CN101280415A - 一种硅纳米线表面镀镍的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种硅纳米线表面镀镍的方法，即采用3～5％HF剔除氧化物辅助生长的硅纳米线表面硅氧层，以氩离子溅射装置为溅射设备，在硅纳米线表面实现了镍的表面金属化过程，在一定温度下进行退火，得到了性能及结构更好的、由金属镍薄膜包覆单晶硅内核的纳米线结构。硅纳米线表面镀镍后其电阻率将大大降低，使得硅纳米线与金属电极能够实现有效欧姆接触，减小接触电阻，此外这种镀镍的高电导率纳米线在将来的互连技术中也有广阔的应用前景。

Description

一种硅纳米线表面镀镍的方法

技术领域

本发明属半导体微电子、纳电子技术领域，具体涉及一种硅纳米线表面镀镍的方法。

背景技术

在未来几十年内由于传统的“由上到下”微电子工艺受经典物理学理论的限制，依靠这一工艺来减小电子器件尺寸将变得越来越困难，但摩尔定律指出在微处理器上晶体管的数量在18个月内就要翻一番，将越来越多的单元电路集成在一个芯片上，带来的结果是半导体器件尺寸的持续缩小。随着器件尺寸进入纳米尺度，并最终到达22纳米的物理极限时，受量子效应及小尺寸效应的影响，器件的工作原理将完全改变，原有的半导体材料、工艺将不能够满足器件尺寸的缩小。器件要向更小的纳米领域发展就必须依赖于新型的半导体材料，即半导体纳米线、纳米管；此外集成电路中互连经历了从铝到铜的发展过程，但当今最先进的铜互连技术中还存在界面电迁移、尺寸效应等有待解决的问题，下一代集成于纳米线、纳米管的纳米电子器件中互连材料的研发还处于初级阶段，因此新型纳米级互连材料及相关集成工艺的研究也是十分紧迫的。

硅纳米线由于其本征材料是硅，能与现代半导体技术相兼容，是下一代纳米器件首选的功能材料之一，而金属镍很容易和硅形成电阻率很低的硅镍合金材料，因此镍是当代硅器件工艺中常采用的金属接触材料。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够降低纳米线的电阻率、实现有效欧姆接触、降低硅纳米线与金属的接触电阻的硅纳米线表面镀镍的方法。

本发明提出的硅纳米线表面镀镍的方法，具体步骤为：

(1)镀镍

将硅纳米线浸泡在质量浓度为3～5％的氟化氢(HF)溶液中5～10min，剔除硅纳米线表面氧化物，再将硅纳米线超声分散后滴于抛光硅片上，将硅片烘干；然后采用磁控溅射方法对硅纳米线表面镀镍，溅射功率为5～10W，溅射时间控制在180～480s，系统真空度为1×10^-6～5×10^-6torr；

(2)退火

将上一步得到的表面镀镍的硅纳米线置于高温管式炉(合肥科晶、GSL-1400X真空管式炉)中，以3～10℃/min的升温速率将温度升到300～340℃，使表面镀镍的硅纳米线在2×10⁴～10⁵Pa、100～300sccm(标准状态毫升/分)氩(Ar)气氛围中进行退火5～30min，冷却至室温，即得到性能及结构更好的、由金属镍薄膜包覆的硅纳米线。

本发明所使用的磁控溅射装置为氩离子溅射装置Denton Discovery-18 sputtering system。

本发明在硅纳米线表面实现了镍的表面金属化过程，在不同温度下进行退火，得到了性能及结构更好的、由金属镍薄膜包覆单晶硅内核的纳米线结构。硅纳米线表面镀镍后其电阻率将大大降低，使得硅纳米线与金属电极能够实现有效欧姆接触，减小接触电阻，此外这种镀镍的高电导率纳米线在将来的互连技术中也有广阔的应用前景。

附图说明

图1是表面未镀镍的硅纳米线透射电镜(TEM)图像。

图2是9.1W的溅射功率，溅射时间为180s，表面镀镍硅纳米线TEM图像。

图3是9.1W的溅射功率，溅射时间为240s，表面镀镍硅纳米线TEM图像。

图4是9.1W的溅射功率，溅射时间为270s，表面镀镍硅纳米线TEM图像。

图5是9.1W的溅射功率，溅射时间为480s，表面镀镍硅纳米线TEM图像。

图6是9.1W的溅射功率，溅射时间240s，300℃退火5min硅纳米线TEM图像。

图7是9.1W的溅射功率，溅射时间240s，340℃退火30min硅纳米线TEM图像。

图8是9.1W的溅射功率，溅射时间270s，320℃退火30min硅纳米线TEM图像。

具体实施方式

实施例1

(1)热蒸发SiO制备硅纳米线

实验装置是一低真空管式炉(合肥科晶、GSL-1400X真空管式炉)，它由一个长度为75cm的管式加热炉，直径60cm长120cm的刚玉管、双极型真空泵、气体流量计组成，该设备的真空度可达10^-2torr。实验前将石英舟用丙酮、酒精清洗，经去离子水冲洗、干燥后推入管式炉的末端，同时将装有SiO的小瓷舟推入管式炉的中部，在两端密闭后抽真空30min，此时炉内的真空度达到10^-2torr，此后管式炉以15℃/min的升温速度达到800℃后，开始以60sccm的流速向炉内输入Ar气(纯度：99.999％)，并且以20℃/min的升温速度将炉管迅速升到1300℃，保温4h后管式炉自然降温至800℃，停止载气的输入，在载气输入过程中炉管内的压力控制在1～2×10⁴Pa，实验结束后在石英舟上收集到由硅氧层包覆单晶硅内核的硅纳米线，如图1所示。

(2)预处理

采用3～5％HF溶液浸泡硅纳米线5～10min，将其表面硅氧层剔除。

(3)镀镍

剔除硅氧层的硅纳米线经超声分散后滴于抛光硅片上，采用氩离子溅射装置(DentonDiscovery-18 sputtering system)为溅射设备，溅射系统真空度为1×10^-6torr，以9.1W(310V×0.03A)的溅射功率对硅纳米线进行镀镍；设置溅射时间分别为180s，结果如图2所示；溅射后的硅纳米线表面被无定形镍颗粒包覆，在此基础上对它进行退火处理。

(4)退火

退火在管式炉内(合肥科晶、GSL-1400X真空管式炉)进行，在退火升温之前先采用机械泵将炉管内真空度抽至10^-2torr，此后充入2×10⁴Pa Ar气为保护气体和载气，Ar流量为150sccm(标准状态毫升/分)，退火升温速率为10℃/min，在300℃退火温度下恒温5min后，管式炉自然冷却，得表面镀镍均匀的硅纳米线，见图6。

实施例2

硅纳米线的制备和预处理同实施例1，剔除硅氧层的硅纳米线经超声分散后滴于抛光硅片上，采用氩离子溅射装置(Denton Discovery-18 sputtering system)为溅射设备，溅射系统真空度为5×10^-6torr，以9.1W的溅射功率对表面HF处理的硅纳米线进行镀镍；设置溅射时间分别为240s，结果如图3所示；溅射后的硅纳米线表面被无定形镍颗粒包覆，在此基础上对它进行退火处理。退火在管式炉内(合肥科晶、GSL-1400X真空管式炉)进行，在退火升温之前先采用机械泵将炉管内真空度抽至10^-2torr，此后充入5×10⁴Pa Ar气为保护气体和载气，Ar流量为300sccm(标准状态毫升/分)，退火升温速率为10℃/min，在340℃退火温度下恒温30min后，管式炉自然冷却，得表面镀镍均匀的硅纳米线，见图7。

实施例3

硅纳米线的制备和预处理同实施例1，剔除硅氧层的硅纳米线经超声分散后滴于抛光硅片上，采用氩离子溅射装置(Denton Discovery-18 sputtering system)为溅射设备，溅射系统真空度为10^-6torr，以9.1W的溅射功率对表面HF处理的硅纳米线进行镀镍；设置溅射时间分别为270s，结果如图4所示；溅射后的硅纳米线表面被无定形镍颗粒包覆，在此基础上对它进行退火处理。退火在管式炉内(合肥科晶、GSL-1400X真空管式炉)进行，在退火升温之前先采用机械泵将炉管内真空度抽至10^-2torr，此后充入1×10⁵Pa Ar气为保护气体和载气，Ar流量为100sccm(标准状态毫升/分)，退火升温速率为3℃/min，在320℃退火温度下恒温30min后，管式炉自然冷却，得表面镀镍均匀的硅纳米线，见图8。

实施例4

硅纳米线的制备和预处理同实施例1，剔除硅氧层的硅纳米线经超声分散后滴于抛光硅片上，采用氩离子溅射装置(Denton Discovery-18 sputtering system)为溅射设备，溅射系统真空度为10^-6torr，以9.1W的溅射功率对表面HF处理的硅纳米线进行镀镍；设置溅射时间分别为480s，结果如图5所示；溅射后的硅纳米线表面被无定形镍颗粒包覆，在此基础上对它进行退火处理。退火在管式炉内(合肥科晶、GSL-1400X真空管式炉)进行，在退火升温之前先采用机械泵将炉管内真空度抽至10^-2torr，此后充入1×10⁵Pa Ar气为保护气体和载气，Ar流量为100sccm(标准状态毫升/分)，退火升温速率为3℃/min，在320℃退火温度下恒温30min后，管式炉自然冷却，得表面镀镍均匀的硅纳米线。

Claims (1)

1.一种硅纳米线表面镀镍的方法，其特征在于具体步骤为：

(1)镀镍

硅纳米线经超声分散后滴于抛光硅片上，再将硅片烘干，以磁控溅射为镀镍设备，溅射功率设置为5～10W，溅射时间控制在180～480s，系统真空度为1×10^-6～5×10^-6torr，对硅纳米线表面实现了镀镍过程；

(2)退火

将上一步得到的表面镀镍的硅纳米线置于高温管式炉中，以3～10℃/min的升温速率将温度升到300～340℃，使表面镀镍的硅纳米线在2×10⁴～10⁵Pa、100～300标准状态毫升/分氩气氛围中进行退火5～30min，冷却至室温，即得到金属镍薄膜包覆的硅纳米线。

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