一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法及其结构技术

本发明专利技术提供一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法，所述方法包括：提供(111)型SOI硅片，包括底层硅、氧化层及顶层硅；并在顶层硅表面形成氮化硅掩膜层，而后通过半导体工艺在(111)型SOI硅片上制备出硅纳米线阵列，再将硅纳米线阵列中每条硅纳米线表面的氮化硅掩膜层作为栅介质层，并在其上制作栅极，同时在硅纳米线阵列两端制作源、漏极，并通过隔离沟道将源、漏极进行物理隔离，最终形成硅纳米线阵列场效应管。通过本发明专利技术提供的圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法及其结构，解决了现有技术中基于硅片制备硅纳米线阵列时无法实现高可控性及高一致性的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料的制备领域，特别是涉及一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法及其结构。
技术介绍
纳米技术是融合了许多学科的新兴高新科技，其中纳米材料是纳米技术非常重要的研究方向。近年来，纳米技术的研究和新纳米材料的开发都取得了长足的发展，并且在生物、医疗、环境等行业得到了应用。当物质的特征尺寸减小到纳米尺度时，相关力学、热学、光学和电学等性能会发生明显变化，出现了表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等新颖的物理现象。由于传感器领域对灵敏度要求的不断提高，人们纷纷将目光投向纳米
，硅纳米线作为一种新型一维纳米材料，具有优异力、热、光、电等性能，其比表面积大，外界环境能够引起材料本身性质发生很大改变，所以该材料具有极大的潜力提升传感器灵敏度，具有广阔的应用前景。基于硅纳米线的场效应管既能保留硅纳米线的优异性能，同时还能通过控制外设电路让器件工作在稳定的工作点，得到更加准确的反馈，所以基于硅纳米线的场效应管在传感器领域具有巨大的应用优势。但现有技术采用普通(111)型硅片，由于在硅片上不同区域干法刻蚀速率不同，所以会导致不同区域硅槽的深度不同，如图1至图3所示，其中，图1为现有技术中通过干法刻蚀形成五个不同深度硅槽的结构示意图，图2为对图1所述硅槽进行湿法腐蚀后形成四个不同厚度硅墙壁的结构示意图，图3为对图2所述硅墙壁进行氧化，形成硅纳米线的结构示意图。如图1至图3所示，从左至右看，由于第一个硅墙壁太厚，导致氧化后仍然为硅墙壁；而由于第二个硅墙壁较厚，导致氧化后得到的硅纳米线3的直径较大；而对第三个硅墙壁氧化后得到正常的硅纳米线3；由于第五个硅槽太深，导致湿法腐蚀后未出现硅墙壁。可见，基于普通硅片1制备硅纳米线阵列时，由于干法刻蚀在硅片上不同位置的刻蚀速率不同，使得刻蚀的硅槽深度不同，导致硅薄壁的厚度不同，最终导致硅纳米线阵列中各硅纳米线的尺寸不同。鉴于此，有必要提供一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法及其结构用以解决上述问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法及其结构，用于解决现有技术中基于硅片制备硅纳米线阵列时无法实现高可控性及高一致性的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法，所述制备方法包括：S1：提供一(111)型SOI硅片，所述(111)型SOI硅片包括底层硅、氧化层及顶层硅；S2：在所述顶层硅表面形成氮化硅掩膜层，并通过光刻工艺在所述氮化硅掩膜层中形成倾斜的矩形窗口阵列；S3：通过所述矩形窗口阵列对所述顶层硅进行干法刻蚀，暴露出所述氧化层，形成凹槽阵列；S4：通过所述凹槽阵列对所述顶层硅进行各向异性腐蚀，形成六边形腐蚀槽阵列，且相邻两个六边形腐蚀槽之间形成预设宽度的硅薄壁；S5：基于自限制热氧化工艺对所述(111)型SOI硅片进行氧化，在硅薄壁阵列的顶部形成硅纳米线阵列；S6：以所述硅纳米线阵列中每条硅纳米线表面的氮化硅掩膜层作为栅介质层，在所述栅介质层表面制作栅极；S7：在所述硅纳米线阵列两端的氮化硅掩膜层中形成第一、第二窗口，然后分别在第一、第二窗口中制作源极和漏极，且所述源极和漏极之间设置有至少一条隔离沟道，其中，所述隔离沟道暴露出所述氧化层；S8：去除被氧化的硅薄壁阵列，释放出所述硅纳米线阵列。优选地，S1中所述顶层硅的厚度为小于等于30um。优选地，S2中通过化学气相沉积法形成所述氮化硅掩膜层。优选地，S3中所述干法刻蚀为反应离子刻蚀。优选地，S4中所述硅薄壁的宽度为320～380nm。优选地，S4中所述硅薄壁与所述氧化层的夹角为70.5°。优选地，S4中采用KOH溶液对所述顶层硅进行各向异性腐蚀。优选地，所述硅纳米线阵列中任一硅纳米线的宽度为70～110nm。优选地，所述硅纳米线阵列为叉指结构，且所述栅极为叉指结构。本专利技术还提供一种硅纳米线阵列场效应管，所述硅纳米线阵列场效应管包括：一(111)型SOI硅片，所述(111)型SOI硅片包括底层硅、氧化层及顶层硅；位于所述顶层硅上表面及氧化层上方的氮化硅掩膜层，其中，所述氮化硅掩膜层表面形成有暴露所述氧化层的六边形腐蚀槽阵列；位于所述氮化硅掩膜层下表面的硅纳米线阵列；位于所述氮化硅掩膜层上表面且与所述硅纳米线阵列位置对应的栅极；以及位于所述氮化硅掩膜层上表面的源极和漏极，其中，所述源极和漏极之间设置有至少一条暴露所述氧化层的隔离沟道。优选地，所述顶层硅的厚度为小于等于30um。优选地，所述硅纳米线阵列中任一硅纳米线的宽度为70～110nm。优选地，所述硅纳米线阵列为叉指结构，且所述栅极为叉指结构。优选地，所述源极和漏极之间设置有2条隔离沟道。优选地，所述栅极为金、铜、铝或多晶硅中的一种。如上所述，本专利技术的一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法及其结构，具有以下有益效果：1.本专利技术由于采用中间设有氧化层的SOI硅片，对顶层硅进行干法刻蚀时，由于氧化层的阻挡，所述凹槽阵列的深度都为顶层硅的厚度，且在湿法腐蚀时腐蚀溶液腐蚀(111)晶向的速率很低，能够精确控制硅薄壁的厚度，进而使得本专利技术所制备的硅纳米线具有高可控性及高一致性。2.本专利技术通过在每条硅纳米线上设置栅极，使栅极覆盖了所有的硅纳米线，并通过隔离沟道有效地将源极和漏极进行物理隔离，保证了场效应管的器件性能。3.本专利技术所述硅纳米线由于其整体贴在氮化硅掩膜层上，能够有效避免硅纳米线断裂，成品率高。4.本专利技术所述制备方法不仅实现了将自上而下工艺与微机电工艺相结合，同时在SOI硅片上成功制备出了有序排列的硅纳米线阵列。5.所述制备方法仅为常规的光刻、干法刻蚀和湿法腐蚀工艺，成本低廉，且易于实现。附图说明图1显示为现有技术中通过干法刻蚀形成五个不同深度硅槽的结构示意图。图2显示为对图1所述不同深度硅槽进行湿法腐蚀后形成四个不同厚度硅墙壁的结构示意图。图3显示为对图2所述硅墙壁进行氧化，形成硅纳米线的结构示意图。图4～图12b显示为本专利技术硅纳米线阵列场效应管的制备方法的结构示意图，其中，图6b是图6a沿AA’方向的截面图，图7b是图7a沿BB’方向的截面图，图8b是图8a沿CC’方向的截面图，图9b是图9a沿DD’方向的截面图，图12b是图12a沿EE’方向的截面图。图13显示为本专利技术所述硅纳米线阵列场效应管的电镜图。图14显示为通过本专利技术所述制备方法制备的硅纳米线放大图。图15显示为通过本专利技术所述制备方法制备的硅纳米线阵列场效应管的扫描曲线。图16a和图16b显示为表示硅纳米线阵列中各硅纳米线宽度一致性情况的示意图，其中，图16b为图16a中区域e的放大图。元件标号说明S1～S8步骤1硅片2氮化硅掩膜层3硅纳米线101底层硅102氧化层103顶层硅4矩形窗口阵列5凹槽阵列6六边形腐蚀槽阵列7硅薄壁阵列8硅纳米线阵列9栅极10源极11漏极12隔离沟道a～l区域a～区域l具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图4至图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法，其特征在于，所述制备方法包括：S1：提供一(111)型SOI硅片，所述(111)型SOI硅片包括底层硅、氧化层及顶层硅；S2：在所述顶层硅表面形成氮化硅掩膜层，并通过光刻工艺在所述氮化硅掩膜层中形成倾斜的矩形窗口阵列；S3：通过所述矩形窗口阵列对所述顶层硅进行干法刻蚀，暴露出所述氧化层，形成凹槽阵列；S4：通过所述凹槽阵列对所述顶层硅进行各向异性腐蚀，形成六边形腐蚀槽阵列，且相邻两个六边形腐蚀槽之间形成预设宽度的硅薄壁；S5：基于自限制热氧化工艺对所述(111)型SOI硅片进行氧化，在硅薄壁阵列的顶部形成硅纳米线阵列；S6：以所述硅纳米线阵列中每条硅纳米线表面的氮化硅掩膜层作为栅介质层，在所述栅介质层表面制作栅极；S7：在所述硅纳米线阵列两端的氮化硅掩膜层中形成第一、第二窗口，然后分别在第一、第二窗口中制作源极和漏极，且所述源极和漏极之间设置有至少一条隔离沟道，其中，所述隔离沟道暴露出所述氧化层；S8：去除被氧化的硅薄壁阵列，释放出所述硅纳米线阵列。

【技术特征摘要】
1.一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法，其特征在于，所述制备方法包括：S1：提供一(111)型SOI硅片，所述(111)型SOI硅片包括底层硅、氧化层及顶层硅；S2：在所述顶层硅表面形成氮化硅掩膜层，并通过光刻工艺在所述氮化硅掩膜层中形成倾斜的矩形窗口阵列；S3：通过所述矩形窗口阵列对所述顶层硅进行干法刻蚀，暴露出所述氧化层，形成凹槽阵列；S4：通过所述凹槽阵列对所述顶层硅进行各向异性腐蚀，形成六边形腐蚀槽阵列，且相邻两个六边形腐蚀槽之间形成预设宽度的硅薄壁；S5：基于自限制热氧化工艺对所述(111)型SOI硅片进行氧化，在硅薄壁阵列的顶部形成硅纳米线阵列；S6：以所述硅纳米线阵列中每条硅纳米线表面的氮化硅掩膜层作为栅介质层，在所述栅介质层表面制作栅极；S7：在所述硅纳米线阵列两端的氮化硅掩膜层中形成第一、第二窗口，然后分别在第一、第二窗口中制作源极和漏极，且所述源极和漏极之间设置有至少一条隔离沟道，其中，所述隔离沟道暴露出所述氧化层；S8：去除被氧化的硅薄壁阵列，释放出所述硅纳米线阵列。2.根据权利要求1所述的圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法，其特征在于，S1中所述顶层硅的厚度为小于等于30um。3.根据权利要求1所述的圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法，其特征在于，S2中通过化学气相沉积法形成所述氮化硅掩膜层。4.根据权利要求1所述的圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法，其特征在于，S3中所述干法刻蚀为反应离子刻蚀。5.根据权利要求1所述的圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法，其特征在于，S4中所述硅薄壁的宽度为320～380nm。6.根据权利要求1所述的圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁，杨勋，王跃林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31