一種矽納米線的製作方法
2023-05-08 20:59:31
專利名稱：一種矽納米線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種納米尺度的單晶矽線的製作方法，具體地說，是一種利用矽的各向異性腐蝕在介質層上的矽材料上加工矽線納米的方法。屬於納米技術領域。
此外，近十幾年來，凝聚態物理領域中，人們對低維，小尺度材料的研究表現出濃厚的興趣。納米結構是當今科學技術發展前沿中，極具挑戰性的研究領域。尤其是近年來，納米尺度的矽線越來越受到人們的重視。一方面，因為它潛在的應用前景，比如器件小型化，提高集成度，以及用於製作一些特殊器件等；另一方面，由於矽材料在微小尺度下表現出來的特殊的物理性質比如表面效應，力學效應，發光特性以及量子尺度效應等，越來越受到科學界的重視。
因此，製造出尺度可控，並且規範統一的納米矽線，成為人們努力追求的目標。由於要利用它製作納米電子器件，所以它的純度，以及可操作性也成為衡量納米線質量的關鍵因素。
目前製作矽納米線的方法主要有兩類一類是化學氣相澱積、物理氣相澱積，雷射燒蝕法以及固液固方法等生長的方法，在催化劑的輔助下，在大面積的襯底上隨機地生長納米線，如
圖1、圖2所示(M.K.Sunkara，S.Sharma，R.Miranda，G.Lian and E.C.Dickey，Bulksynthesis of silicon nanowires using a low-temperaturevapor-liquid-solid method，Applied Physics letters，Vol.79，Num10，3 September 2001.；馮孫齊，俞大鵬，張洪洲，白志剛，丁彧，杭青嶺，鄒英華，王晶晶，一維矽納米線的生長機制及其量子限制效應的研究，中國科學A輯，第29卷，第10期，1999.10)。按此製成的納米線再利用各種方法將其搭在電極上，製作各種納米器件。其缺點是難於操作和定位，給大規模集成帶來困難，此外純度以及尺度的均勻性都無法得到很好的保證。另一類方法是使用電子束或者聚焦離子束直寫，製作出來的納米線如圖3所示(Toshiyuki Toriyama，Daisuke Funai and Susumu Sugiyama，Piezoresistancemeasurement on single crystal silicon nanowires，JOURNAL OFAPPLIED PHYSICS VOLUME 93，NUMBER 11 JANUARY 2003)。這類方法的缺點是製作成本昂貴，也不利於批量生產。
本發明的目的是通過以下方法達到的
(1)選擇特定晶向的介質層上的單晶矽材料，如絕緣體上的矽(SOI)，藍寶石上的矽(SOS)等。
(2)選擇性地在上面形成保護模L1。(圖4中標號4)(3)利用各向異性腐蝕去掉未被保護的薄層矽。暴露出在各向異性腐蝕中腐蝕速率較慢的面，如圖4(a)。
(4)形成另一層保護層L2，將腐蝕後的矽表面保護起來，如圖4(b)。
(5)在距離腐蝕界面(橫向)不遠(大於光刻套刻可以允許的最小距離)的地方開腐蝕孔，選擇性掏掉下面的L1，並利用各向異性腐蝕去掉薄層矽，留下介質層上的矽納米線，如圖4(c)。這種方法製作的納米線，其截面為等腰三角形。三角形底上的高等於介質層上的矽材料的厚度。控制矽材料的厚度，就可以得到截面尺度為10-50nm的矽線。
在此基礎上，對納米線進行氧化減細，即氧化掉納米線外層的矽，再使用稀釋的氫氟酸去除氧化層，即可得到更細的納米線。
根據需要，可以去掉薄層矽下的介質，形成懸空的納米線，或者在上述步驟(2)之前，選擇性地對材料進行摻雜，以製作不同導電類型的納米線。摻雜的方式包括擴散或離子注入等，摻雜的類型包括硼和磷等。
與現有的方法比較，此方法具有以下特點(1)利用矽的自停止腐蝕，可控性好。
(2)表面光潔。
(3)工藝很簡單。
(4)加工成本低，可批量生產。
(5)使用的各向異性腐蝕液為常用的氫氧化鉀、四甲基氫氧化銨等溶液。
使用這種方法製作的納米矽線，可以用於研究低維半導體性質，還可以做成傳感器件，電子器件，甚至發光器件等。且可批量生產。所以應用前景廣闊。
6矽納米線7擴硼的矽
(7)使用氫氧化鉀溶液腐蝕絕緣體上的矽層，由於各向異性的腐蝕速率，(111)面出現自停止。與先前的(111)面夾成橫截面為等腰三角形的三稜柱，如圖5(c)。等腰三角形的底上的高為50nm或小於50nm。選擇不同厚度的SOI材料，或者在第1步改變氧化的時間和溫度，就可以得到不同尺度的納米矽線；(8)熱磷酸去除氮化矽；(9)稀釋的氫氟酸掏空納米矽線底部的二氧化矽，如圖5(d)。
實施例2製作納米矽線上的PN結選擇N型襯底，在製作納米線之前預先對特定的區域進行硼擴散。
使將來要製作的納米線，有一半成為P型。然後再按照前面所述的工藝過程製作納米矽線，如圖6。具體步驟如下(1)選擇(100)晶向的SOI襯底，絕緣體上的矽的厚度為150nm，清洗後氧化，氧化層的厚度約為50nm。
(2)光刻氧化層。開出硼擴散的窗口。
(3)進行硼擴散。
(4)硼的再分布。
(5)二次光刻。打開要腐蝕的矽的窗口。
(6)氫氧化鉀溶液腐蝕絕緣體上的矽層，(111)面由於腐蝕速率極低而出現自停止。
(7)清洗後生長一層Si3N4。
(8)塗膠光刻，然後等離子體去除氮化矽(開出一個二氧化矽的窗口)。
(9)用稀釋的氫氟酸腐蝕二氧化矽。直到確定需要製作矽線的位置頂部已經沒有二氧化矽。
(10)使用氫氧化鉀溶液腐蝕絕緣體上的矽層，由於各向異性的腐蝕速率，(111)面出現自停止。與先前的(111)面夾成橫截面為等腰三角形的三稜柱。等腰三角形的底上的高為50nm或小於50nm。選擇不同厚度的SOI材料，或者在第1步改變氧化的時間和溫度，就可以得到不同尺度的納米矽線。
(11)熱磷酸去除氮化矽。
(12)用稀釋的氫氟酸腐蝕掉納米矽線底部的二氧化矽。
權利要求
1.一種矽納米線的製作方法，其特徵在於利用矽自停止腐蝕工藝，在介質層上的矽材料上加工矽納米線的方法。
2.按權利要求1所述的矽納米線的製作方法，其特徵在於具體製作工藝(1)選擇(100)晶向的介質層上單晶矽材料；(2)在(1)所述的單晶材料上面形成掩膜層；(3)利用各向異性腐蝕方法去掉未被保護的薄層矽；暴露出在各向異性腐蝕中腐蝕速率較慢的面；(4)形成保護層，保護腐蝕後的矽表面孔；(5)在掩膜層上開腐蝕孔，選擇性地掏空下面的掩膜層，並利用各向異性腐蝕方法去掉薄層矽，留下介質層上矽納米線。
3.按權利要求1或2所述的矽納米線的製作方法，其特徵在於所製作的矽納米線截面為等腰三角形，三角形底上的高等於介質層上的矽材料厚度；控制矽材料厚度就可得到截面尺度為10-50nm的矽納米線。
4.按權利要求2所述的矽納米線的製作方法，其特徵在於對納米線進行氧化減細，即氧化掉納米線外層的矽，再用稀釋的氫氟酸去除氧化層，可得到更細的納米線。
5.按權利要求2所述的矽納米線的製作方法，其特徵在於在步驟(2)之前，選擇性對材料進行摻雜，以製作不同導電類型的納米線；摻雜方式包括擴散或離子注入；摻雜的類型為硼或磷。
6.按權利要求2所述的矽納米線的製作方法，其特徵在於所述的(100)晶向的介質層上的矽或為絕緣體上的矽，或為藍寶石上矽。
7.按權利要求2所述的矽納米線的製作方法，其特徵在於具體製作工藝(1)選取(100)晶向的SOI材料，絕緣體上的矽的厚度為100nm，清洗後氧化形成掩模層L1，氧化層的厚度約為50nm；(2)刻氧化層；(3)氫氧化鉀溶液腐蝕絕緣體上的矽層，(111)面由於腐蝕速率極低而出現自停止；(4)清洗後生長一層Si3N4；(5)塗膠光刻，然後等離子體去除氮化矽，開出一個二氧化矽的窗口；(6)用稀釋的氫氟酸腐蝕二氧化矽。直到確定需要製作矽線的位置頂部已經沒有二氧化矽；(7)使用氫氧化鉀溶液腐蝕絕緣體上的矽層，由於各向異性的腐蝕速率，(111)面出現自停止；與先前的(111)面夾成橫截面為等腰三角形的三稜柱，等腰三角形的底上的高為50nm或小於50nm；選擇不同厚度的SOI材料，或者在第1步改變氧化的時間和溫度，就可以得到不同尺度的納米矽線；(8)熱磷酸去除氮化矽；(9)稀釋的氫氟酸掏空納米矽線底部的二氧化矽。
8.按權利要求2所述的矽納米線的製作方法，其特徵在於異體製作工藝(1)選擇(100)晶向的SOI襯底，絕緣體上的矽的厚度為150nm，清洗後氧化，氧化層的厚度約為50nm；(2)光刻氧化層，開出硼擴散的窗口；(3)進行硼擴散；(4)硼的再分布；(5)二次光刻，打開要腐蝕的矽的窗口；(6)氫氧化鉀溶液腐蝕絕緣體上的矽層，(111)面由於腐蝕速率極低而出現自停止；(7)清洗後生長一層Si3N4；(8)塗膠光刻，然後等離子體去除氮化矽，開出一個二氧化矽的窗口；(9)用稀釋的氫氟酸腐蝕二氧化矽，直到確定需要製作矽線的位置頂部已經沒有二氧化矽；(10)使用氫氧化鉀溶液腐蝕絕緣體上的矽層，由於各向異性的腐蝕速率，(111)面出現自停止，與先前的(111)面夾成橫截面為等腰三角形的三稜柱，等腰三角形的底上的高為50nm或小於50nm，選擇不同厚度的SOI材料，或者在第1步改變氧化的時間和溫度，就可以得到不同尺度的納米矽線；(11)熱磷酸去除氮化矽；(12)用稀釋的氫氟酸腐蝕掉納米矽線底部的二氧化矽。
全文摘要
本發明涉及一種矽納米線的製作方法，其特徵在於利用矽的各向異性腐蝕在介質層上矽材料上加工或矽納米線方法。所得納米線的截面為等腰三角形，三角形底上的高等於介質層上的矽材料厚度，控制矽材料厚度，就可得到截面尺度為10－50nm的矽納米線；且可通過氧化進一步減細以及還可對材料進行摻雜，以製作不同導電類型的納米線。使用本發明製作的納米矽線，可用於研究低維半導體性質，還可以做成傳感器件，電子器件，甚至發光器件等。且可批量生產，所以應用前景廣闊。
文檔編號B82B3/00GK1474434SQ03141848
公開日2004年2月11日 申請日期2003年7月25日 優先權日2003年7月25日
發明者王躍林, 李欣昕, 劉文平 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所, 中國科學院上海微系統與信息技術研究