一種鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法，該方法包括：在單晶襯底表面交替外延單晶鍺硅層與鍺層；對(duì)鍺硅層與鍺層進(jìn)行光刻和刻蝕，獲得鍺硅線條／鍺線條的周期結(jié)構(gòu)；在純氧氣氛下對(duì)鍺硅線條／鍺線條的周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行氧化，將鍺硅層中的硅組分被選擇性氧化為二氧化硅，同時(shí)使鍺硅層中的鍺組分析出到鍺層中；利用氫氟酸進(jìn)行選擇性刻蝕，將二氧化硅溶解，獲得鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的鍺納米線結(jié)構(gòu)的制作方法，具有可大面積生長(zhǎng)、工藝簡(jiǎn)便、納米線直徑可控以及制備成本低等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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。在過去的40多年中，硅基集成技術(shù)遵循摩爾定律通過縮小器件的特征尺寸來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I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)開始面臨來自物理與技術(shù)方面的雙重挑戰(zhàn)。
[0003]從材料方面來說，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1900cm2 / V*s和電子遷移率3900cm2 / 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)上來說，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)。
[0004]基于以上兩點(diǎn)，鍺納米線結(jié)構(gòu)將在未來發(fā)揮更加重要的作用。開發(fā)簡(jiǎn)便有效的制備鍺納米線的方法具有重大意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法，以解決鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的選擇性腐蝕和制備問題，達(dá)到大規(guī)模、低成本制備鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的目的。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法，該方法包括:在單晶襯底表面交替外延單晶鍺硅層與鍺層；對(duì)鍺硅層與鍺層進(jìn)行光刻和刻蝕，獲得鍺硅線條/鍺線條的周期結(jié)構(gòu)；在純氧氣氛下對(duì)鍺硅線條/鍺線條的周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行氧化，將鍺硅層中的硅組分被選擇性氧化為二氧化硅，同時(shí)使鍺硅層中的鍺組分析出到鍺層中；以及利用氫氟酸進(jìn)行選擇性刻蝕，將二氧化硅溶解，獲得鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)。
[0009]上述方案中，所述在單晶襯底交替外延單晶鍺硅層與鍺層，是利用分子束外延或者超高真空化學(xué)氣相沉積法在單晶襯底表面交替外延沉積單晶鍺硅層與鍺層。
[0010]上述方案中，所述單晶襯底為鍺襯底、硅襯底、絕緣體上硅襯底或絕緣體上鍺襯底，所述單晶襯底的晶向是(100)、(110)或(111)中的一種，所述單晶襯底的類型是本征的、P型摻雜或η型摻雜的。
[0011]上述方案中，所述單晶襯底為硅、砷化鎵、藍(lán)寶石、碳化硅、磷化銦、覆蓋有結(jié)晶氧化物的硅襯底或砷化鎵襯底，以及上述襯底的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0012]上述方案中，所述在單晶襯底交替外延單晶鍺硅層與鍺層，鍺層的厚度為5?5000納米，鍺硅層的厚度為5?5000納米，鍺硅層中鍺的組分比例在1%?80%之間。
[0013]上述方案中，所述對(duì)鍺硅層與鍺層進(jìn)行光刻和刻蝕，是利用紫外或者光刻的方法對(duì)鍺硅層與鍺層進(jìn)行光刻和刻蝕。
[0014]上述方案中，所述獲得的鍺硅線條/鍺線條的周期結(jié)構(gòu)中，線條寬度為5?5000納米，線條間距為5?500000納米，長(zhǎng)度為5納米?50厘米。
[0015]上述方案中，所述在純氧氣氛下對(duì)鍺硅線條/鍺線條的周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行氧化，純氧的壓強(qiáng)介于I個(gè)大氣壓至100個(gè)大氣壓之間，氧化溫度區(qū)間為800至1300攝氏度。
[0016]上述方案中，所述利用氫氟酸進(jìn)行選擇性刻蝕，氫氟酸中氟化氫的摩爾比介于
0.1%~ 35%之間。
[0017](三)有益效果
[0018]本發(fā)明提供的這種鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)，通過控制氧化溫度對(duì)鍺/鍺硅納米線進(jìn)行選擇性氧化的方法，具有較大的溫度工藝窗口，方法簡(jiǎn)便，成本低廉，因而具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值?？梢詫?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。另外，由于采用了鍺/鍺硅的疊層結(jié)構(gòu)，通過熱力學(xué)控制，實(shí)現(xiàn)了選擇性氧化，使鍺硅層中的硅組分被優(yōu)先氧化成二氧化硅，而鍺硅層中的鍺則偏析進(jìn)入鍺層，進(jìn)而通過氫氟酸進(jìn)行選擇性腐蝕，從而獲得了鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)，所以解決了鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的選擇性腐蝕和制備問題，達(dá)到了大規(guī)模、低成本制備鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是依照本發(fā)明實(shí)施例的制作鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的方法流程圖；
[0020]圖2至圖5示出了依照本發(fā)明實(shí)施例的制作鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的工藝流程圖；其中:
[0021]圖2是硅基鍺/鍺硅交替疊層襯底結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0022]圖3是經(jīng)刻蝕得到的硅基鍺/鍺硅線條示意圖；
[0023]圖4是利用氧化方法獲得的硅基鍺/ 二氧化硅納米線條疊層結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0024]圖5是利用選擇性濕法刻蝕技術(shù)除掉鍺線條間二氧化硅的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0026]本發(fā)明提供的這種鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法，通過控制氧氣反應(yīng)溫度，使氧氣對(duì)鍺/鍺硅復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性氧化，根據(jù)熱力學(xué)穩(wěn)定性方面的計(jì)算，在略低于鍺硅熔點(diǎn)的溫度下，優(yōu)先氧化鍺硅中的硅組分從而形成二氧化硅，同時(shí)使剩余的鍺析出到鍺中，進(jìn)一步利用選擇性腐蝕的方法去除掉二氧化硅，從而得到鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)。
[0027]如圖1所示，圖1是依照本發(fā)明實(shí)施例的制作鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的方法流程圖，該方法包括以下步驟:[0028]步驟1:在單晶襯底表面交替外延單晶鍺硅層與鍺層；
[0029]步驟2:對(duì)鍺硅層與鍺層進(jìn)行光刻和刻蝕，獲得鍺硅線條/鍺線條的周期結(jié)構(gòu)；
[0030]步驟3:在純氧氣氛下對(duì)鍺硅線條/鍺線條的周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行氧化，將鍺硅層中的硅組分被選擇性氧化為二氧化硅，同時(shí)使鍺硅層中的鍺組分析出到鍺層中；
[0031]步驟4:利用氫氟酸進(jìn)行選擇性刻蝕，將二氧化硅溶解，獲得鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)。
[0032]其中，步驟I中所述在單晶襯底交替外延單晶鍺硅層與鍺層，是利用分子束外延或者超高真空化學(xué)氣相沉積法在單晶襯底表面交替外延沉積單晶鍺硅層與鍺層。所述單晶襯底為錯(cuò)襯底、娃襯底、絕緣體上娃襯底或絕緣體上錯(cuò)襯底，所述單晶襯底的晶向是(100)、(110)或(111)中的一種，所述單晶襯底的類型是本征的、P型摻雜或η型摻雜的?；蛘?，所述單晶襯底為硅、砷化鎵、藍(lán)寶石、碳化硅、磷化銦、覆蓋有結(jié)晶氧化物的硅襯底或砷化鎵襯底，以及上述襯底的復(fù)合結(jié)構(gòu)。所述在單晶襯底交替外延單晶鍺硅層與鍺層，鍺層的厚度為5?5000納米，鍺硅層的厚度為5?5000納米，鍺硅層中鍺的組分比例在I %?80%之間。
[0033]步驟2中所述對(duì)鍺硅層與鍺層進(jìn)行光刻和刻蝕，是利用紫外或者電子束光刻的方法對(duì)鍺硅層與鍺層進(jìn)行光刻和刻蝕。所述獲得的鍺硅線條/鍺線條的周期結(jié)構(gòu)中，線條寬度為5?5000納米，線條間距為5?500000納米，長(zhǎng)度為5納米?50厘米。
[0034]步驟3中所述在純氧氣氛下對(duì)鍺硅線條/鍺線條的周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行氧化，純氧的壓強(qiáng)介于I個(gè)大氣壓至100個(gè)大氣壓之間,氧化溫度區(qū)間為800至1300攝氏度。
[0035]步驟4中所述利用氫氟酸進(jìn)行選擇性刻蝕，氫氟酸中氟化氫的摩爾比介于
0.1%~ 35%之間。
[0036]基于圖1所示的制作鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的方法流程圖，圖2至圖5示出了依照本發(fā)明實(shí)施例的制作鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的工藝流程圖，具體包括:
[0037]如圖2所示，選用在絕緣體上硅襯底上交替外延鍺硅層101與鍺層102各4層。其中鍺硅層中鍺的組分為50%。絕緣體上硅襯底結(jié)構(gòu)包括硅襯底片105、二氧化硅層104，以及絕緣體上硅層103。其中二氧化硅層104厚度200納米，絕緣體上硅層103厚度為100納米。交替外延鍺層厚度為30納米，鍺硅層厚度30納米。
[0038]如圖3所示，利用電子束光刻技術(shù)以及利用感應(yīng)耦合等離子刻蝕(ICP)刻蝕技術(shù)利用SF6在圖2的結(jié)構(gòu)上刻蝕獲得寬度20納米的鍺硅線條202 /鍺線條201的周期結(jié)構(gòu)，線條間距為100納米。
[0039]如圖4所示，對(duì)圖3結(jié)構(gòu)進(jìn)行一個(gè)大氣壓純氧氣條件下的氧化處理，氧化溫度設(shè)定為950攝氏度，處理5分鐘，使鍺硅層中的硅被選擇性氧化成為二氧化硅，而多余的鍺則析出進(jìn)入到鍺層中。
[0040]如圖5所示，利用選擇性濕法刻蝕方法，將圖4所獲得的結(jié)構(gòu)置于濃度為20%的氫氟酸中，將二氧化硅溶解掉，從而得到硅基絕緣體上鍺納米線條疊層結(jié)構(gòu)，即鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)。
[0041]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，該方法包括: 在單晶襯底表面交替外延單晶鍺硅層與鍺層； 對(duì)鍺硅層與鍺層進(jìn)行光刻和刻蝕，獲得鍺硅線條/鍺線條的周期結(jié)構(gòu)； 在純氧氣氛下對(duì)鍺硅線條/鍺線條的周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行氧化，將鍺硅層中的硅組分被選擇性氧化為二氧化硅，同時(shí)使鍺硅層中的鍺組分析出到鍺層中；以及 利用氫氟酸進(jìn)行選擇性刻蝕，將二氧化硅溶解，獲得鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)。
2.權(quán)利要求1所述的鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述在單晶襯底交替外延單晶鍺硅層與鍺層，是利用分子束外延或者超高真空化學(xué)氣相沉積法在單晶襯底表面交替外延沉積單晶鍺硅層與鍺層。
3.權(quán)利要求2所述的鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述單晶襯底為鍺襯底、硅襯底、絕緣體上硅襯底或絕緣體上鍺襯底，所述單晶襯底的晶向是(100)、(110)或(111)中的一種，所述單晶襯底的類型是本征的、P型摻雜或η型摻雜的。
4.權(quán)利要求2所述的鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述單晶襯底為硅、砷化鎵、藍(lán)寶石、碳化硅、磷化銦、覆蓋有結(jié)晶氧化物的硅襯底或砷化鎵襯底，以及上述襯底的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
5.權(quán)利要求1所述的鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述在單晶襯底交替外延單晶鍺硅層與鍺層，鍺層的厚度為5?5000納米，鍺硅層的厚度為5?5000納米，鍺硅層中鍺的組分比例在1%?80%之間。
6.權(quán)利要求1所述的鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述對(duì)鍺硅層與鍺層進(jìn)行光刻和刻蝕，是利用紫外或者電子束光刻的方法對(duì)鍺硅層與鍺層進(jìn)行光刻和刻蝕。
7.權(quán)利要求1所述的鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述獲得的鍺硅線條/鍺線條的周期結(jié)構(gòu)中，線條寬度為5?5000納米，線條間距為5?500000納米，長(zhǎng)度為5納米?50厘米。
8.權(quán)利要求1所述的鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述在純氧氣氛下對(duì)鍺硅線條/鍺線條的周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行氧化，純氧的壓強(qiáng)介于I個(gè)大氣壓至100個(gè)大氣壓之間，氧化溫度區(qū)間為800至1300攝氏度。
9.權(quán)利要求1所述的鍺納米線疊層結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述利用氫氟酸進(jìn)行選擇性刻蝕，氫氟酸中氟化氫的摩爾比介于0.1%?35%之間。
【文檔編號(hào)】H01L21/336GK103700582SQ201310741585
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】王盛凱, 劉洪剛, 孫兵, ?；|, 趙威 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所