專(zhuān)利名稱(chēng)：一種控制鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法，屬于半導(dǎo)體集成技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體技術(shù)作為信息產(chǎn)業(yè)的核心和基礎(chǔ)，是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。在過(guò)去的40多年中，硅基集成技術(shù)遵循摩爾定律通過(guò)縮小器件的特征尺寸來(lái)提高器件的工作速度、增加集成度以及降低成本，硅基CMOS器件的特征尺寸已經(jīng)由微米尺度縮小到納米尺度。然而當(dāng)MOS器件的柵長(zhǎng)縮小到90納米以下，柵介質(zhì)(二氧化硅)的厚度已經(jīng)逐漸減小到接近1納米，關(guān)態(tài)漏電增加、功耗密度增大、遷移率退化等物理極限使器件性能惡化，傳統(tǒng)硅基微電子集成技術(shù)開(kāi)始面臨來(lái)自物理與技術(shù)方面的雙重挑戰(zhàn)。從材料方面來(lái)說(shuō)，采用高遷移率材料替代傳統(tǒng)硅材料作為襯底材料將是半導(dǎo)體集成技術(shù)的重要發(fā)展方向。因?yàn)殒N(Ge)的空穴遷移率1900 cm2/V*s和電子遷移率3900 cm2/ V · s都顯著高于硅材料，所以鍺(Ge)被認(rèn)為有望取代硅材料以適應(yīng)22納米以下邏輯器件的需求。另一方面，從器件微結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，為了進(jìn)一步提高柵對(duì)溝道載流子濃度的控制能力，以鰭狀柵、納米線(xiàn)為代表的三維結(jié)構(gòu)將取代傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)，成為22納米節(jié)點(diǎn)以下的主流結(jié)構(gòu)?；谝陨蟽牲c(diǎn)，鍺納米微結(jié)構(gòu)將在未來(lái)發(fā)揮更加重要的作用。傳統(tǒng)的襯底刻蝕技術(shù)往往需要依靠離子刻蝕或者溶液腐蝕的辦法。前者通常成本較高且容易引入離子損傷導(dǎo)致的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種控制鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法，通過(guò)控制氧氣分壓及反應(yīng)溫度，使鍺與氧氣反應(yīng)生成易揮發(fā)的一氧化鍺，達(dá)到控制鍺納米結(jié)構(gòu)尺寸的目的。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下
一種控制鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法，通過(guò)熱氧化法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)納米微結(jié)構(gòu)尺寸的減所述熱氧化法，反應(yīng)物為鍺和氧氣，反應(yīng)生成物為氣態(tài)的一氧化鍺，反應(yīng)不生成二氧化鍺，反應(yīng)氣氛為純氧氣或者氧氣和其它性質(zhì)穩(wěn)定的氣體的混和氣體，所述氧氣分壓控制在0.01帕斯卡 10帕斯卡。所述反應(yīng)溫度依賴(lài)于氧氣分壓決定，0. 01帕斯卡至0. 1帕斯卡之間時(shí)，溫度應(yīng)限定在500攝氏度至650攝氏度，0. 1帕斯卡至10帕斯卡之間時(shí)，溫度應(yīng)限定在550攝氏度至 700攝氏度。還包括刻蝕速率，所述刻蝕速率由氧分壓和反應(yīng)溫度以及鍺材料的晶態(tài)和取向決定，刻蝕速率隨溫度的升高而增加，刻蝕速率隨氧分壓的增加而增加，從刻蝕速率上講，非晶〉多晶〉單晶(110) >單晶(100 ) >單晶(111)，通過(guò)改變溫度、氧氣分壓，對(duì)于不同的鍺材料，可以實(shí)現(xiàn)介于0. 01-30納米每分鐘之間的刻蝕速率。所述反應(yīng)物鍺可以是單晶、多晶或者非晶態(tài)鍺，單晶鍺可以是包括(100)，(110)和(111)等的各種取向的襯底，所述鍺可以是平面襯底上的鍺條或者獨(dú)立或團(tuán)簇狀的納米線(xiàn)、 納米帶。所述其它性質(zhì)穩(wěn)定的氣體，在700攝氏度以下不會(huì)和鍺或者氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 可以是氮?dú)?，氬氣，氦氣，氖氣或者上述氣體的混合氣體。所述氧氣分壓，調(diào)節(jié)氣體的總壓強(qiáng)以及氧氣和其它性質(zhì)穩(wěn)定的氣體的壓強(qiáng)比，使氧氣的分壓控制在0.01帕斯卡至10帕斯卡之間。將鍺納米微結(jié)構(gòu)置于氧氣和其它惰性氣體的混合氣體中，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流量比進(jìn)而控制氧氣分壓以及反應(yīng)溫度，實(shí)現(xiàn)鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的控制。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。進(jìn)一步，所述鍺納微結(jié)構(gòu)可以是物理方法或者化學(xué)方法制備的單晶、多晶或者非晶鍺納米線(xiàn)、納米帶、量子點(diǎn)、鰭狀柵等等，所述鍺納米線(xiàn)、納米帶可以是獨(dú)立的或團(tuán)簇的依附于或者不依附于襯底材料的納米線(xiàn)、納米帶。鍺納米結(jié)構(gòu)微觀尺寸介于2納米x2納米x2 納米至200微米x200微米x200微米之間。進(jìn)一步，所述混合氣體氮?dú)? )、氬氣(Ar)、氦氣(He)、氖氣(Ne)或者上述氣體的混合氣體，其中以氮?dú)? )成本最為低廉。進(jìn)一步，通過(guò)調(diào)節(jié)整體的氣體壓強(qiáng)以及各組分流量比，調(diào)節(jié)氧氣分壓至0.01-10 帕斯卡區(qū)間，當(dāng)氧氣分壓介于0.01-0. 1帕斯卡之間，反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)至500-650攝氏度區(qū)間，當(dāng)氧氣分壓介于0. 1-10帕斯卡之間，反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)至550-700攝氏度區(qū)間。進(jìn)一步，納米微結(jié)構(gòu)的尺寸的減小速率具有如下趨勢(shì)，減小速率由氧氣分壓和反應(yīng)溫度以及鍺材料的晶態(tài)和取向決定，此速率隨溫度的升高而增加、隨氧分壓的增加而增加。從材料的晶態(tài)和取向來(lái)說(shuō)，反應(yīng)速率非晶〉多晶〉單晶(110)>單晶(100)>單晶(111)。 通過(guò)改變溫度、氧氣分壓，對(duì)于不同的鍺材料，可以實(shí)現(xiàn)介于0. 01-30納米每分鐘之間的刻蝕速率。本發(fā)明所述的控制鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法中的熱氧化的鍺刻蝕方法，所述方法包括以下幾個(gè)步驟
步驟1:將已經(jīng)制備好的鍺納米微結(jié)構(gòu)置于用于加熱的腔體內(nèi)部； 步驟2 先把加熱腔體抽真空至真空度高于10_3帕斯卡，然后通過(guò)流量計(jì)控制向真空腔體內(nèi)部通入氧氣或惰性氣體的混合氣，使得氧氣分壓達(dá)到0. 01至10帕斯卡之間，惰性氣體可以是氮?dú)?、氬氣、氦氣、氖氣或者上述氣體的混合氣體；
步驟3 針對(duì)不同的氧氣分壓區(qū)間對(duì)鍺納米微結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱處理，0. 01帕斯卡至0. 1帕斯卡之間時(shí)，溫度應(yīng)限定在500攝氏度至650攝氏度，0. 1帕斯卡至10帕斯卡之間時(shí)，溫度應(yīng)限定在550攝氏度至700攝氏度，氧氣分子與納米微結(jié)構(gòu)表面的鍺原子直接發(fā)生反應(yīng)生成一氧化鍺氣體，實(shí)現(xiàn)納米微結(jié)構(gòu)尺寸的減小。所述步驟1中，真空室原始真空度應(yīng)當(dāng)高于0. 001帕斯卡，低氧分壓氣體的氧分壓應(yīng)控制在0. 01帕斯卡至10帕斯卡之間。所述步驟2中，反應(yīng)溫度依賴(lài)于充入氧氣的分壓，0. 01帕斯卡至0. 1帕斯卡之間時(shí)，溫度應(yīng)限定在500攝氏度至650攝氏度，0. 1帕斯卡至10帕斯卡之間時(shí)，溫度應(yīng)限定在 550攝氏度至700攝氏度。本發(fā)明的有益效果是對(duì)于濕法刻蝕來(lái)說(shuō)，額外引入的離子以及水分子可能對(duì)器件性能造成不良影響，本發(fā)明通過(guò)簡(jiǎn)單的加熱氧化方法實(shí)現(xiàn)鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的減小，一方面杜絕了引入雜質(zhì)離子，另一方面避免了離子刻蝕造成的損傷，且兼具成本低廉的優(yōu)勢(shì)， 因而具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，本方法的刻蝕速率在0. 01納米每分鐘至30納米每分鐘之間，可以實(shí)現(xiàn)鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸在亞22納米及以上節(jié)點(diǎn)上的精確控制，具有重
要意義。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為鍺納米線(xiàn)表面反應(yīng)的微觀示意圖。圖3為600攝氏度下鍺(100)單晶的平均熱氧化刻蝕速率隨氧分壓的變化曲線(xiàn)。圖4為氧氣分壓為1帕斯卡條件下，鍺(100)單晶的平均熱氧化刻蝕速率隨溫度變化曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。如圖1所示，一個(gè)帶有加熱裝置105的腔體104，該腔體104與分子泵106、壓力保護(hù)閥111以及兩根高強(qiáng)度通氣管線(xiàn)107連通，兩個(gè)流量計(jì)108分別與通氣管線(xiàn)107連通，氧氣濃度為0. 1%的氧氣氮?dú)饣旌蠚馄?09與其中一個(gè)流量計(jì)108通過(guò)通氣管線(xiàn)107連通，把氮?dú)饧兌?9. 99995%的高純氮?dú)馄?10與另一個(gè)流量計(jì)108通過(guò)通氣管線(xiàn)107連通。首先把鍺納米線(xiàn)101置于腔體104中，利用分子泵106將腔體104抽真空至小于 5xl0-3帕斯卡，關(guān)閉分子泵106，打開(kāi)氣瓶109和氣瓶110，調(diào)節(jié)流量計(jì)108，使氣瓶109的流量為0. 25sccm,氣瓶110的流量為250sCCm。向腔體104內(nèi)充入兩路氣體，直到腔體氣體壓強(qiáng)恒定在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，高于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣體將從壓強(qiáng)保護(hù)閥111自動(dòng)排出，利用加熱裝置105將腔體溫度以5度/秒的速度升溫至600攝氏度，保溫。氧化反應(yīng)開(kāi)始進(jìn)行，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，鍺納米線(xiàn)的外層102部分逐漸和氧氣發(fā)生反應(yīng)形成一氧化鍺蒸汽，從而獲得直徑更細(xì)的鍺納米線(xiàn)103。進(jìn)一步，所述鍺納米線(xiàn)是利用金屬離子催化方法制備而成的單晶鍺納米線(xiàn)，納米線(xiàn)初始線(xiàn)寬度為50納米，線(xiàn)長(zhǎng)度為10微米。所述加熱裝置105為碘鎢燈式光致加熱裝置， 所述腔體104為厚壁石英腔體，所述壓強(qiáng)保護(hù)閥111具備當(dāng)腔體壓強(qiáng)高于室外壓強(qiáng)時(shí)，腔體內(nèi)部的氣體會(huì)自動(dòng)流出，所述管線(xiàn)107為耐氧化管線(xiàn)，所述分子泵為轉(zhuǎn)速75kRPM的分子泵， 極限真空度為10_4帕斯卡。如圖2所示，氧氣分子203與鍺納米線(xiàn)表面的鍺原子201結(jié)合生成易揮發(fā)的一氧化鍺分子204，由于一氧化鍺在本身在400攝氏度以下就會(huì)揮發(fā)，形成脫離的一氧化鍺分子 205，從而使次外層鍺原子202暴露，這樣一個(gè)循環(huán)鍺納米線(xiàn)的直徑減少了 2個(gè)鍺原子直徑長(zhǎng)度。圖3為600攝氏度下鍺(100)單晶在不同氧分壓下熱氧化刻蝕隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)， 如圖3所示，平均刻蝕速率隨著氧氣分壓的升高而升高，從0. 1帕斯卡下的2納米每分鐘到 100帕斯卡下的10納米每分鐘，值得指出的是，該刻蝕速率的誤差值也隨著氧氣分壓的升高而增大。所以，對(duì)于刻蝕精度要求比較高的情況，如本例中的鍺納米線(xiàn)，選擇在低氧分壓條件下進(jìn)行比較合適。圖4為氧氣分壓為1帕斯卡條件下，鍺(100)單晶的平均熱氧化刻蝕速率隨溫度變化曲線(xiàn)，如圖4所示，平均刻蝕速率隨著溫度的升高而升高，從550攝氏度下的0. 2納米每分鐘到600攝氏度下的約4納米每分鐘。最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上具體實(shí)施方式
僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種控制鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法，其特征在于，通過(guò)熱氧化法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)納米微結(jié)構(gòu)尺寸的減小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述控制鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法，其特征在于，所述熱氧化法，反應(yīng)物為鍺和氧氣，反應(yīng)生成物為氣態(tài)的一氧化鍺，反應(yīng)氣氛為純氧氣或者氧氣和其它性質(zhì)穩(wěn)定的氣體的混和氣體，所述氧氣分壓控制在0. 01帕斯卡~10帕斯卡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述控制鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法，其特征在于，所述反應(yīng)溫度依賴(lài)于氧氣分壓決定，0. 01帕斯卡至0. 1帕斯卡之間時(shí)，溫度應(yīng)限定在500攝氏度至650攝氏度，0. 1帕斯卡至10帕斯卡之間時(shí)，溫度應(yīng)限定在550攝氏度至700攝氏度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法，其特征在于，包括刻蝕速率， 刻蝕速率由氧分壓和反應(yīng)溫度以及鍺材料的晶態(tài)和取向決定，刻蝕速率隨溫度的升高而增加，刻蝕速率隨氧分壓的增加而增加，從刻蝕速率上講，非晶 > 多晶 > 單晶110>單晶100> 單晶111，通過(guò)改變溫度、氧氣分壓，對(duì)于不同的鍺材料，可以實(shí)現(xiàn)介于0. 01-30納米每分鐘之間的刻蝕速率。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述控制鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法，其特征在于，所述反應(yīng)物鍺是單晶、多晶或者非晶態(tài)鍺，單晶鍺是包括100，110和111的各種取向的襯底，所述鍺是平面襯底上的鍺條或者獨(dú)立或團(tuán)簇狀的納米線(xiàn)、納米帶。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法，其特征在于，所述其它性質(zhì)穩(wěn)定的氣體，在700攝氏度以下不會(huì)和鍺或者氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是氮?dú)?、氬氣、氦氣、氖氣或者上述氣體的混合氣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法，其特征在于，所述氧氣分壓， 調(diào)節(jié)氣體的總壓強(qiáng)以及氧氣和其它性質(zhì)穩(wěn)定的氣體的壓強(qiáng)比，使氧氣的分壓控制在0.01 帕斯卡至10帕斯卡之間。
8.如權(quán)利要求1所述的控制鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法中的熱氧化的鍺刻蝕方法，其特征在于，所述方法包括以下幾個(gè)步驟步驟1:將已經(jīng)制備好的表面清潔的鍺納米微結(jié)構(gòu)置于用于加熱的腔體內(nèi)部；步驟2 先把加熱腔體抽真空至氧分壓小于10_3帕斯卡，然后通過(guò)流量計(jì)控制向真空腔體內(nèi)部通入氧氣或惰性氣體的混合氣，使得氧氣分壓達(dá)到0. 01至10 帕斯卡之間，惰性氣體是氮?dú)?、氬氣、氦氣、氖氣或者上述氣體的混合氣體；步驟3 針對(duì)不同的氧氣分壓區(qū)間對(duì)鍺納米微結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱處理，0. 01帕斯卡至0. 1帕斯卡之間時(shí)，溫度應(yīng)限定在500攝氏度至650攝氏度，0. 1帕斯卡至10 帕斯卡之間時(shí)，溫度應(yīng)限定在550攝氏度至700攝氏度，氧氣分子與納米微結(jié)構(gòu)表面的鍺原子直接發(fā)生反應(yīng)生成一氧化鍺氣體，實(shí)現(xiàn)納米微結(jié)構(gòu)尺寸的減小。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱氧化的鍺刻蝕方法，其特征在于，所述步驟1中，真空室原始真空度應(yīng)當(dāng)高于0. 001帕斯卡，低氧分壓氣體的氧分壓應(yīng)控制在0. 01帕斯卡至10帕斯卡之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱氧化的鍺刻蝕方法，其特征在于，所述步驟2中，反應(yīng)溫度依賴(lài)于充入氧氣的分壓，0.01帕斯卡至0. 1帕斯卡之間時(shí)，溫度應(yīng)限定在500攝氏度至650 攝氏度，0. 1帕斯卡至10帕斯卡之間時(shí)，溫度應(yīng)限定在550攝氏度至700攝氏度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制鍺納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法，通過(guò)熱氧化法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)納米微結(jié)構(gòu)尺寸的減小，通過(guò)控制氧氣分壓及反應(yīng)溫度，使鍺與氧氣反應(yīng)生成易揮發(fā)的一氧化鍺，達(dá)到控制鍺納米結(jié)構(gòu)尺寸的目的。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102569027SQ20111039943
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月5日
發(fā)明者劉洪剛, 盧力, 孫兵, ?；|, 王盛凱, 王虹, 薛百清, 趙威 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所