一种在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法及结构技术

本发明专利技术提供一种在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法及结构，所述制备方法包括：S1：提供一基板；S2：在基板表面制备多晶硅层，对多晶硅层进行掺杂；S3：在掺杂的多晶硅层表面制备顶绝缘层；S4：在顶绝缘层表面制备铜薄膜层；S5：在铜薄膜层表面形成光刻胶图形并行图形化处理，去除光刻胶图形，得到铜薄膜图形；S6：进行退火处理，铜薄膜图形收缩成纳米尺寸的铜图形，基于铜图形与顶绝缘层反应使掺杂的多晶硅层中硅原子及掺杂离子穿过顶绝缘层形成带有掺杂离子的硅纳米线。通过本发明专利技术提供的在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法及结构，解决了现有技术制备硅纳米线时工艺流程复杂，工艺价格昂贵，生长的硅纳米线尺度较大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法及结构
本专利技术涉及纳米材料的制备领域，特别是涉及一种在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法及结构。
技术介绍
纳米科技是融合了许多学科的新兴高新科技，其中纳米材料是纳米科技非常重要的研究方向。一维纳米结构(纳米线、纳米管和纳米带等)具有非常特殊的性质和广泛的潜在应用前景，使其成为研究的焦点。其中，硅纳米线由于其纳米尺寸，具有显著的表面效应、量子限制效应、非线性光学效应、场发射特性、宏观量子隧道效应等物理特性，在光学、电学、磁学、热学等领域具有广泛的应用，可用于太阳能电池、集成电路、光电探测器件、生物探测、生物检测和传感器等方面。硅纳米线的制备方法，一般可分为自下而上法和自上而下法两种，前者是从原子或分子出发，控制组装形成硅纳米线；而后者则是从体硅出发，经化学刻蚀制备出硅纳米线。(1)自下而上方法：典型代表为化学气相沉积法(CVD)，通常采用金纳米颗粒作为催化剂，将含有金纳米颗粒的化学溶剂滴在需要生长纳米线的位置，然后高温下通入气态硅源，进行硅纳米线生长。这种方法的缺点在于：硅纳米线的生长位置难以精确控制，气态硅源一般具有毒性，危害环境和健康。(2)自上而下方法：传统的“自上而下”制备硅纳米线的方法包括，激光烧蚀法、热蒸发法、溶液法及电化学法等，缺点在于很难制备出有序排列的硅纳米线。现有技术通常是利用微结构加工工艺(MicrofabricationProcess：MEMS)进行硅纳米线的生长，通过光刻或电子束曝光工艺、硅刻蚀工艺等对体硅(硅片)进行加工，得到精确控制位置、尺寸的硅纳米线。这种方法的缺点在于：工艺流程复杂，工艺价格昂贵，生长的硅纳米线尺寸较大。鉴于此，有必要提供一种在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法及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在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法及结构，用于解决现有技术中利用微结构加工工艺进行硅纳米线的生长时工艺流程复杂，价格昂贵，生长的硅纳米线尺寸较大的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法及结构，所述制备方法包括：S1：提供一基板；S2：在所述基板表面制备多晶硅层，并对所述多晶硅层进行掺杂；S3：在掺杂的多晶硅层表面制备顶绝缘层；S4：在所述顶绝缘层表面制备铜薄膜层；S5：在所述铜薄膜层表面形成光刻胶图形，对所述铜薄膜层进行图形化处理，然后去除光刻胶图形，得到图形化后的铜薄膜图形；S6：进行退火处理，所述铜薄膜图形收缩成纳米尺寸的铜图形，并基于所述铜图形与顶绝缘层反应使得掺杂的多晶硅层中硅原子及掺杂离子穿过所述顶绝缘层生长形成带有掺杂离子的硅纳米线。优选地，所述S2中利用LPCVD工艺在所述基板表面制备多晶硅层。优选地，所述S2中利用离子注入工艺对所述多晶硅层进行掺杂，掺杂的离子为硼离子或磷离子，离子掺杂的剂量范围为5e15～2e16离子/cm3。优选地，所述S6完成后，所述制备方法还包括对所述顶绝缘层进行刻蚀以暴露所述掺杂的多晶硅层，在所述掺杂的多晶硅层表面采用溅射工艺制备电极。优选地，所述S1中基板包括基体和位于所述基体上表面的上绝缘层，其中，所述基体为单晶硅或多晶硅，所述上绝缘层为SiO2或SiN。优选地，所述S5中铜薄膜图形为矩形或圆形，所述矩形的尺寸范围为(1μm～2.5μm)*(1μm～2.5μm)，所述圆形的直径范围为1μm～2.5μm。优选地，所述S6中退火处理在氩气和氢气的混合气体中进行，所述氩气的流量范围为500～1500sccm，所述氢气的流量范围为50～150sccm，退火处理的温度范围为900℃～1200℃，退火的时间范围为5～90min。本专利技术还提供一种硅纳米线结构，所述硅纳米线结构包括：基板；位于所述基板表面的掺杂的多晶硅层；位于所述掺杂的多晶硅层表面的顶绝缘层；位于所述掺杂的多晶硅层表面并穿过所述顶绝缘层的带有掺杂离子的硅纳米线。优选地，所述掺杂的多晶硅层掺杂的离子为硼离子或磷离子，离子掺杂的剂量范围为5e15～2e16离子/cm3。优选地，所述掺杂的多晶硅层的厚度范围为1～5μm。优选地，所述顶绝缘层为SiO2或SiN，所述顶绝缘层的厚度范围为200～600nm。优选地，所述硅纳米线结构还包括位于所述掺杂的多晶硅层表面的电极。如上所述，本专利技术的一种在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法及结构，具有以下有益效果：1、硅纳米线的形貌、特性更好。使用掺杂的多晶硅层生长硅纳米线时，掺杂离子也进入硅纳米线中，使硅纳米线具有更好的晶态、形貌以及更好的电学特性。2、硅纳米线的应用更便捷。可以更容易的从掺杂的多晶硅层中引出电极，实现对硅纳米线的应用。3、硅纳米线的位置、尺寸可控。通过对铜薄膜层的图形化处理，实现了铜薄膜层在目标位置的可控制备，从而通过铜催化生长出位置可控的硅纳米线；通过控制铜薄膜的厚度、铜图形的尺寸、退火的温度、退火的时间等，实现了对硅纳米线尺寸的精确控制。4、与CMOS工艺兼容。采用CMOS工艺沉积多晶硅，并制备出图形化的铜薄膜，工艺简单，制备效率高。附图说明图1显示为本专利技术的硅纳米线的制备方法流程图。图2～图7显示为本专利技术的硅纳米线的制备方法S1～S6的结构示意图。图8显示为本专利技术的带有电极的硅纳米线结构示意图。元件标号说明S1～S6步骤1基板11下绝缘层12基体13上绝缘层2多晶硅层3掺杂的多晶硅层4顶绝缘层5铜薄膜层6光刻胶7光刻胶图形8铜薄膜图形9带有掺杂离子的硅纳米线10电极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1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。实施例一如图1所示，本实施例提供一种在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法，所述制备方法包括：S1：提供一基板1；S2：在所述基板1表面制备多晶硅层2，并对所述多晶硅层2进行掺杂；S3：在掺杂的多晶硅层3表面制备顶绝缘层4；S4：在所述顶绝缘层4表面制备铜薄膜层5；S5：在所述铜薄膜层5表面形成光刻胶图形7，对所述铜薄膜层5进行图形化处理，然后去除光刻胶图形7，得到图形化后的铜薄膜图形8；S6：进行退火处理，所述铜薄膜图形8收缩成纳米尺寸的铜图形，并基于所述铜图形与顶绝缘层4反应使得掺杂的多晶硅层3中硅原子及掺杂离子穿过所述顶绝缘层4生长形成带有掺杂离子的硅纳米线9。下面结合具体附图对本专利技术硅纳米线的制备方法及其结构作详细的介绍。首先，执行步骤S1，提供一基板。如图2所示，所述基板1包括基体12和位于所述基体12上表面的上绝缘层13。所述基板1还可包括下绝缘层11，所述下绝缘层11位于所述基体12的下表面。所述基体12为单晶硅或多晶硅，所述上绝缘层13和下绝缘层11可以是SiO2或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法，其特征在于，所述制备方法包括：S1：提供一基板；S2：在所述基板表面制备多晶硅层，并对所述多晶硅层进行掺杂；S3：在掺杂的多晶硅层表面制备顶绝缘层；S4：在所述顶绝缘层表面制备铜薄膜层；S5：在所述铜薄膜层表面形成光刻胶图形，对所述铜薄膜层进行图形化处理，然后去除光刻胶图形，得到图形化后的铜薄膜图形；S6：进行退火处理，所述铜薄膜图形收缩成纳米尺寸的铜图形，并基于所述铜图形与顶绝缘层反应使得掺杂的多晶硅层中硅原子及掺杂离子穿过所述顶绝缘层生长形成带有掺杂离子的硅纳米线。

【技术特征摘要】
1.一种在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法，其特征在于，所述制备方法包括：S1：提供一基板；S2：在所述基板表面制备多晶硅层，并对所述多晶硅层进行掺杂；S3：在掺杂的多晶硅层表面制备顶绝缘层；S4：在所述顶绝缘层表面制备铜薄膜层；S5：在所述铜薄膜层表面形成光刻胶图形，对所述铜薄膜层进行图形化处理，然后去除光刻胶图形，得到图形化后的铜薄膜图形；S6：进行退火处理，所述铜薄膜图形收缩成纳米尺寸的铜图形，并基于所述铜图形与顶绝缘层反应使得掺杂的多晶硅层中硅原子及掺杂离子穿过所述顶绝缘层生长形成带有掺杂离子的硅纳米线。2.根据权利要求1所述的在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法，其特征在于，所述S2中利用LPCVD工艺在所述基板表面制备多晶硅层。3.根据权利要求1所述的在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法，其特征在于，所述S2中利用离子注入工艺对所述多晶硅层进行掺杂，掺杂的离子为硼离子或磷离子，离子掺杂的剂量范围为5e15～2e16离子/cm3。4.根据权利要求1所述的在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法，其特征在于，所述S6完成后，所述制备方法还包括对所述顶绝缘层进行刻蚀以暴露所述掺杂的多晶硅层，在所述掺杂的多晶硅层表面采用溅射工艺制备电极。5.根据权利要求1所述的在掺杂的多晶硅层上制备硅纳米线的方法，其特征在于，所述S1中基板包括基体和位于所述基体上表面的上绝缘层，其中，所述基体为单晶硅或多晶硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁，王辉，袁志山，
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