一種具有密貼懸空柵極的矽納米線場效應管的製備方法
2023-05-10 18:01:01 1
一種具有密貼懸空柵極的矽納米線場效應管的製備方法
【專利摘要】本發明提供一種具有密貼懸空柵極的矽納米線場效應管的製備方法，包括步驟：通過至上而下的工藝在（111）型矽片上製備出特定尺寸的矽納米線,保留氮化矽掩膜層，並以此為絕緣層在其上製作柵極，同時在矽納米線兩端的體矽上通過離子注入製備漏極和源極，構成了基於矽納米線的場效應管，由於矽納米線整體貼在氮化矽薄層上，成品率得到很大提高。所製備的納米線直徑和長度可控，比表面積大，活性強，可作為氣體傳感器和生化傳感器的敏感元件，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】一種具有密貼懸空柵極的矽納米線場效應管的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於MEMS【技術領域】，特別是涉及一種矽納米線場效應管的製備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，納米技術的研究和新納米材料的開發都取得了長足的發展，並且在生物、醫療、環境等行業得到了應用。當物質的特徵尺寸減小到納米尺度時，相關力學、熱學、光學和電學等性能會發生明顯變化，出現了表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應等新穎的物理現象。
[0003]由於傳感器領域對靈敏度要求的不斷提高，人們紛紛將目光投向納米【技術領域】，矽納米線作為一種新型一維納米材料，具有優異力、熱、光、電等性能，其比表面積大，外界環境能夠引起材料本身性質發生很大改變，所以該材料具有極大的潛力提升傳感器靈敏度，具有廣闊的應用前景。
[0004]基於矽納米線的場效應管既能保留矽納米線的優異性能，同時還能通過控制外設電路讓器件工作在穩定的工作點，得到更加準確的反饋，所以基於矽納米線的場效應管在傳感器領域具有巨大的應用優勢。IC工藝在製備線寬在納米尺度的場效應管時所採用的方法包括電子束直寫、深紫外光刻，納米壓印等技術，其工藝原理簡單，但設備十分昂貴。同時目前IC工藝正處在22nm節點，14nm工藝尚處於研發階段，直接通過圖形轉移製備出1nm以下線寬的矽納米線，在技術上存在比較大的難度。
[0005]因此，發展可控精度高、成本低廉的矽納米線場效應管的製備方法具有重要的價值。
【發明內容】
[0006]鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種具有密貼懸空柵極的矽納米線場效應管的製備方法，有助於解決現有技術中矽納米線場效應管的製備方法可控精度低且成本高昂的問題。
[0007]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種矽納米線場效應管的製備方法，包括以下步驟:
[0008]I)提供一(111)型的矽片，於矽片表面形成介質掩膜層，通過光刻工藝於所述介質掩膜層中形成間隔排列的傾斜的矩形窗口；
[0009]2)通過所述矩形窗口對所述矽片進行刻蝕，形成預設深度的凹槽；
[0010]3)通過所述凹槽對矽片進行各向異性腐蝕，形成六邊形腐蝕槽，且相鄰兩個六邊形腐蝕槽之間形成預設寬度的單晶矽薄壁結構；
[0011]4)基於自限制熱氧化工藝對矽片進行氧化，於單晶矽薄壁的頂部中央位置形成單晶娃納米線；
[0012]5)於所述介質掩膜層中形成第一窗口，並通過該第一窗口於娃片中形成重摻雜的歐姆接觸區域；
[0013]6)於所述單晶矽納米線兩端的介質掩膜層中分別形成第二窗口，並通過該第二窗口於娃片中形成源區和漏區；
[0014]7)以所述單晶矽納米線表面的介質掩膜層作為柵介質層，於所述柵介質層表面製作柵電極；
[0015]8)去除被氧化的單晶矽薄壁，釋放出所述單晶矽納米線。
[0016]作為本發明的矽納米線場效應管的製備方法一種優選方案，步驟I)所述介質掩膜層為氮化矽薄膜，採用低壓化學氣相沉積法於所述矽片表面形成所述氮化矽薄膜。
[0017]作為本發明的矽納米線場效應管的製備方法一種優選方案，步驟I)所述矩形窗口的一邊與所述矽片的I] U3日向呈20度?40度傾斜。
[0018]作為本發明的矽納米線場效應管的製備方法一種優選方案，步驟2)採用反應離子刻蝕法於所述矽片中形成凹槽，所述凹槽的深度為Ium?3um。
[0019]作為本發明的矽納米線場效應管的製備方法一種優選方案，步驟3)採用KOH溶液對所述矽片進行各向異性腐蝕。
[0020]作為本發明的矽納米線場效應管的製備方法一種優選方案，步驟3)所述單晶矽薄壁結構的寬度為300nm?500nm。
[0021]作為本發明的矽納米線場效應管的製備方法一種優選方案，步驟4)所述的單晶矽納米線的截面為倒三角形。
[0022]如上所述，本發明提供一種矽納米線場效應管的製備方法，包括步驟:1)提供一(111)型的矽片，於矽片表面形成介質掩膜層，通過光刻工藝於所述介質掩膜層中形成間隔排列的傾斜的矩形窗口 ；2)通過所述矩形窗口對所述矽片進行刻蝕，形成預設深度的凹槽；3)通過所述凹槽對矽片進行各向異性腐蝕，形成六邊形腐蝕槽，且相鄰兩個六邊形腐蝕槽之間形成預設寬度的單晶矽薄壁結構；4)基於自限制熱氧化工藝對矽片進行氧化，於單晶矽薄壁的頂部中央位置形成單晶矽納米線；5)於所述介質掩膜層中形成第一窗口，並通過該第一窗口於矽片中形成重摻雜的歐姆接觸區域；6)於所述單晶矽納米線兩端的介質掩膜層中分別形成第二窗口，並通過該第二窗口於矽片中形成源區和漏區；7)以所述單晶矽納米線表面的介質掩膜層作為柵介質層，於所述柵介質層表面製作柵電極；8)去除被氧化的單晶矽薄壁，釋放出所述單晶矽納米線。本發明具有以下優點:
[0023]I)本發明的製作成本低廉，所涉及到的步驟僅為常規的光刻、幹法刻蝕和溼法腐蝕工藝。本發明工藝實現容易，所有光刻圖形都是基於單面工藝。
[0024]2)本發明成品率高，由於保留了氮化矽掩膜層，同時巧妙的以其為絕緣層在其上製作柵極，所以在對矽納米線進行釋放時，由於矽納米線頂端貼在氮化矽薄層上，所以很少出現斷裂的情況，成品率極高。
[0025]3)本發明製備的矽納米線直徑和長度可控，通過控制矽納米線形貌可以有效控制器件的靈敏度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1a?圖1b顯示為本發明的矽納米線場效應管的製備方法步驟I)所呈現的俯視結構及截面結構示意圖，其中，圖1b為圖1a中的A-A』截面結構示意圖。
[0027]圖2a?圖2b顯示為本發明的矽納米線場效應管的製備方法步驟2)所呈現的俯視結構及截面結構示意圖，其中，圖2b為圖2a中的B-B』截面結構示意圖。
[0028]圖3a~圖3b顯示為本發明的矽納米線場效應管的製備方法步驟3)所呈現的俯視結構及截面結構示意圖，其中，圖3b為圖3a中的C-C』截面結構示意圖。
[0029]圖4a~圖4b顯示為本發明的矽納米線場效應管的製備方法步驟4)所呈現的俯視結構及截面結構示意圖，其中，圖4b為圖4a中的D-D』截面結構示意圖。
[0030]圖5顯示為本發明的矽納米線場效應管的製備方法步驟5)所呈現的俯視結構示意圖。
[0031]圖6顯示為本發明的矽納米線場效應管的製備方法步驟6)所呈現的俯視結構示意圖。
[0032]圖7顯示為本發明的矽納米線場效應管的製備方法步驟7)所呈現的俯視結構示意圖。
[0033]圖8a~圖Sb顯示為本發明的矽納米線場效應管的製備方法步驟8)所呈現的俯視結構及截面結構示意圖，其中，圖8b為圖8a中的E-E』截面結構示意圖。
[0034]元件標號說明
[0035]101矽片
[0036]102介質掩膜層
[0037]103矩形窗口
[0038]104凹槽
[0039]105六邊形腐蝕槽
[0040]106單晶矽薄壁結構
[0041]107氧化矽層
[0042]108單晶矽納米線
[0043]109歐姆接觸區域
[0044]110源區
[0045]111漏區
[0046]112柵電極
【具體實施方式】
[0047]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0048]請參閱圖1a~圖8b。需要說明的是,本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。
[0049]如圖1a~圖8b所示，本實施例提供一種矽納米線場效應管的製備方法，包括以下步驟:
[0050] 如圖1a~圖1b所示，首先進行步驟I)，提供一(111)型的矽片101，於矽片101表面形成介質掩膜層102，通過光刻工藝於所述介質掩膜層102中形成間隔排列的傾斜的矩形窗口 103。
[0051]作為示例，所述(111)型的矽片101的摻雜類型為P型摻雜。
[0052]作為示例，所述介質掩膜層102為低應力緻密的氮化矽薄膜，採用低壓化學氣相沉積法於所述矽片101表面形成所述低應力緻密的氮化矽薄膜。在本實施例中，所述氮化矽薄膜的厚度為80~120nm。
[0053]作為示例，所述矩形窗口 103的一邊與所述矽片101的丨[?11] !晶向呈20度~40度傾斜。具體地，先於所述氮化矽薄膜表面形成光刻膠，然後於光刻膠中形成窗口圖形後，採用反應離子刻蝕法RIE將該窗口圖形轉移至所述氮化矽薄膜上。
[0054]作為示例，所述矩形窗口 103的數量為至少兩個，且依據後續單晶矽薄壁結構106的厚度定義其尺寸和間距。
[0055]如圖2a~圖2b所示，然後進行步驟2)，通過所述矩形窗口 103對所述矽片101進行刻蝕，形成預設深度的凹槽104。
[0056]作為示例 ，採用反應離子刻蝕法RIE於所述矽片101中形成凹槽104，所述凹槽104的深度為Ium~3um。在本實施例中，採用深反應離子刻蝕法DRIE刻蝕出所述凹槽104，所述凹槽104的深度為2um。
[0057]如圖3a~圖3b所示,接著進行步驟3),通過所述凹槽104對娃片101進行各向異性腐蝕,形成六邊形腐蝕槽105，且相鄰兩個六邊形腐蝕槽105之間形成預設寬度的單晶矽薄壁結構106。
[0058]作為示例，採用KOH溶液對所述矽片101進行各向異性腐蝕，形成每個面都屬於{111}晶面族的六邊形腐蝕槽105。
[0059]作為示例，在所述各向異性腐蝕後，所述單晶矽薄壁結構106的寬度為300nm~500nm，在本實施例中，所述單晶矽薄壁結構106的寬度為400nm。
[0060]如圖4a~圖4b所示，然後進行步驟4)，基於自限制熱氧化工藝對矽片101進行氧化，於單晶矽薄壁的頂部中央位置形成單晶矽納米線108。
[0061]作為示例，所述的單晶矽納米線108的截面為倒三角形。需要說明的是，所述自限制氧化工藝是指，在氧化過程中，於單晶矽薄壁的頂部中央位置會形成高密度的氧化矽層107，氧化劑無法進一步對單晶矽薄壁進行氧化，所以形成截面為倒三角形的單晶矽納米線 108。
[0062]如圖5所示，接著進行步驟5)，於所述介質掩膜層102中形成第一窗口，並通過該第一窗口於矽片101中形成重摻雜的歐姆接觸區域109。
[0063]作為示例，所述的歐姆接觸區域109的摻雜離子為磷，摻雜濃度為不小於lE19cm3o
[0064]另外需要說明的是，本步驟在氮化矽上打開窗口進行重摻雜離子注入，以實現電極與矽襯底歐姆接觸，在器件工作時，可以通過該歐姆接觸區域109給矽片101提供偏置電壓，達到器件與矽片101絕緣的目的。
[0065]如圖6所示，然後進行步驟6)，於所述單晶矽納米線108兩端的介質掩膜層102中分別形成第二窗口，並通過該第二窗口於矽片101中形成源區110和漏區111。
[0066]作為示例，所述源區110及漏區111的摻雜離子為硼，摻雜濃度均為不小於lE18cm3。
[0067]如圖7所示，接著進行步驟7)，以所述單晶矽納米線108表面的介質掩膜層102作為柵介質層，於所述柵介質層表面製作柵電極112。
[0068]作為示例，所述柵電極112的材料可以是金、銅、鋁等金屬，也可以採用多晶矽材料，柵電極112的位置剛好處在整根單晶矽矽納米線的上端，同時製作源極和漏極引線。
[0069]如圖8a?圖Sb所示，最後進行步驟8)，去除被氧化的單晶矽薄壁，釋放出所述單晶娃納米線108。
[0070]如上所述，本發明提供一種矽納米線場效應管的製備方法，包括步驟:1)提供一
(111)型的矽片101，於矽片101表面形成介質掩膜層102，通過光刻工藝於所述介質掩膜層102中形成間隔排列的傾斜的矩形窗口 103 ；2)通過所述矩形窗口 103對所述矽片101進行刻蝕，形成預設深度的凹槽104 ；3)通過所述凹槽104對矽片101進行各向異性腐蝕，形成六邊形腐蝕槽105，且相鄰兩個六邊形腐蝕槽105之間形成預設寬度的單晶矽薄壁結構106 ；4)基於自限制熱氧化工藝對矽片101進行氧化，於單晶矽薄壁的頂部中央位置形成單晶矽納米線108 ；5)於所述介質掩膜層102中形成第一窗口，並通過該第一窗口於矽片101中形成重摻雜的歐姆接觸區域109 ；6)於所述單晶矽納米線108兩端的介質掩膜層102中分別形成第二窗口，並通過該第二窗口於矽片101中形成源區110和漏區111 ；7)以所述單晶矽納米線108表面的介質掩膜層102作為柵介質層，於所述柵介質層表面製作柵電極112 ；8)去除被氧化的單晶矽薄壁，釋放出所述單晶矽納米線108。本發明由於矽納米線整體貼在氮化矽薄層上，所以在對矽納米線進行釋放時，矽納米線極少出現斷裂的情況，成品率得到很大提高。所製備的納米線直徑和長度可控，且比表面積大，活性強，對水蒸汽、氨氣等化學環境靈敏度高，可以作為氣體傳感器和生化傳感器的敏感元件，具有廣闊的應用前景。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0071]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種具有懸空柵極的矽納米線場效應管的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)提供一(111)型的矽片，於矽片表面形成介質掩膜層，通過光刻工藝於所述介質掩膜層中形成間隔排列的傾斜的矩形窗口； 2)通過所述矩形窗口對所述矽片進行刻蝕，形成預設深度的凹槽； 3)通過所述凹槽對矽片進行各向異性腐蝕，形成六邊形腐蝕槽，且相鄰兩個六邊形腐蝕槽之間形成預設寬度的單晶矽薄壁結構； 4)基於自限制熱氧化工藝對矽片進行氧化，於單晶矽薄壁的頂部中央位置形成單晶矽納米線； 5)於所述介質掩膜層中形成第一窗口，並通過該第一窗口於娃片中形成重摻雜的歐姆接觸區域； 6)於所述單晶矽納米線兩端的介質掩膜層中分別形成第二窗口，並通過該第二窗口於娃片中形成源區和漏區； 7)以所述單晶矽納米線表面的介質掩膜層作為柵介質層，於所述柵介質層表面製作柵電極； 8)去除被氧化的單晶矽薄壁，釋放出所述單晶矽納米線。
2.根據權利要求1所述的矽納米線場效應管的製備方法，其特徵在於:步驟I)所述介質掩膜層為氮化矽薄膜，採用低壓化學氣相沉積法於所述矽片表面形成所述氮化矽薄膜。
3.根據權利要求1所述的矽納米線場效應管的製備方法，其特徵在於:步驟I)所述矩形窗口的一邊與所述矽片的[醜1]晶向呈20度?40度傾斜。
4.根據權利要求1所述的矽納米線場效應管的製備方法，其特徵在於:步驟2)採用反應離子刻蝕法於所述矽片中形成凹槽，所述凹槽的深度為Ium?3um。
5.根據權利要求1所述的矽納米線場效應管的製備方法，其特徵在於:步驟3)採用KOH溶液對所述矽片進行各向異性腐蝕。
6.根據權利要求1所述的矽納米線場效應管的製備方法，其特徵在於:步驟3)所述單晶娃薄壁結構的寬度為300nm?500nm。
7.根據權利要求1所述的矽納米線場效應管的製備方法，其特徵在於:步驟4)所述的單晶矽納米線的截面為倒三角形。
【文檔編號】B81C1/00GK104071745SQ201410312619
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月2日 優先權日:2014年7月2日
【發明者】楊勳, 李鐵, 張嘯, 戴鵬飛, 王躍林 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所