半导体纳米线的形成方法技术

本发明专利技术提供了一种半导体纳米线的形成方法，通过导向自主装工艺、相应的光刻和刻蚀工艺来制备出周期性排列且尺寸均匀的岛状结构，并对所述岛状结构进行退火，以使得所述岛状结构中的催化剂层能催化所述岛状结构中的半导体衬底形成粗细均匀，排列有序的半导体纳米线。

Formation of semiconductor nanowires

【技术实现步骤摘要】
半导体纳米线的形成方法
本专利技术涉及半导体领域，尤其涉及一种半导体纳米线的形成方法。
技术介绍
近年来，伴随着人们对纳米
的不断探索和研究，具有一维纳米结构的材料，如半导体纳米线，吸引了越来越多的人的眼球。半导体纳米线具有显著的量子效应、超大的比表面积等特性，在MOS器件、传感器等领域有着良好的应用前景。传统的半导体纳米线，例如硅纳米线的形成方法为催化剂生长硅纳米线，是在硅衬底上生长一层Ni，在高温下，Ni层会液化并催化衬底硅生成硅纳米线。但是由于Ni薄膜均匀性等影响，Ni液化时候的尺寸(即Ni与硅衬底上的硅互溶形成的富Ni的硅化物的尺寸)并不是完全均匀且规律排列的，因此生长的纳米线粗细不均匀且排列杂乱无章。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种半导体纳米线的形成方法，以制备出周期性排列且尺寸均匀的岛状结构，并在退火以及催化作用下，形成粗细均匀，排列有序的半导体纳米线。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种半导体纳米线的形成方法，包括以下步骤：步骤S1：提供一半导体衬底，并在其上依次形成催化剂层、第一硬掩模层和图形化的第一导向自组装；步骤S2：以图形化的第一导向自组装为掩模，刻蚀所述第一硬掩模层形成图形化的第一硬掩模层，所述图形化的第一硬掩模层具有第一沟槽，并在所述第一沟槽中填充材质不同于所述第一硬掩模层的第二硬掩模层；步骤S3：在所述第一硬掩模层和所述第二硬掩模层上方依次形成第三硬掩模层和图形化的第二导向自组装，且所述第二导向自组装的图形和所述第一导向自组装的图形相互交叠，所述第三硬掩模层的材质不同于所述第一硬掩模层和所述第二硬掩模层；步骤S4：以图形化的第二导向自组装为掩模，刻蚀所述第三硬掩模层，形成图形化的第三硬掩模层，并以所述图形化的第三硬掩模层为掩模刻蚀所述第二硬掩模层和所述第一硬掩模层，以再次图形化所述第二硬掩模层和所述第一硬掩模层；步骤S5：去除所述第三硬掩模层，并去除所述第二硬掩模层或第一硬掩模层，以形成掩模图形层；步骤S6：以所述掩模图形层为掩模，刻蚀所述催化剂层和所述半导体衬底部分深度，以形成岛状结构；步骤S7：对所述岛状结构进行退火，以使得所述岛状结构中的催化剂层能催化所述岛状结构中的半导体衬底形成纳米线。可选的，在所述的半导体纳米线的形成方法中，在所述第一硬掩模层上形成所述图形化的第一导向自组装的步骤包括：步骤S11：在所述第一硬掩模层上形成第一光刻胶层；步骤S12：对所述第一光刻胶层进行光刻，以形成图形化的第一光刻胶层，所述图形化的第一光刻胶层具有第二沟槽；步骤S13：在所述第二沟槽中填充第一嵌段共聚物，并使所述第一嵌段共聚物进行自组装，以形成至少具有两种结构的第一导向自组装；步骤S14：除去所述第一导向自组装中的部分结构，以形成所述图形化的第一导向自组装。可选的，在所述的半导体纳米线的形成方法中，在所述第三硬掩模层上形成所述图形化的第二导向自组装的步骤包括：步骤S31：在所述第三硬掩模层上形成第二光刻胶层；步骤S32：对所述第二光刻胶层进行光刻，以形成图形化的第二光刻胶层，所述图形化的第二光刻胶层具有第三沟槽；步骤S33：在所述第三沟槽中填充第二嵌段共聚物，并使所述第二嵌段共聚物进行自组装，以形成至少具有两种结构的第二导向自组装；步骤S34：除去所述第二导向自组装中的部分结构，以形成所述图形化的第二导向自组装。可选的，在所述的半导体纳米线的形成方法中，所述图形化的第一导向自组装与所述图形化的第二导向自组装的图形之间存在一定角度，所述角度的范围为：0～90°且不为0°。可选的，在所述的半导体纳米线的形成方法中，形成所述图形化的第一光刻胶层和所述图形化的第二光刻胶层的机台包括KrF、ArF或者I-line光刻机。可选的，在所述的半导体纳米线的形成方法中，除去所述第一导向自组装中的部分结构和除去所述第二导向自组装中的部分结构的方法包括干法刻蚀，所述干法刻蚀的气体包括O2。可选的，在所述的半导体纳米线的形成方法中，所述半导体衬底的材料为Si、Ge、Sn、Se、Te和B其中的至少一种。可选的，在所述的半导体纳米线的形成方法中，所述催化剂层的材料为Au、Ni、Co、Ti、In和Fe其中的至少一种。可选的，在所述的半导体纳米线的形成方法中，所述岛状结构为周期性排列、尺寸均匀的结构。可选的，在所述的半导体纳米线的形成方法中，在步骤S7中，所述退火的温度为1000℃～1200℃，所述退火过程在氮气和/或惰性气体环境下进行。综上所述，本专利技术提供了一种半导体纳米线的形成方法，通过相应的光刻和导向自主装工艺形成相互交叠的第一导向自组装的图形和第二导向自组装的图形，然后通过相应的刻蚀工艺来制备出周期性排列且尺寸均匀的岛状结构，并对所述岛状结构进行退火，以使所述岛状结构中的催化剂层能催化所述岛状结构中的半导体衬底形成粗细均匀，排列有序的半导体纳米线。由于所述岛状结构的尺寸均匀，使得每一所述岛状结构中具有的催化剂量基本相同，因此，在退火过程中形成的富催化剂的半导体化合物的尺寸是均匀的；又由于所述岛状结构呈周期性排列，因此，形成的富催化剂的半导体化合物也呈周期性排列，故最终能形成粗细均匀，排列有序的半导体纳米线。附图说明图1为一种硅纳米线的显微镜图片；图2为本专利技术一实施例中一种半导体纳米线的形成方法的流程图；图3a～3d为本专利技术一实施例中图形化的第一导向自组装的形成工艺示意图；图4a～4b为本专利技术一实施例中形成图形化的第一硬掩模层结构的截面图和立体图；图5a～5b为本专利技术一实施例中形成第二硬掩模层结构的截面图和立体图；图6a～6d为本专利技术一实施例中图形化的第二导向自组装的形成工艺示意图；图7a～7b为本专利技术一实施例中图形化的第三硬掩模层结构的截面图和立体图；图8～10为本专利技术一实施例中岛状结构的形成工艺示意图；图11a～11c为本专利技术一实施例中高温下催化剂岛催化半导体衬底岛生成半导体纳米线的工艺示意图；其中图3a～11c中：10-半导体衬底，101-半导体衬底岛，102-纳米线芯轴，103-纳米线壳层，104-催化剂，20-催化剂层，201-催化剂岛，30-第一硬掩模层，301-图形化的第一硬掩模层，302-第二图形化的第一硬掩模层，40-图形化的第一光刻胶层，41-图形化的第二光刻胶层，50-第一嵌段共聚物，51-第二嵌段共聚物，501-第一导向自组装疏水部分，502-第一导向自组装亲水部分，511-第二导向自组装疏水部分，512-第二导向自组装亲水部分，60-第二硬掩模层，601-图形化的第二硬掩模层，70-第三硬掩模层，701-图形化的第三硬掩模层。具体实施方式传统的催化剂生长半导体纳米线，例如硅纳米线，是在硅衬底上生长一层Ni，在高温下，Ni层会液化并催化衬底硅生成硅纳米线。但是由于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体纳米线的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1：提供一半导体衬底，并在其上依次形成催化剂层、第一硬掩模层和图形化的第一导向自组装；/n步骤S2：以图形化的第一导向自组装为掩模，刻蚀所述第一硬掩模层形成图形化的第一硬掩模层，所述图形化的第一硬掩模层具有第一沟槽，并在所述第一沟槽中填充材质不同于所述第一硬掩模层的第二硬掩模层；/n步骤S3：在所述第一硬掩模层和所述第二硬掩模层上方依次形成第三硬掩模层和图形化的第二导向自组装，且所述第二导向自组装的图形和所述第一导向自组装的图形相互交叠，所述第三硬掩模层的材质不同于所述第一硬掩模层和所述第二硬掩模层；/n步骤S4：以图形化的第二导向自组装为掩模，刻蚀所述第三硬掩模层，形成图形化的第三硬掩模层，并以所述图形化的第三硬掩模层为掩模刻蚀所述第二硬掩模层和所述第一硬掩模层，以再次图形化所述第二硬掩模层和所述第一硬掩模层；/n步骤S5：去除所述第三硬掩模层，并去除所述第二硬掩模层或第一硬掩模层，以形成掩模图形层；/n步骤S6：以所述掩模图形层为掩模，刻蚀所述催化剂层和所述半导体衬底部分深度，以形成岛状结构；/n步骤S7：对所述岛状结构进行退火，以使得所述岛状结构中的催化剂层能催化所述岛状结构中的半导体衬底形成纳米线。/n...

【技术特征摘要】
1.一种半导体纳米线的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：提供一半导体衬底，并在其上依次形成催化剂层、第一硬掩模层和图形化的第一导向自组装；
步骤S2：以图形化的第一导向自组装为掩模，刻蚀所述第一硬掩模层形成图形化的第一硬掩模层，所述图形化的第一硬掩模层具有第一沟槽，并在所述第一沟槽中填充材质不同于所述第一硬掩模层的第二硬掩模层；
步骤S3：在所述第一硬掩模层和所述第二硬掩模层上方依次形成第三硬掩模层和图形化的第二导向自组装，且所述第二导向自组装的图形和所述第一导向自组装的图形相互交叠，所述第三硬掩模层的材质不同于所述第一硬掩模层和所述第二硬掩模层；
步骤S4：以图形化的第二导向自组装为掩模，刻蚀所述第三硬掩模层，形成图形化的第三硬掩模层，并以所述图形化的第三硬掩模层为掩模刻蚀所述第二硬掩模层和所述第一硬掩模层，以再次图形化所述第二硬掩模层和所述第一硬掩模层；
步骤S5：去除所述第三硬掩模层，并去除所述第二硬掩模层或第一硬掩模层，以形成掩模图形层；
步骤S6：以所述掩模图形层为掩模，刻蚀所述催化剂层和所述半导体衬底部分深度，以形成岛状结构；
步骤S7：对所述岛状结构进行退火，以使得所述岛状结构中的催化剂层能催化所述岛状结构中的半导体衬底形成纳米线。


2.如权利要求1所述的半导体纳米线的形成方法，其特征在于，在所述第一硬掩模层上形成所述图形化的第一导向自组装的步骤包括：
步骤S11：在所述第一硬掩模层上形成第一光刻胶层；
步骤S12：对所述第一光刻胶层进行光刻，以形成图形化的第一光刻胶层，所述图形化的第一光刻胶层具有第二沟槽；
步骤S13：在所述第二沟槽中填充第一嵌段共聚物，并使所述第一嵌段共聚物进行自组装，以形成至少具有两种结构的第一导向自组装；
步骤S14：除去所述第一导向自组装中的部分结构，以形成所述图形化的第一导向自组装。


3.如权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳丽，伍强，杨渝书，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31