專利名稱：一種單晶硅襯底上制備硅納米線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及ー種ー維硅納米線的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，伴隨人們?cè)诩{米技術(shù)領(lǐng)域的不斷探索和研究，具有一維納米結(jié)構(gòu)的材料，如硅納米線，引起了越來(lái)越多的人的眼球。硅納米線具有顯著的量子效應(yīng)、超大的比表面積等特性，在電子器件、生物傳感器等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。因此，如何用一種簡(jiǎn)單、可控、低成本的方式制備出硅納米線，成為了ー項(xiàng)重要的課題。硅納米線的制備方法主要可以分為“自底向上”(bottom-up)和“自頂向下”(top-down)兩大類。自頂向下是硅納米線的傳統(tǒng)制備方法。自底向上的方法主要是依靠納 米技術(shù)，利用催化劑催化生長(zhǎng)納米線，該方法雖然可以一次性大批量生產(chǎn)出硅納米線，但是很難實(shí)現(xiàn)納米線的定位生長(zhǎng)，并且和傳統(tǒng)的自頂向下的CMOS集成電路加工エ藝方式有著本質(zhì)的區(qū)別，兼容性可能會(huì)成為阻礙其應(yīng)用的一塊絆腳石。而隨著半導(dǎo)體エ藝技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，依靠薄膜制備、光刻與刻蝕等技術(shù)制備硅納米線的自頂向下的方法越來(lái)越成熟。目前，人們已經(jīng)公布了多種采用自頂向下的方式制備硅納米線。譬如，基于SOI襯底，N. Singh小組采用交替式移相掩膜光刻(alternating phase shift masklithography)、裁剪技術(shù)和干法刻蝕得到了長(zhǎng)度不同、寬度在40nm至50nm之間的娃納米線條，完成后續(xù)エ藝后得到了娃納米線圍柵器件(N. Singh et al. , Ultra-Narrow SiliconNanowire Gate~A丄丄一Arouna CMOS Devices:1mpact of Diameter, Channel-Orientationand Low Temperature on Device Performance, IEEE International electron DevicesMeeting, 2006)。另外，也可以利用TMAH溶液在硅的不同晶面的高腐蝕選擇比在SOI襯底上加工制備硅納米線(中國(guó)專利，授權(quán)公告號(hào)CN 1215530C)。但是，眾所周知的，SOI硅片的成本很高，不符合大生產(chǎn)時(shí)降低成本的要求。而基于單晶硅襯底制備硅納米線則能大大降低成本。譬如基于單晶硅襯底，田豫小組通過(guò)電子束曝光定義硅納米線寬度，采用干法和濕法刻蝕硅襯底，得到了懸空的硅納米線，并進(jìn)一歩制備出了晶體管(Yu Tian et al. , New Self-Aligned Silicon Nanowire Transistorson Bulk Substrate Fabricated by Ep1-Free Compatible CMOS Technology: ProcessIntegration, Experimental Characterization of Carrier Transport and LowFrequency Noise, IEEE International Electron Devices Meeting, 2007)。 SungDae Suk等人在體娃襯底上外延SiGe/Si,并腐蝕SiGe犧牲層釋放懸空納米線(SungDae Suk et al. , High Performance 5nm Radius Twin Silicon Nanowire MOSFET(TSNWFET): Fabrication on Bulk Si Wafer, Characteristics, and Reliability, IEEEInternational Electron Devices Meeting, 2005)。然而，基于單晶體娃襯底形成懸空納米線的エ藝一般比較復(fù)雜，難度大且步驟多。因此，如何在單晶硅襯底上用一種更加簡(jiǎn)單易行的方法來(lái)制備硅納米線，對(duì)納米尺度領(lǐng)域的電子器件或生物傳感器的生產(chǎn)研究有著重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有制備硅納米線的技術(shù)中存在的成本高、エ藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，提供一種成本低廉、エ藝簡(jiǎn)單的在單晶硅襯底上制備硅納米線的方法。本發(fā)明的單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，包括以下步驟
提供輕摻雜的單晶硅襯底；
光刻定義硅納米線以及硅納米線支撐區(qū)域的圖形；
以光刻膠為掩膜，從硅納米線圖形的兩側(cè)分別以傾斜角度注入高濃度的雜質(zhì)離子，并去月父; 快速熱退火，以激活該注入的雜質(zhì)離子；
采用濕法腐蝕的方法，選擇去除重?fù)诫s區(qū)域的硅，得到懸空的硅納米線，且其兩端受支撐區(qū)域固定支撐。進(jìn)ー步地，該輕摻雜的單晶硅襯底的濃度不超過(guò)I X 10_16cm_3，該單晶硅襯底的摻雜類型是n型或p型。進(jìn)ー步地，該光刻定義是采用浸沒(méi)式光刻或電子束曝光的方式定義硅納米線以及硅納米線支撐區(qū)域的圖形。進(jìn)ー步地，該娃納米線圖形的寬度為3(T60nm,長(zhǎng)度為100nnT5//m。進(jìn)ー步地，該硅納米線支撐區(qū)域的圖形呈矩形，位于該硅納米線圖形的兩端，與該硅納米線圖形相接，且該矩形單邊長(zhǎng)度不小于300nm。進(jìn)ー步地，得到的該硅納米線的截面為倒三角形。進(jìn)ー步地，注入該雜質(zhì)離子的傾斜角度為3(T60度。進(jìn)ー步地，兩側(cè)注入該雜質(zhì)離子的總劑量不小于5X 10_13cm_2。進(jìn)ー步地，該注入的雜質(zhì)離子是n型雜質(zhì)的磷，注入能量為3(Tl20keV。進(jìn)ー步地，該注入的雜質(zhì)離子是p型雜質(zhì)的硼，注入能量為15飛OkeV。進(jìn)ー步地,采用尖峰退火(spike anneal)或激光退火(laser anneal)的方法激活該注入的雜質(zhì)離子。進(jìn)ー步地，選擇去除重?fù)诫s區(qū)域硅的溶液是含有HF、HNO3和CH3COOH的混合溶液。優(yōu)選的該溶液是含有35-45%濃度的HF、65-75%濃度的HNO3和90-100%濃度的CH3COOH的混合溶液，三者體積比為1: (2. 5 3. 5) : (7 9)。最優(yōu)選的該溶液是含有40%濃度的HF、70%濃度的HNO3和100%濃度的CH3COOH的混合溶液，三者體積比為1:3:8。其中，本發(fā)明中所述的“不超過(guò)”表示的范圍是本領(lǐng)域常規(guī)可接受的數(shù)值至該數(shù)值；“不小干”表示的范圍是該數(shù)值至本領(lǐng)域常規(guī)可接受的數(shù)值。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，主要利用了腐蝕溶液對(duì)重?fù)诫s和輕摻雜硅的高腐蝕選擇比，去除重?fù)诫s部分的硅，釋放得到截面接近三角形的硅納米線。本方案的技術(shù)要點(diǎn)是，確保傾斜角度的離子注入能將硅納米線的側(cè)面和底部變成重?fù)絽^(qū)，從而使得硅納米線在完成選擇腐蝕后懸空，僅由兩端的支撐區(qū)固定。與現(xiàn)有的其他技術(shù)方法相比，本發(fā)明提供的制備硅納米線的方法具有如下突出的有益效果
(I)采用自頂向下的方法制備硅納米線，與傳統(tǒng)CMOS集成電路加工エ藝相兼容，便于生產(chǎn)；
(2)在單晶硅襯底上用ー種十分簡(jiǎn)單的方法制備硅納米線，極大程度上降低了制造成本，有利于大批量生產(chǎn)開(kāi)發(fā)；
(3)在本發(fā)明制備的娃納米線的基礎(chǔ)上,可以進(jìn)ー步制備出納米線傳感器或娃納米線電子器件等等，有著廣泛的應(yīng)用前景。


為能更清楚理解本發(fā)明的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，其中
圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例中完成光刻定義硅納米線及其支撐區(qū)域圖形后的AA’剖面圖(Ia)和立體圖(Ib)；
圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例中完成第一次傾斜角度的雜質(zhì)離子注入后的AA’剖面圖(2a) 和立體圖(2b)；
圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例中完成第二次傾斜角度的雜質(zhì)離子注入后的AA’剖面圖(3a)和立體圖(3b);以及
圖4a是本發(fā)明第一實(shí)施例中完成選擇腐蝕エ藝后得到硅納米線的AA’剖面圖(4a’)、和立體圖(4a，，)和;
圖4b是圖4a中的BB’剖面圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱所有附圖，顯示了本發(fā)明在單晶硅襯底上制備硅納米線的第一實(shí)施例的流程意圖。首先，提供p型的單晶硅襯底101，所摻雜質(zhì)為硼，摻雜濃度為I X 10_15cm_3。襯底必須是輕摻雜的，以保證后續(xù)的選擇腐蝕エ藝中相對(duì)重?fù)诫s硅有較高的腐蝕選擇比。因此，在選擇襯底的時(shí)候，摻雜濃度一般不應(yīng)超過(guò)IXlO-16Cm'優(yōu)選的，襯底摻雜濃度應(yīng)在I X IO-15CnT3 或以下。其中，襯底的所摻雜質(zhì)種類也可以是硼以外的p型雜質(zhì)，如銦等。另外，襯底還可以是輕摻雜的n型，所摻雜質(zhì)種類可以是磷或砷等。隨后，如圖la、lb所示，采用193nm ArF浸沒(méi)式光刻技術(shù)，定義出硅納米線以及硅納米線支撐區(qū)域的圖形。其中，硅納米線圖形光刻膠201的兩端各相接于ー個(gè)正方形的硅納米線支撐區(qū)域圖形光刻膠202，硅納米線圖形光刻膠201的寬度W為40nm、長(zhǎng)度LI為200nm，硅納米線支撐區(qū)域圖形光刻膠202的正方形邊長(zhǎng)L2為400nm。圖1b是光刻定義圖形之后的立體圖，圖1a是沿立體圖中虛線AA’的剖面圖。光刻步驟完成后，僅保留寬度W為40nm、長(zhǎng)度LI為200nm的硅納米線圖形光刻膠201以及邊長(zhǎng)L2為400nm的正方形的硅納米線支撐區(qū)域圖形光刻膠202，其他區(qū)域的膠被去除，該“I”型圖形即構(gòu)成待處理的硅納米線以及硅納米線支撐區(qū)域的圖形。其中，本步驟也可以采用電子束直寫等其他能夠定義細(xì)線條的曝光技木。然后，如圖2a、2b、3a、3b所示，以上述“I”型圖形的光刻膠為掩膜，從硅納米線圖形的兩側(cè)分別進(jìn)行一次傾斜角度的高濃度雜質(zhì)離子注入，兩次注入條件均為雜質(zhì)磷，能量70keV，劑量2Xl(T15cnT2，傾角0為45度。如圖3a的剖面圖所示，完成兩次傾角注入后，呈倒三角形的輕摻雜硅納米線103的兩側(cè)及底部均被重?fù)诫s的硅102包圍，從而使得該納米線可以在完成后續(xù)的選擇腐蝕エ藝后懸空。其中，此處進(jìn)行兩次傾角注入的目的是使得重?fù)诫s的硅102從兩側(cè)及底部三面包圍輕摻雜的硅納米線103，因此，也可以采用其他的雜質(zhì)離子，以其他的角度、能量和劑量進(jìn)行注入，只要保證達(dá)到上述目的的摻雜分布即可。完成離子注入后，去除光刻膠，采用尖峰退火(spike anneal)的方式激活注入的雜質(zhì)離子。退火的峰值溫度為1050°C，升溫速率為200°C/秒。完成退火エ藝后，重?fù)诫s區(qū)域硅102的雜質(zhì)濃度約在的10_2°cm_3量級(jí)上下。采用尖峰退火的好處是退火溫度高、退火時(shí)間短，使得前一道エ序中注入的雜質(zhì)有很高的激活率的同時(shí)沒(méi)有明顯的擴(kuò)散，保證硅納米線103的區(qū)域仍然是輕摻雜。其中,本步驟也可以采用具有類似效果的激光退火(laser anneal)等退火方式來(lái)激活注入的雜質(zhì)離子。最后，采用濕法腐蝕的方法，用體積比為1:3:8的40%濃度的HF、70%濃度的HNO3、100%濃度的CH3COOH的混合溶液，選擇去除重?fù)诫s區(qū)域的硅102，使得硅納米線103懸空，硅納米線兩端受支撐區(qū)域的硅104固定支撐，如圖4a、4b、4c所示。實(shí)驗(yàn)研究表明，上述體積比的HF、HNO3> CH3COOH的混合液對(duì)重?fù)诫s和輕摻雜的硅的腐蝕速率相差很大，尤其當(dāng)輕摻雜硅中的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)小于10_17cm_3的時(shí)候，腐蝕選擇比可以達(dá)到100 1以上，從而在進(jìn)行腐蝕エ藝的時(shí)候，有足夠的時(shí)間窗ロ保證重?fù)诫s的硅102被完全去除，而輕摻雜的襯底101、硅納米線103、硅納米線支撐區(qū)域104僅有極其微量的腐蝕，不影響懸空納米線結(jié)構(gòu)的形成。最終形成的硅納米線的寬度約為40nm、長(zhǎng)度約為200nm，截面近似為倒三角形。綜上所述，本發(fā)明采用的是自頂向下的基于單晶硅襯底的制備方法，和傳統(tǒng)CMOS 集成電路加工エ藝兼容，エ藝又十分簡(jiǎn)單，極大程度上降低了制造成本，有利于大批量生產(chǎn)開(kāi)發(fā)。在本發(fā)明制備的娃納米線的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)ー步制備出納米線傳感器或娃納米線電子器件等等，有著廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，其特征在于，包括以下步驟提供輕摻雜的單晶硅襯底；光刻定義硅納米線以及硅納米線支撐區(qū)域的圖形；以光刻膠為掩膜，從硅納米線圖形的兩側(cè)分別以傾斜角度注入高濃度的雜質(zhì)離子，并去月父;快速熱退火，以激活該注入的雜質(zhì)離子；采用濕法腐蝕的方法，選擇去除重?fù)诫s區(qū)域的硅，得到懸空的硅納米線，且其兩端受支撐區(qū)域固定支撐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，其特征在于該輕摻雜的單晶硅襯底的濃度不超過(guò)I X 10_16cm_3，該單晶硅襯底的摻雜類型是η型或ρ型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，其特征在于該光刻定義是采用浸沒(méi)式光刻或電子束曝光的方式定義硅納米線以及硅納米線支撐區(qū)域的圖形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，其特征在于該硅納米線圖形的寬度為30 60nm,長(zhǎng)度為100ηπΓ5//m。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，其特征在于該硅納米線支撐區(qū)域的圖形呈矩形，位于該硅納米線圖形的兩端，與該硅納米線圖形相接，且該矩形單邊長(zhǎng)度不小于300nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，其特征在于得到的該硅納米線的截面為倒三角形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，其特征在于注入該雜質(zhì)離子的傾斜角度為3(Γ60度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，其特征在于兩側(cè)注入該雜質(zhì)離子的總劑量不小于5Χ 10_13cm_2。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，其特征在于該注入的雜質(zhì)離子是η型雜質(zhì)的磷，注入能量為3(Tl20keV。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，其特征在于該注入的雜質(zhì)離子是P型雜質(zhì)的硼，注入能量為15飛OkeV。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，其特征在于采用尖峰退火或激光退火的方法激活該注入的雜質(zhì)離子。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，其特征在于選擇去除重?fù)诫s區(qū)域硅的溶液是含有HF、HNO3和CH3COOH的混合溶液。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，其特征在于該溶液是含有35-45%濃度的HF、65-75%濃度的HNO3和90-100%濃度的CH3COOH的混合溶液，三者體積比為1:(2. 5 3. 5): (7 9)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，其特征在于該溶液是含有40%濃度的HF、70%濃度的HNO3和100%濃度的CH3COOH的混合溶液，三者體積比為 1:3:8。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種在單晶硅襯底上制備硅納米線的方法，包括提供輕摻雜的單晶硅襯底；光刻定義硅納米線以及硅納米線支撐區(qū)域的圖形；以光刻膠為掩膜，從硅納米線圖形的兩側(cè)分別以傾斜角度注入高濃度的雜質(zhì)離子，并去膠；快速熱退火，以激活該注入的雜質(zhì)離子；采用濕法腐蝕的方法，選擇去除重?fù)诫s區(qū)域的硅，得到懸空的硅納米線，且其兩端受支撐區(qū)域固定支撐。本發(fā)明采用的是自頂向下的基于單晶硅襯底的制備方法，和傳統(tǒng)CMOS集成電路加工工藝兼容，工藝簡(jiǎn)單，能大幅降低制造成本，有利于大批量生產(chǎn)開(kāi)發(fā)。
文檔編號(hào)H01L21/265GK103021806SQ20121034982
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者范春暉, 王全 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司