專利名稱：基于半導(dǎo)體材料的納米線制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米尺度的單晶硅線的制作方法，具體地說，是一種利用半導(dǎo)體工藝中的“鳥嘴”效應(yīng)和半導(dǎo)體材料的濕法腐蝕或干法刻蝕技術(shù)在介質(zhì)層上的半導(dǎo)體材料上加工納米線的方法。屬于微米納米技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在高度集成化浪潮的推動(dòng)下，現(xiàn)代技術(shù)對(duì)納米尺度功能器件的需求將越來越迫切。納米線、納米管等一維材料作為納米器件中必不可少的功能組件，在納米研究領(lǐng)域中的地位顯得越發(fā)重要。
此外，近十幾年來，凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中，人們對(duì)低維，小尺度材料的研究表現(xiàn)出濃厚的興趣。納米結(jié)構(gòu)是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展前沿中，極具挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。尤其是近年來，納米尺度的半導(dǎo)體材料線越來越受到人們的重視。一方面，因?yàn)樗鼭撛诘膽?yīng)用前景，比如半導(dǎo)體器件小型化，提高集成度，以及用于制作一些特殊器件等；另一方面，由于半導(dǎo)體材料在微小尺度下表現(xiàn)出來的特殊的物理性質(zhì)比如表面效應(yīng)，力學(xué)效應(yīng)，發(fā)光特性以及量子尺度效應(yīng)等，越來越受到科學(xué)界的重視。
因此，制造出尺度可控，并且規(guī)范統(tǒng)一的半導(dǎo)體材料納米線，成為人們努力追求的目標(biāo)。由于要利用它制作納米電子器件，所以它的純度，以及可操作性也成為衡量納米線質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
以半導(dǎo)體材料中最常用的硅材料為例，目前制作硅納米線的方法主要有三類第一類是化學(xué)氣相淀積、物理氣相淀積，激光燒蝕法以及固液固方法等生長(zhǎng)的方法，在催化劑的輔助下，在大面積的襯底上隨機(jī)地生長(zhǎng)納米線[(1)M.K.Sunkara，S.Sharma，R.Miranda，G.Lian and E.C.Dickey，Bulksynthesis of silicon nanowires using a low temperature vapor liquid solidmethod，Applied Physics letters，Vol.79，Num 10，3 September 2001；(2)馮孫齊，俞大鵬，張洪洲，白志剛，丁或，杭青嶺，鄒英華，王晶晶，一維硅納米線的生長(zhǎng)機(jī)制及其量子限制效應(yīng)的研究，中國(guó)科學(xué)A輯，第29卷，第10期，1999.10]。這樣做出來的納米線再利用各種方法將其搭在電極上，制作各種納米器件。其缺點(diǎn)是難于操作和定位，給大規(guī)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。第二類是使用電子束或者聚焦離子束直寫[[3]Toshiyuki Toriyama，Daisuke Funai and SusumuSugiyama，Piezoresistance measurement on single crystal siliconnanowires，Journal of Applied Physics Vol.93，Num 11 January 2003]。這類方法的缺點(diǎn)是制作成本昂貴，也不利于批量生產(chǎn)。第三類是利用硅材料本身特性或特殊的硅材料(例如絕緣體上的硅(SOI))，采取巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝控制，避免高精度光刻工藝的高成本，制作出符合要求的納米線[[4]H.Namatsu，M.Nagase，K.Kurihara，K.lwadate and K.Murase，10-nmSilicon Lines Fabricated in(110)Silicon，Microelectronic Engineering vol.27，71-74，1995；[5]Gen Hashiguchi and Hidenori Mimura，F(xiàn)abrication ofSilicon Quantum Wires Using Separation by lmplanted Oxygen Wafer，Jpn.J.Appl.Phys，Vol.33，L1649-L1650，1994]。這類方法利用了平面工藝的批量制作的優(yōu)勢(shì)，可以同成熟的半導(dǎo)體工藝相兼容，所制成的硅納米線尺度可控，規(guī)格統(tǒng)一，易于實(shí)現(xiàn)陣列化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于半導(dǎo)體材料納米線的制作方法。它主要利用半導(dǎo)體工藝中的“鳥嘴”效應(yīng)(Bird’s Break)和半導(dǎo)體材料的濕法腐蝕或干法刻蝕技術(shù)在介質(zhì)層上的半導(dǎo)體材料上加工制備納米尺度的線條，定位精確，工藝簡(jiǎn)單，便于集成。
本發(fā)明的目的是通過以下方法達(dá)到的(1)選擇介質(zhì)層上的半導(dǎo)體材料，如SOI硅片，藍(lán)寶石上的硅(SOS)等，上面有頂層介質(zhì)1，中間介質(zhì)2和襯底3。
(2)選擇性地在頂層介質(zhì)1的表面形成保護(hù)膜4，如圖1(a)所示。
(3)去掉未被保護(hù)的頂層介質(zhì)1，暴露出未被去掉的頂層介質(zhì)1的前側(cè)壁5，如圖1(b)所示。
(4)形成另一層保護(hù)膜6，將前側(cè)壁5保護(hù)起來，由于保護(hù)膜4和頂層介質(zhì)1的結(jié)合不是十分緊密，其界面存在應(yīng)力，所以在形成保護(hù)膜6的過程中，保護(hù)膜6會(huì)擠進(jìn)保護(hù)膜4和被保護(hù)的頂層介質(zhì)1之間，形成類似于鳥嘴形狀的結(jié)構(gòu)，即產(chǎn)生所謂“鳥嘴效應(yīng)”，這個(gè)結(jié)構(gòu)在本發(fā)明中被標(biāo)號(hào)為鳥嘴7，其成分與保護(hù)膜6相同，如圖1(c)所示。
(5)去掉殘留的保護(hù)膜4，同時(shí)保留保護(hù)膜6和鳥嘴7，如圖1(d)所示。
(6)去掉不在保護(hù)膜6和鳥嘴7下方的頂層介質(zhì)1，同時(shí)保護(hù)膜6和鳥嘴7下方的頂層介質(zhì)1會(huì)被部分保留下來，其邊緣部分形成后側(cè)壁8，后側(cè)壁8和前側(cè)壁5之間即形成中間介質(zhì)層2上的納米線9，其成分與頂層介質(zhì)1相同，如圖1(e)所示。
在此基礎(chǔ)上，對(duì)納米線進(jìn)行工藝減細(xì)(例如氧化等)，得到更細(xì)的納米線。
根據(jù)需要，可以去掉納米線9下方的中間介質(zhì)層2，形成懸空的納米線9(如圖1(f)所示)，或者在上述步驟(2)之前，選擇性地對(duì)頂層介質(zhì)1材料進(jìn)行摻雜，可以制作不同導(dǎo)電類型的納米線9。摻雜的方式包括擴(kuò)散和離子注入等，摻雜的類型包括硼、磷或其它摻雜材料等。
本發(fā)明提供的制作方法可用于(100)、(110)晶向的SOI硅片和硅的各向異性腐蝕技術(shù)制作近似矩形或梯形截面納米硅線或利用任意晶向SOI硅片和硅的各向同性腐蝕、刻蝕技術(shù)制作近似矩形截面的納米硅線。
與現(xiàn)有的方法比較，此方法具有以下特點(diǎn)(1)利用半導(dǎo)體工藝中的固有效應(yīng)(鳥嘴效應(yīng))形成掩模，有自對(duì)準(zhǔn)效果，可靠性好，大大降低了光刻工藝的難度。
(2)應(yīng)用半導(dǎo)體材料廣泛，通過不同的腐蝕技術(shù)(濕法各向異性性腐蝕、濕法各向同性腐蝕、干法刻蝕等)，可以分別在(100)面、(110)面或任意晶面的單晶硅表面制作不同截面形狀或不同走向的硅納米線。
(3)工藝簡(jiǎn)單，加工成本低，可批量生產(chǎn)。
使用本發(fā)明提供的方法制作的納米硅線，可以用于研究低維半導(dǎo)體性質(zhì)，還可以做成傳感器件、電子器件、光波導(dǎo)器件、發(fā)光器件等，并且可以批量生產(chǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。


圖1本發(fā)明中納米線的制作方法示意圖；圖2利用(100)晶面頂層硅的SOI硅片制作等腰梯形截面的硅納米線工藝步驟；圖3利用(100)晶面頂層硅的SOI硅片制作矩形截面的硅納米線工藝步驟；圖4利用(110)晶面頂層硅的SOI硅片制作矩形截面的硅納米線工藝步驟；圖5利用SOI硅片和硅的各向同性腐蝕技術(shù)制作納米硅梁工藝步驟；圖6利用SOI硅片和硅的干法刻蝕技術(shù)制作納米硅梁工藝步驟；圖7先用硅的各向異性腐蝕，再用各向同性腐蝕技術(shù)制作納米硅梁工藝步驟；
圖8先用硅的各向同性腐蝕，再用各向異性腐蝕技術(shù)制作納米硅梁工藝步驟；圖9先用硅的各向異性腐蝕，再用硅的干法刻蝕技術(shù)制作納米硅梁工藝步驟；圖10先用硅的干法刻蝕技術(shù)，再用硅的各向異性腐蝕制作納米硅梁工藝步驟；圖11先用硅的干法刻蝕技術(shù)，再用硅的各向同性腐蝕技術(shù)制作納米硅梁工藝步驟；圖12先用硅的各向同性腐蝕技術(shù)，再用硅的干法刻蝕技術(shù)制作納米硅梁工藝步驟；圖13制作成的納米線PN結(jié)示意圖。
圖1和圖2中(a)→(f)為制備工藝過程的具體流程，圖3-13為工藝步驟更改后的工藝示意圖(詳見相應(yīng)實(shí)施例說明)圖2、3、4、5、7、8、9、10中所示的座標(biāo)軸表示工藝步驟中相應(yīng)的SOI材料取向。
圖中1頂層介質(zhì) 2中間介質(zhì) 3襯底 4保護(hù)膜 5前側(cè)壁6保護(hù)膜 7鳥嘴 8后側(cè)壁 9納米線 10摻雜的頂層介質(zhì)具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例來說明本發(fā)明的具體應(yīng)用，半導(dǎo)體介質(zhì)材料選用SOI硅片，但是本發(fā)明的應(yīng)用不僅局限于SOI材料，也不僅局限于實(shí)施例。
實(shí)施例1利用(100)的頂層硅的SOI硅片制作等腰梯形截面納米硅梁(圖2)選擇SOI硅片，頂層介質(zhì)1為<100>晶向的單晶硅面，中間介質(zhì)2的成分為氧化硅，襯底3的成分為硅，保護(hù)膜4的成分為氮化硅，保護(hù)膜6的成分為氧化硅，制作中間介質(zhì)2上的硅納米線9。然后利用稀釋的氫氟酸掏空頂層介質(zhì)1上面下面的中間介質(zhì)2，就成為空氣中的納米硅梁。該器件的具體制作工藝如下(1)(100)晶向的SOI材料，單晶硅頂層介質(zhì)1的厚度為小于300nm，清洗后淀積氮化硅形成保護(hù)膜4。
(2)光刻氮化硅保護(hù)膜4，邊界線條沿<110>方向，如圖2(a)所示。
(3)利用硅的各向異性腐蝕液(如氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨溶液等)腐蝕硅頂層介質(zhì)1至氧化硅中間介質(zhì)層2，硅頂層介質(zhì)1的(111)面由于腐蝕速率極低而出現(xiàn)自停止，形成前側(cè)壁5，前側(cè)壁5與底面夾角為54.7°，前側(cè)壁5的高度為硅頂層介質(zhì)1的厚度。如圖2(b)所示。
(4)清洗后生長(zhǎng)一層氧化硅，形成保護(hù)膜6和鳥嘴7，如圖2(c)所示。
(5)去除氮化硅保護(hù)膜4，露出下面的硅頂層介質(zhì)1和氧化硅鳥嘴7，如圖2(d)所示。
(6)使用硅的各向異性腐蝕液(如氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨溶液等)腐蝕沒有氧化硅前側(cè)壁5和鳥嘴7遮擋的硅頂層介質(zhì)1，在硅頂層介質(zhì)1的(111)面出現(xiàn)自停止，在另一方向形成后側(cè)壁8，后側(cè)壁8與底面夾角也為54.7°。兩側(cè)壁所夾的區(qū)域(橫截面為近似等腰梯形的棱柱)即為單晶硅納米線9，如圖2(e)所示。
(7)清洗后利用稀釋氫氟酸等溶液去除氧化硅保護(hù)膜6和硅納米線9下方的氧化硅中間介質(zhì)層2，即形成懸空的硅納米線9，如圖2(f)所示。
實(shí)施例2利用(100)的頂層硅的SOI硅片制作近似矩形截面納米硅梁實(shí)施例1中的制作工藝步驟做如下更改(步驟編號(hào)同實(shí)施例1，實(shí)施例1中步驟(2)(3)(6)依次作如下改動(dòng)，其余與實(shí)施例1相同)(2)光刻氮化硅保護(hù)膜4，邊界線條沿<100>方向，如圖3(a)所示。
(3)利用硅的各向異性腐蝕液(如氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨溶液等)腐蝕硅頂層介質(zhì)1至氧化硅中間介質(zhì)2，由于腐蝕液向下和側(cè)向的腐蝕速率相同(其腐蝕面均為(100)面)，所以形成近似垂直的前側(cè)壁5，前側(cè)壁5的高度為硅頂層介質(zhì)1的厚度，如圖3(b)所示。
(6)使用硅的各向異性腐蝕液(如氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨溶液等)腐蝕沒有氧化硅前側(cè)壁5和鳥嘴7遮擋的硅頂層介質(zhì)1，形成垂直后側(cè)壁8。硅后側(cè)壁8與硅前側(cè)壁5所夾區(qū)域(橫截面為近似矩形的棱柱)即為單晶硅納米線9，如圖3(c)所示。
實(shí)施例3利用(110)的頂層硅的SOI硅片制作近似矩形截面納米硅梁實(shí)施例1中的半導(dǎo)體材料換為硅頂層介質(zhì)為<110>晶向的SOI硅片，制作工藝步驟依次做如下更改，其余與實(shí)施例1相同(2)光刻氮化硅保護(hù)膜4，邊界線條沿<112>晶向，如圖4(a)所示。
(3)利用硅的各向異性腐蝕液(如氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨溶液等)腐蝕硅頂層介質(zhì)1至氧化硅中間介質(zhì)2，出現(xiàn)垂直于底面的(111)慢腐蝕面，形成垂直的前側(cè)壁5，如圖4(b)所示。
(6)使用硅的各向異性腐蝕液(如氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨溶液等)腐蝕沒有氧化硅前側(cè)壁5和鳥嘴7遮擋的硅頂層介質(zhì)1，形成垂直后側(cè)壁8。硅后側(cè)壁8與硅前側(cè)壁5所夾區(qū)域(橫截面為近似矩形的棱柱)即為單晶硅納米線9，如圖4(c)所示。
實(shí)施例4利用SOI硅片和硅的各向同性腐蝕技術(shù)制作納米硅梁實(shí)施例1中的半導(dǎo)體材料中硅頂層介質(zhì)可為任意晶向的SOI硅片，制作工藝步驟依次做如下更改，其余與實(shí)施例1相同(2)光刻氮化硅保護(hù)膜4，邊界線條可為任意方向，如圖5(a)所示。
(3)利用硅的各向同性腐蝕液(如氫氟酸、硝酸、醋酸的混合液等)，控制攪拌程度和腐蝕時(shí)間，腐蝕硅頂層介質(zhì)1至氧化硅中間介質(zhì)2時(shí)停止腐蝕，形成近似圓弧的前側(cè)壁5，如圖5(b)所示。
(6)使用硅的各向同性腐蝕液(如氫氟酸、硝酸、醋酸的混合液等)腐蝕沒有氧化硅前側(cè)壁5和鳥嘴7遮擋的硅頂層介質(zhì)1，形成圓弧后側(cè)壁8。硅后側(cè)壁8與硅前側(cè)壁5所夾的區(qū)域即為單晶硅納米線9，如圖5(c)所示。
實(shí)施例5利用SOI硅片和硅的干法刻蝕技術(shù)制作納米硅梁實(shí)施例4制作工藝步驟做如下更改(步驟編號(hào)同實(shí)施例1)(3)利用硅的干法刻蝕技術(shù)，刻蝕硅頂層介質(zhì)1至氧化硅中間介質(zhì)2時(shí)停止刻蝕，形成近似垂直的前側(cè)壁5，如圖6(a)和(b)所示。
(6)使用硅的干法刻蝕技術(shù)刻蝕掉沒有氧化硅前側(cè)壁5和鳥嘴7遮擋的硅頂層介質(zhì)1，形成圓弧后側(cè)壁8。硅后側(cè)壁8與硅前側(cè)壁5所夾的區(qū)域即為單晶硅納米線9，如圖6(c)所示。
其余同實(shí)施例4。
實(shí)施例6利用硅的各向異性腐蝕與各向同性腐蝕技術(shù)相結(jié)合制作納米硅梁實(shí)施例1、2、3的制作工藝步驟可分別做如下更改(步驟編號(hào)同實(shí)施例1)(6)使用硅的各向同性腐蝕液(如氫氟酸、硝酸、醋酸的混合液等)腐蝕沒有氧化硅前側(cè)壁5和鳥嘴7遮擋的硅頂層介質(zhì)1，形成圓弧后側(cè)壁8。硅后側(cè)壁8與硅前側(cè)壁5所夾的區(qū)域即為單晶硅納米線9。
實(shí)施例1、2、做上述更改后該工藝步驟示意圖分別如圖7(a)、(b)、(c)所示。其余分別同實(shí)施例1、2、3。
實(shí)施例7利用硅的各向異性腐蝕與各向同性腐蝕技術(shù)相結(jié)合制作納米硅梁實(shí)施例1、2、3的制作工藝步驟可分別做如下更改(步驟編號(hào)同實(shí)施例1)(3)利用硅的各向同性腐蝕液(如氫氟酸、硝酸、醋酸的混合液等)，控制攪拌程度和腐蝕時(shí)間，腐蝕硅頂層介質(zhì)1至氧化硅中間介質(zhì)2時(shí)停止腐蝕，形成近似圓弧的前側(cè)壁5。
實(shí)施例1、2、3做上述更改后該工藝步驟示意圖分別如圖8(a)、(b)、(c)所示。
實(shí)施例1、2、3中步驟(6)的括號(hào)中關(guān)于硅納米線9橫截面的說明部分刪除，其余分別同實(shí)施例1、2、3。
實(shí)施例8利用硅的各向異性腐蝕與干法刻蝕技術(shù)相結(jié)合制作納米硅梁實(shí)施例6的制作工藝步驟做如下更改(步驟編號(hào)同實(shí)施例1)(6)使用硅的干法刻蝕技術(shù)刻蝕掉沒有氧化硅前側(cè)壁5和鳥嘴7遮擋的硅頂層介質(zhì)1，形成近似垂直后側(cè)壁8。硅后側(cè)壁8與硅前側(cè)壁5所夾的區(qū)域即為單晶硅納米線9。
做上述更改后實(shí)施例6的示意7(a)、(b)、(c)相應(yīng)改為圖9(a)、(b)、(c)。其余分別同實(shí)施例6。
實(shí)施例9利用硅的各向異性腐蝕與干法刻蝕技術(shù)相結(jié)合制作納米硅梁實(shí)施例7的制作工藝步驟做如下更改(步驟編號(hào)同實(shí)施例1)(3)利用硅的干法刻蝕技術(shù)，刻蝕硅頂層介質(zhì)1至氧化硅中間介質(zhì)2時(shí)停止刻蝕，形成近似垂直的前側(cè)壁5。
做上述更改后實(shí)施例7的示意8(a)、(b)、(c)相應(yīng)改為圖10(a)、(b)、(c)。其余分別同實(shí)施例7。
實(shí)施例10利用硅的各向同性腐蝕與干法刻蝕技術(shù)相結(jié)合制作納米硅梁實(shí)施例4的制作工藝步驟做如下更改(步驟編號(hào)同實(shí)施例1)(3)利用硅的干法刻蝕技術(shù)，刻蝕硅頂層介質(zhì)1至氧化硅中間介質(zhì)2時(shí)停止刻蝕，形成近似垂直的前側(cè)壁5。
實(shí)施例4做上述更改后該步驟示意圖如圖11所示。其余分別同實(shí)施例4。
實(shí)施例11利用硅的各向同性腐蝕與干法刻蝕技術(shù)相結(jié)合制作納米硅梁實(shí)施例4的制作工藝步驟做如下更改(步驟編號(hào)同實(shí)施例1)(6)利用使用硅的干法刻蝕技術(shù)刻蝕掉沒有氧化硅前側(cè)壁5和鳥嘴7遮擋的硅頂層介質(zhì)1，形成圓弧后側(cè)壁8。硅后側(cè)壁8與硅前側(cè)壁5所夾的區(qū)域即為單晶硅納米線9。
實(shí)施例4做上述更改后該步驟示意圖如圖12所示。其余分別同實(shí)施例4。
實(shí)施例12制作納米硅線上的PN結(jié)選擇N型襯底，在制作納米線之前預(yù)先對(duì)特定的區(qū)域進(jìn)行硼擴(kuò)散，這一區(qū)域的硅頂層介質(zhì)編號(hào)為摻雜區(qū)頂層介質(zhì)10。使將來要制作的納米線，縱向有一半成為P型。然后再按照前面實(shí)施例1至12所述的工藝過程制作納米硅線。制作成的納米硅線上的PN結(jié)如圖13所示。
權(quán)利要求
1.一種基于半導(dǎo)體材料的納米線制作方法，其特征在于其制作工藝為(a)選擇SOI硅片或藍(lán)寶石上的硅為介質(zhì)層上的半導(dǎo)體材料，上面有頂層介質(zhì)(1)，中間介質(zhì)(2)和襯底(3)；(b)在頂層介質(zhì)(1)的表面形成保護(hù)膜(4)；(c)去掉未被保護(hù)的頂層介質(zhì)(1)，暴露出未被去掉的頂層介質(zhì)(1)的前側(cè)壁(5)；(d)形成另一層保護(hù)膜(6)，將前側(cè)壁(5)保護(hù)起來，在形成保護(hù)膜(6)的過程中，保護(hù)膜(6)擠進(jìn)保護(hù)膜(4)和被保護(hù)的頂層介質(zhì)(1)之間，形成類似于鳥嘴形狀的結(jié)構(gòu)，即產(chǎn)生所謂“鳥嘴效應(yīng)”；(e)去掉殘留的保護(hù)膜(4)，同時(shí)保留保護(hù)膜(6)和鳥嘴(7)；(f)去掉不在保護(hù)膜(6)和鳥嘴(7)下方的頂層介質(zhì)(1)，同時(shí)保護(hù)膜(6)和鳥嘴(7)下方的頂層介質(zhì)(1)被部分保留下來，其邊緣部分形成后側(cè)壁(8)，后側(cè)壁(8)和前側(cè)壁(5)之間即形成中間介質(zhì)層(2)上的納米線(9)，其成分與頂層介質(zhì)1相同。
2.按權(quán)利要求1所述一種基于半導(dǎo)體材料的納米線制作方法，其特征在于所述的納米線或?yàn)榻凭匦位蛱菪谓孛妗?br> 3.按權(quán)利要求1或2所述一種基于半導(dǎo)體材料的納米線制作方法，其特征在于去掉所述的納米線(9)下方的中間介質(zhì)層(2)形成懸空的納米線。
4.按權(quán)利要求1所述一種基于半導(dǎo)體材料的納米線制作方法，其特征在于在頂層介質(zhì)(1)的表面形成保護(hù)膜(4)之前，選擇性地對(duì)頂層介質(zhì)(1)材料進(jìn)行摻雜，從而制作出不同導(dǎo)電類型的納米線(9)；所述的摻雜類型為硼或磷或其他摻雜；摻雜的方式為擴(kuò)散或離子注入。
5.按權(quán)利要求1所述一種基于半導(dǎo)體材料的納米線制作方法，其特征在于(A)利用(100)頂層硅的SOI制作等腰梯形納米硅梁，其制作工藝為(a)取(100)晶向的SOI材料，單晶硅頂層介質(zhì)(1)的厚度為小于300nm，清洗后淀積氮化硅形成保護(hù)膜(4)；(b)光刻氮化硅保護(hù)膜(4)，邊界線條沿<110>方向；(c)以氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨溶液為硅的各向異性腐蝕液，腐蝕硅頂層介質(zhì)(1)至氧化硅中間介質(zhì)層(2)，硅頂層介質(zhì)(1)的(111)面出現(xiàn)自停止，形成前側(cè)壁(5)，前側(cè)壁(5)與底面夾角為54.7°，前側(cè)壁(5)的高度為硅頂層介質(zhì)(1)的厚度；(d)清洗后生長(zhǎng)一層氧化硅，形成保護(hù)膜(6)和鳥嘴(7)；(e)去除氮化硅保護(hù)膜(4)，露出下面的硅頂層介質(zhì)(1)和氧化硅鳥嘴(7)；(f)再使用氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨溶液硅的各向異性腐蝕液，腐蝕沒有氧化硅前側(cè)壁(5)和鳥嘴(7)遮擋的硅頂層介質(zhì)(1)，在硅頂層介質(zhì)(1)的(111)面出現(xiàn)自停止，在另一方向形成后側(cè)壁8，后側(cè)壁8與底面夾角也為54.7°；兩側(cè)壁所夾的區(qū)域?yàn)閱尉Ч杓{米線9；其橫截面為近似等腰梯形的棱柱；(g)清洗后利用稀釋氫氟酸溶液去除氧化硅保護(hù)膜(6)和硅納米線(9)下方的氧化硅中間介質(zhì)層(2)，即形成懸空的硅納米線(9)；(B)利用(110)的頂層硅的SOI制作近似矩形截面的制作工藝為(a)取(100)晶向的SOI材料，單晶硅頂層介質(zhì)(1)的厚度為小于300nm，清洗后淀積氮化硅形成保護(hù)膜(4)；(b)光刻氮化硅保護(hù)膜4，邊界線條沿<112>晶向；(c)以氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨溶液為硅的各向異性腐蝕液，腐蝕硅頂層介質(zhì)(1)至氧化硅中間介質(zhì)(2)，出現(xiàn)垂直于底面的(111)慢腐蝕面，形成垂直的前側(cè)壁(5)；(d)清洗后生長(zhǎng)一層氧化硅，形成保護(hù)膜(6)和鳥嘴(7)；(e)去除氮化硅保護(hù)膜(4)，露出下面的硅頂層介質(zhì)(1)和氧化硅鳥嘴(7)；(f)使用氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨溶液為硅的各向異性腐蝕液腐蝕沒有氧化硅前側(cè)壁(5)和鳥嘴(7)遮擋的硅頂層介質(zhì)(1)，形成垂直后側(cè)壁(8)。硅后側(cè)壁(8)與硅前側(cè)壁(5)所夾區(qū)域即為單晶硅納米線(9)，橫截面為近似矩形的棱柱；(g)清洗后利用稀釋氫氟酸溶液去除氧化硅保護(hù)膜(6)和硅納米線(9)下方的氧化硅中間介質(zhì)層(2)，即形成懸空的硅納米線(9)；
6.按權(quán)利要求1所述一種基于半導(dǎo)體材料的納米線制作方法，其特征在于利用SOI硅片和硅的各向同性腐蝕技術(shù)制作納米硅梁，其制作工藝為(a)取任間晶向的SOI材料，單晶硅頂層介質(zhì)(1)的厚度小于300nm，清洗后沉積氮化硅形成保護(hù)膜(4)；(b)光刻氮化硅保護(hù)膜(4)，邊界線條可為任意方向；(c)利用氫氟酸、硝酸、醋酸的混合液硅的各向同性腐蝕液，腐蝕硅頂層介質(zhì)1至氧化硅中間介質(zhì)2時(shí)停止腐蝕，形成近似圓弧的前側(cè)壁(5)；(d)清洗后生長(zhǎng)一層氧化硅，形成保護(hù)膜(6)和鳥嘴(7)；(e)去除氮化硅保護(hù)膜(4)，露出下面的硅頂層介質(zhì)(1)和氧化硅鳥嘴(7)；(f)使用上述硅的各向同性腐蝕液腐蝕沒有氧化硅的前側(cè)壁5和鳥嘴7遮擋的硅頂層介質(zhì)1，形成圓弧后側(cè)壁8，硅后側(cè)壁8與硅前側(cè)壁5所夾的區(qū)域即為單晶硅納米線9；(g)清洗后利用稀釋氫氟酸溶液去除氧化硅保護(hù)膜(6)和硅納米線(9)下方的氧化硅中間介質(zhì)層(2)，即形成懸空的硅納米線(9)；
7.按權(quán)利要求1所述一種基于半導(dǎo)體材料的納米線制作方法，其特征在于利用SOI硅片和硅的干法刻蝕技術(shù)制作納米硅梁，其制作工藝為(a)取(100)晶向的SOI材料，單晶硅頂層介質(zhì)(1)的厚度為小于300nm，清洗后淀積氮化硅形成保護(hù)膜(4)；(b)光刻氮化硅保護(hù)膜(4)，邊界線條沿<110>方向；(c)利用硅的干法刻蝕技術(shù)，刻蝕硅頂層介質(zhì)(1)至氧化硅中間介質(zhì)(2)時(shí)停止刻蝕，形成近似垂直的前側(cè)壁(5)；(d)清洗后生長(zhǎng)一層氧化硅，形成保護(hù)膜(6)和鳥嘴(7)；(e)去除氮化硅保護(hù)膜(4)，露出下面的硅頂層介質(zhì)(1)和氧化硅鳥嘴(7)；(f)使用硅的干法刻蝕技術(shù)刻蝕掉沒有氧化硅前側(cè)壁(5)和鳥嘴(7)遮擋的硅頂層介質(zhì)(1)，形成圓弧后側(cè)壁(8)。硅后側(cè)壁(8)，與硅前側(cè)壁(5)所夾的區(qū)域即為單晶硅納米線(9)；
8.按權(quán)利要求1所述一種基于半導(dǎo)體材料的納米線制作方法，其特征在于利用硅的各向異性腐蝕與各向同性腐蝕相結(jié)合制作納米硅梁，其制作工藝為(a)取(100)晶向的SOI材料，單晶硅頂層介質(zhì)(1)的厚度為小于300nm，清洗后淀積氮化硅形成保護(hù)膜(4)；(b)光刻氮化硅保護(hù)膜(4)，邊界線條沿<110>方向；(c)以氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨溶液為硅的各向異性腐蝕液，腐蝕硅頂層介質(zhì)(1)至氧化硅中間介質(zhì)層(2)，硅頂層介質(zhì)(1)的(111)面出現(xiàn)自停止，形成前側(cè)壁(5)，前側(cè)壁(5)與底面夾角為54.7°，前側(cè)壁(5)的高度為硅頂層介質(zhì)(1)的厚度；(d)清洗后生長(zhǎng)一層氧化硅，形成保護(hù)膜(6)和鳥嘴(7)；(e)去除氮化硅保護(hù)膜(4)，露出下面的硅頂層介質(zhì)(1)和氧化硅鳥嘴(7)；(f)使用氫氟酸、硝酸、醋酸的混合液為硅的各向同性腐蝕液腐蝕沒有氧化硅前側(cè)壁(5)和鳥嘴(7)遮擋的硅頂層介質(zhì)(1)，形成圓弧形或近圓弧形的后側(cè)壁(8)，硅后側(cè)壁(8)與硅前側(cè)壁(5)所夾的區(qū)域即為單晶硅納米線9；
9.按權(quán)利要求1所述一種基于半導(dǎo)體材料的納米線制作方法，其特征在于所述的利用硅的各向異性腐蝕與干法刻蝕技術(shù)相結(jié)合制作硅納米硅梁，其制作工藝可選擇下述兩種中的任意一種(A)(a)取(100)晶向的SOI材料，單晶硅頂層介質(zhì)(1)的厚度為小于300nm，清洗后淀積氮化硅形成保護(hù)膜(4)；(b)光刻氮化硅保護(hù)膜(4)，邊界線條沿<110>方向；(c)利用氫氟酸、硝酸、醋酸的混合液為硅的各向同性腐蝕液控制攪拌程度和腐蝕時(shí)間，腐蝕硅頂層介質(zhì)(1)至氧化硅中間介質(zhì)(2)時(shí)停止腐蝕，形成近似圓弧的前側(cè)壁(5)；(d)清洗后生長(zhǎng)一層氧化硅，形成保護(hù)膜(6)和鳥嘴(7)；(e)去除氮化硅保護(hù)膜(4)，露出下面的硅頂層介質(zhì)(1)和氧化硅鳥嘴(7)；(f)再使用氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨溶液硅的各向異性腐蝕液，腐蝕沒有氧化硅前側(cè)壁(5)和鳥嘴(7)遮擋的硅頂層介質(zhì)(1)，在硅頂層介質(zhì)(1)的(111)面出現(xiàn)自停止，在另一方向形成后側(cè)壁8，后側(cè)壁8與底面夾角也為54.7°，兩側(cè)壁所夾的區(qū)域?yàn)閱尉Ч杓{米線9；其橫截面為近似等腰梯形的棱柱；(B)(a)取(100)晶向的SOI材料，單晶硅頂層介質(zhì)(1)的厚度為小于300nm，清洗后淀積氮化硅形成保護(hù)膜(4)；(b)光刻氮化硅保護(hù)膜(4)，邊界線條沿<110>方向；(c)以氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨溶液為硅的各向異性腐蝕液，腐蝕硅頂層介質(zhì)(1)至氧化硅中間介質(zhì)層(2)，硅頂層介質(zhì)(1)的(111)面出現(xiàn)自停止，形成前側(cè)壁(5)，前側(cè)壁(5)與底面夾角為54.7°，前側(cè)壁(5)的高度為硅頂層介質(zhì)(1)的厚度；(d)清洗后生長(zhǎng)一層氧化硅，形成保護(hù)膜(6)和鳥嘴(7)；(e)去除氮化硅保護(hù)膜(4)，露出下面的硅頂層介質(zhì)(1)和氧化硅鳥嘴(7)；(f)使用硅的干法刻蝕技術(shù)刻蝕掉沒有氧化硅前側(cè)壁(5)和鳥嘴(7)遮擋的硅頂層介質(zhì)(1)，形成近似垂直后側(cè)壁(8)，硅后側(cè)壁(8)與硅前側(cè)壁(5)所夾的區(qū)域即為單晶硅納米線(9)；(g)清洗后利用稀釋氫氟酸溶液去除氧化硅保護(hù)膜(6)和硅納米線(9)下方的氧化硅中間介質(zhì)層(2)，即形成懸空的硅納米線(9)；
10.按權(quán)利要求1所述一種基于半導(dǎo)體材料的納米線制作方法，其特征在于所述的利用硅的各向同性腐蝕與干法刻蝕相結(jié)合制作納米硅梁，其制作工藝可選用下述兩種工藝中的任意一種(A)(a)取任間晶向的SOI材料，單晶硅頂層介質(zhì)(1)的厚度小于300nm，清洗后沉積氮化硅形成保護(hù)膜(4)；(b)光刻氮化硅保護(hù)膜(4)，邊界線條可為任意方向；(c)利用硅的干法刻蝕技術(shù)，刻蝕硅頂層介質(zhì)(1)至氧化硅中間介質(zhì)(2)時(shí)停止刻蝕，形成近似垂直的前側(cè)壁5；(d)清洗后生長(zhǎng)一層氧化硅，形成保護(hù)膜(6)和鳥嘴(7)；(e)去除氮化硅保護(hù)膜(4)，露出下面的硅頂層介質(zhì)(1)和氧化硅鳥嘴(7)；(f)使用氫氟酸、硝酸、醋酸的混合液為硅的各向同性腐蝕液，腐蝕沒有氧化硅的前側(cè)壁(5)和鳥嘴(7)遮擋的硅頂層介質(zhì)(1)，形成圓弧后側(cè)壁(8)，硅后側(cè)壁(8)與硅前側(cè)壁(5)所夾的區(qū)域即為單晶硅納米線(9)；(g)清洗后利用稀釋氫氟酸溶液去除氧化硅保護(hù)膜(6)和硅納米線(9)下方的氧化硅中間介質(zhì)層(2)，即形成懸空的硅納米線(9)；(B)(a)取任間晶向的SOI材料，單晶硅頂層介質(zhì)(1)的厚度小于300nm，清洗后沉積氮化硅形成保護(hù)膜(4)；(b)光刻氮化硅保護(hù)膜(4)，邊界線條可為任意方向；(c)利用氫氟酸、硝酸、醋酸的混合液硅的各向同性腐蝕液，腐蝕硅頂層介質(zhì)1至氧化硅中間介質(zhì)2時(shí)停止腐蝕，形成近似圓弧的前側(cè)壁(5)；(d)清洗后生長(zhǎng)一層氧化硅，形成保護(hù)膜(6)和鳥嘴(7)；(e)去除氮化硅保護(hù)膜(4)，露出下面的硅頂層介質(zhì)(1)和氧化硅鳥嘴(7)；(f)利用使用硅的干法刻蝕技術(shù)刻蝕掉沒有氧化硅前側(cè)壁(5)和鳥嘴(7)遮擋的硅頂層介質(zhì)(1)，形成圓弧后側(cè)壁(8)，硅后側(cè)壁(8)與硅前側(cè)壁(5)所夾的區(qū)域即為單晶硅納米線(9)；(g)清洗后利用稀釋氫氟酸溶液去除氧化硅保護(hù)膜(6)和硅納米線(9)下方的氧化硅中間介質(zhì)層(2)，即形成懸空的硅納米線(9)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于半導(dǎo)體材料納米線的制作方法。其特征在于利用半導(dǎo)體工藝中“鳥嘴”效應(yīng)和半導(dǎo)體材料的濕法腐蝕或干法刻蝕技術(shù)在介質(zhì)層上的半導(dǎo)體材料上加工制備出納米尺度的線條，近似矩形或梯形截面，且可在頂層介質(zhì)的表面形成保護(hù)膜之前，進(jìn)行硼、磷等摻雜。方法包括(1)利用(100)或(110)晶面頂層硅的SOI硅片；(2)利用SOI硅片和硅的各向同性或干法刻蝕腐蝕技術(shù)；(3)先用硅的干法刻蝕技術(shù)再用硅的各向異性或各向同性腐蝕制作；(4)先用硅的各向同性腐蝕技術(shù)，再用硅的干法刻蝕技術(shù)制作等。具有工藝簡(jiǎn)單、加工成本低、適用于批量生產(chǎn)特點(diǎn)，制成的納米線可做成傳感器件、電子器件以及光波導(dǎo)器件，發(fā)光器件，有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01L21/308GK1560906SQ20041001646
公開日2005年1月5日 申請(qǐng)日期2004年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月20日
發(fā)明者向民, 劉文平, 王躍林, 向 民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究