟道行为。当硅厚度接近仅几个原子层时，维度限制可能诱导电子结构与光学响应改变。然而，达到该 regime 所需的剧烈厚度缩减引发了一个关键问题：在极端微缩过程中如何保持晶体有序性。尽管探索了外延硅烯生长等自下而上方法制备原子级薄硅基材料，但其环境稳定性有限且与标准CMOS工艺兼容性差。相比之下，绝缘体上硅（SOI）衬底的自上而下减薄提供了可扩展且工业兼容的途径，特别是热氧化结合氧化物去除可实现纳米级厚度控制。尽管对SOI减薄研究广泛，但针对1 nm以下长程有序性的直接晶体学验证仍然匮乏，多数研究依赖电学、光学或间接结构指标，因此极端自上而下减薄后金刚石立方有序性在多大程度上得以保持尚缺乏充分的实验确立。研究人员开展了基于CMOS兼容的连续快速热氧化与氢氟酸蚀刻（RTO/HF）工艺研究，旨在将商用SOI衬底可控减薄至亚纳米量级，并结合多种表征手段验证结构与化学完整性。该研究得出在亚纳米厚度下长程晶体有序性得以保持的结论，具有重要意义，为未来量子受限硅结构与下一代CMOS技术提供了前提。论文发表于《Applied Surface Science Advances》。

关键技术方法方面，研究人员选用购自Silicon-On-Insulator Technologies (Soitec)的商用SOI晶圆，其顶层硅为(001)取向单晶、标称厚度8 nm，埋氧层（Buried Oxide, BOX）厚25 nm，划片为2×2 cm²样品。对比研究了Shiraki循环化学氧化与快速热氧化（RTO）两种减薄策略，重点实施循环RTO/HF工艺即在750 °C氧气氛围下RTO后经4%稀HF蚀刻去除SiO₂并重复循环。表征采用光谱椭偏仪（SE）结合CompleteEASE软件与Tauc-Lorentz振荡器模型提取厚度，X射线光电子能谱（XPS）基于Beer-Lambert形式电子衰减模型估算厚度并分析Si 2p芯能级，低能电子衍射（LEED）在超高真空下于68–72 eV记录图案以评估长程有序，原子力显微镜（AFM）轻敲模式计算均方根（RMS）粗糙度。

研究结果部分，在3.1节厚度控制与工艺优化（Thickness control and process optimization）中，研究人员通过SE测定初始顶层硅厚度为7.05±0.2 nm，Shiraki六周期后残余硅厚约1.5 nm，RTO六周期（每周期750 °C 10 min）后约1.25 nm，而序列RTO/HF在不同氧化时长（2.5、5、10 min）下均呈准线性减薄，可将硅层稳定降至0.83–1.2 nm，选定SE测得1.83 nm（Sample 1）与0.80 nm（Sample 2）样品深入分析，表明RTO/HF较Shiraki具更优可控性与重现性。在3.2节表面形貌：AFM分析（Surface morphology: AFM analysis）中，研究人员通过轻敲模式AFM观测Sample 1（1.83 nm）RMS粗糙度约0.36 nm，Sample 2（0.80 nm）约0.30 nm，高度分布窄、表面均质连续，无微米级凹坑、不连续或岛状形成，表明极端减薄未诱发显著表面粗糙化。在3.3节化学与电子结构：XPS分析（Chemical and electronic structure: XPS analysis）中，研究人员采集高分辨Si 2p谱，Sample 1与Sample 2均主峰为元素硅Si⁰（约99.3 eV）与二氧化硅Si⁴⁺（约103.7 eV），未观测到中间亚氧化物态（Si¹⁺、Si²⁺、Si³⁺），基于电子衰减模型估得Sample 1硅层厚约1.9 nm、Sample 2约0.77 nm，与SE结果吻合，表明RTO/HF未引入显著化学无序且界面化学突兀。在3.4节晶体结构：LEED分析（Crystalline structure: LEED analysis）中，研究人员在约70 eV记录LEED图案，Sample 1（1.90 nm）与Sample 2（0.77 nm）均呈现与Si(001)表面晶格一致的锐利方形对称衍射斑点，无显著漫散背景或超结构特征，未见Si(001)-(2×1)分数阶斑点（归因于稀HF终处理致氢终止表面钝化悬键抑制二聚体重构），70 eV入射电子非弹性平均自由程约0.5 nm探及顶2–3原子层，Sample 2总厚0.77 nm（约4原子层）故信号源于近乎整层残余硅，证明其在LEED采样深度内保留长程金刚石立方有序性，Sample 2斑点略宽可能源于散射中心减少降相干长度，但无非晶漫晕表明未引入显著晶格无序，热氧化自限制性与循环去氧化限应力累积有助维持晶格完整。

讨论部分总结，研究人员指出XPS、LEED与AFM一致表明序列RTO/HF可实现极端减薄同时保持化学突兀性、长程晶体有序性与形貌完整性，亚纳米厚度下虽预期量子限制效应改电子光学性质但本研究聚焦结构化学完整，该方法可为纳米片晶体管、全环绕栅极器件及需精确沟道控制的先进CMOS架构提供超薄结晶硅层。对比现有技术如SIMOX、Smart Cut、ELTRAN、BESOI等，RTO/HF作为SOI衬底后处理策略能以简单低成本CMOS兼容途径制0.77–1.90 nm原子级薄硅层且保留LEED证实的高长程结晶性，目前限于实验室规模样品，晶圆级扩展待研。结论部分翻译为：本研究证明连续快速热氧化与氢氟酸蚀刻（RTO/HF）提供了一种简单、CMOS兼容的自上而下策略，可从商用SOI衬底制备超薄结晶Si(001)层。光谱椭偏仪（SE）与X射线光电子能谱（XPS）一致证实厚度可控降至0.77 nm，而原子力显微镜（AFM）显示表面在减薄全过程保持光滑，RMS粗糙度值低于0.4 nm。最重要的是，低能电子衍射（LEED）表明即使硅厚度降至1 nm以下，在LEED探测深度内长程金刚石立方晶体学有序性仍得以保持。这些结果提供了直接实验证据，表明实现极端自上而下减薄而不会损害超薄硅层的结构、化学或形貌完整性。所提出的RTO/HF工艺因而成为原子级薄结晶硅可控制备的良好实验平台，并为未来厚度依赖物理现象与先进硅纳米电子器件研究奠定坚实基础。未来工作将聚焦于用截面高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）、扫描透射电子显微镜耦合电子能量损失谱（STEM-EELS）与扫描隧道显微镜（STM）进行互补原子级表征，以直观测残余硅层、定量评估界面突兀性、识别局部结构缺陷并阐明RTO/HF减薄后原子级表面形貌。从技术角度，将工艺扩展至整片SOI晶圆可定量评估片内与片间厚度均匀性，是评估该途径工业可扩展性的关键步骤。更广泛而言，所证明的近原子精度工程化结晶硅厚度为超微缩CMOS器件、量子受限硅结构与新一代硅纳米电子学发展提供了新机遇。

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