一种硅纳米线阵列的制备方法技术

本发明专利技术提供一种硅纳米线阵列的制备方法，包括：提供一个轻掺杂的硅衬底；依次外延生长一层第一掺杂浓度的硅层和一层第二掺杂浓度的硅层，并重复上述步骤2遍；光刻定义硅纳米线以及硅纳米线支撑区域的图形；刻蚀所述单晶硅衬底上第一和第二掺杂浓度的硅层；经选择性腐蚀，形成悬空的硅纳米线阵列。本发明专利技术的制备方法，采用自顶向下的方法制备出纵向排列的硅纳米线阵列，与传统集成电路加工工艺相兼容，提高了硅纳米线的密度，从而有效提高硅片的利用效率，降低了制造成本，有利于大批量生产开发，可广泛应用于纳米传感器或电子器件中。

【技术实现步骤摘要】
一种硅纳米线阵列的制备方法
本专利技术涉及集成电路制造
，特别涉及一种硅纳米线阵列的制备方法。
技术介绍
随着纳米科技领域的不断发展，纳米科技越来越受到人们的重视，同时一维纳米材料，特别是硅纳米线，引起了人们越来越多的关注。由于具有显著的量子效应、超大的比表面积等特性，硅纳米线在电子器件、生物传感器等领域有着良好的应用前景。如何能够找到一种简单、可控和低成本的方法制备硅纳米线已经成为一项重要的课题。硅纳米线的制备方法主要可以分为“自底向上”（bottom-up）和“自顶向下”（top-down）两大类。自底向上的方法主要是依靠纳米技术，利用催化剂催化生长纳米线。该方法虽然可以一次性大批量生产出硅纳米线，但是很难实现纳米线的定位生长，并且和传统的自顶向下的CMOS集成电路加工工艺方式有着本质的区别，兼容性可能会成为阻碍其应用的一块绊脚石。而随着半导体工艺技术水平的不断进步，依靠薄膜制备、光刻与刻蚀等技术制备硅纳米线的自顶向下的方法越来越成熟。目前，人们已经公布了多种采用自顶向下的方式制备硅纳米线。譬如，基于单晶硅衬底，田豫小组通过电子束曝光定义硅纳米线宽度，采用干法和湿法刻蚀硅衬底，得到了悬空的硅纳米线，并进一步制备出了晶体管(YuTianetal.,NewSelf-AlignedSiliconNanowireTransistorsonBulkSubstrateFabricatedbyEpi-FreeCompatibleCMOSTechnology:ProcessIntegration,ExperimentalCharacterizationofCarrierTransportandLowFrequencyNoise,IEEEInternationalElectronDevicesMeeting,2007）。基于SOI衬底，N.Singh小组采用交替式移相掩模光刻(alternatingphaseshiftmasklithography）、裁剪技术和干法刻蚀得到了长度不同、宽度在40nm至50nm之间的硅纳米线条，完成后续工艺后得到了硅纳米线围栅器件(N.Singhetal.,Ultra-NarrowSiliconNanowireGate-All-AroundCMOSDevices:ImpactofDiameter,Channel-OrientationandLowTemperatureonDevicePerformance,IEEEInternationalElectronDevicesMeeting,2006）。另外，也可以利用TMAH溶液在硅的不同晶面的高腐蚀选择比在SOI衬底上加工制备硅纳米线（中国专利，授权公告号：CN1215530C）。但是，上述方法只能在平面内形成一组硅纳米线的阵列结构，而不能纵向形成硅纳米线阵列结构。正是由于只能在平面内分布，硅纳米线的密度受到空间的限制而达不到更高的要求。如果能够进一步增加硅纳米线的密度，则能有效提高硅片利用率，降低成本。从硅纳米线的实际应用角度来说，进一步提高纳米尺度领域的电子器件或生物传感器的集成密度，对于生产应用有着重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有的硅纳米线制备技术中硅纳米线密度较低的问题，为了提高硅纳米线的集成密度，提供一种成本低廉的、工艺简单的硅纳米线制备方法。本专利技术的一种硅纳米线阵列的制备方法，包括如下步骤：步骤S01：提供一个轻掺杂的硅衬底；步骤S02：依次在硅衬底表面外延生长一层第一掺杂浓度的硅层和一层第二掺杂浓度的硅层；步骤S03：在第二掺杂浓度的硅层上重复步骤S02；步骤S04：在第二掺杂浓度的硅层上涂覆一层光刻胶，利用光刻版在光刻胶上光刻定义硅纳米线以及硅纳米线支撑区域的图形；步骤S05：采用各向异性刻蚀法刻蚀第一和二掺杂浓度的硅层，在第一和二掺杂浓度的硅层中均形成硅纳米线结构和硅纳米线的支撑区域；步骤S06：采用湿法腐蚀的方法，选择性去除第一掺杂浓度的硅层中的硅纳米线结构，使得第二掺杂浓度的硅层的硅纳米线结构悬空，硅纳米线两端受支撑区域固定支撑。优选地，轻掺杂的硅衬底的掺杂浓度不大于1×1016cm-3。优选地，第一掺杂浓度的硅层的掺杂浓度至少为1×1017cm-3，厚度为20～50nm，第二掺杂浓度的硅层的掺杂浓度不大于1×1015cm-3，厚度为20～50nm。优选地，第一掺杂浓度的硅层的掺杂浓度至少为1×1018cm-3，第二掺杂浓度的硅层的掺杂浓度为0～1×1014cm-3。优选地，步骤S03中，重复步骤S02的次数为1～3次。优选地，光刻定义采用的方法是浸没式光刻或电子束曝光的方法。优选地，在光刻版版图中，硅纳米线图形的宽度为20～50nm，长度为100nm～5μm。优选地，在光刻版版图中，硅纳米线支撑区域的图形为矩形并位于硅纳米线图形的两端，与硅纳米线图形相接，矩形的每一边的长度不小于300nm。优选地，步骤S05中，刻蚀后的第一和第二掺杂浓度的硅层的侧壁与硅衬底形成的夹角为87～93度。优选地，采用湿法腐蚀的溶液是40%HF、70%HNO3和100%CH3COOH的混合溶液。优选地，40%HF、70%HNO3和100%CH3COOH的体积比为1:(2.5～3.5):(7～10)。优选地，40%HF、70%HNO3和100%CH3COOH的体积比为1:3:8。优选地，利用所述硅纳米线阵列可以制备纳米传感器或纳米电子器件。本专利技术提供的一种硅纳米线阵列的制备方法中，首先，采用自顶向下的方法，可以与传统CMOS集成电路加工工艺相兼容，并且通过多层硅层的制备、光刻与刻蚀等技术制备硅纳米线，可以定义纳米线的位置，有利于后续的工艺比如连线和接触电极引出时的对准，方便进一步制备电子器件或生物传感器等；其次，利用40%HF、70%HNO3、100%CH3COOH的混合腐蚀溶液对于第一掺杂浓度和第二掺杂浓度的硅层的腐蚀选择比较高，在去除第一掺杂浓度的硅层的同时能够保留第二掺杂浓度的硅层的硅纳米线阵列，得到悬空的纵向排列的硅纳米线阵列，从而提高硅纳米线的密度，有效提高硅片的利用效率，极大程度上降低了制造成本，有利于大批量生产开发。再次，在本专利技术制备的硅纳米线的基础上，可以进一步制备出纳米线传感器或硅纳米线电子器件等，有着广泛的应用前景。附图说明图1是本专利技术的硅纳米线阵列的制备方法的一个较佳实施例的流程示意图图2～5是本专利技术的上述较佳实施例的制备硅纳米线阵列的方法的各制备步骤示意图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术提供的硅纳米线阵列的制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本专利技术的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。现结合附图1-5，通过一个具体实施例对本专利技术的一种硅纳米线阵列的制备方法进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。图1是本专利技术的硅纳米线阵列的制备方法的一个较佳实施例的流程示意图。图2-5是本专利技术的上述实施例的硅纳米线阵列的制备方法的各制备步骤示意图。请参阅图1，如图所示，本实施例中的硅纳米阵列的制备方法包括如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于，包括：步骤S01：提供一个轻掺杂的硅衬底；步骤S02：依次在所述硅衬底表面外延生长一层第一掺杂浓度的硅层和一层第二掺杂浓度的硅层；步骤S03：在所述第二掺杂浓度的硅层上重复步骤S02；步骤S04：在所述第二掺杂浓度的硅层上涂覆一层光刻胶，利用光刻版在所述光刻胶上光刻定义硅纳米线以及硅纳米线支撑区域的图形；步骤S05：采用各向异性刻蚀法刻蚀所述第一和二掺杂浓度的硅层，在所述第一和二掺杂浓度的硅层中均形成硅纳米线结构和硅纳米线的支撑区域；步骤S06：采用湿法腐蚀的方法，选择性去除所述第一掺杂浓度的硅层中的所述硅纳米线结构，使得所述第二掺杂浓度的硅层中的所述硅纳米线结构悬空，所述硅纳米线两端受所述支撑区域固定支撑。

【技术特征摘要】
1.一种硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于，包括：步骤S01：提供一个轻掺杂的硅衬底；步骤S02：依次在所述硅衬底表面外延生长一层第一掺杂浓度的硅层和一层第二掺杂浓度的硅层；步骤S03：在所述第二掺杂浓度的硅层上重复步骤S02；步骤S04：在所述第二掺杂浓度的硅层上涂覆一层光刻胶，利用光刻版在所述光刻胶上光刻定义硅纳米线以及硅纳米线支撑区域的图形；步骤S05：采用各向异性刻蚀法刻蚀所述第一和二掺杂浓度的硅层，在所述第一和二掺杂浓度的硅层中均形成硅纳米线结构和硅纳米线的支撑区域；步骤S06：采用湿法腐蚀的方法，选择性去除所述第一掺杂浓度的硅层中的所述硅纳米线结构，使得所述第二掺杂浓度的硅层中的所述硅纳米线结构悬空，所述硅纳米线两端受所述支撑区域固定支撑；其中，第一掺杂浓度和第二掺杂浓度的差值至少为二个数量级。2.根据权利要求1所述的硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于，所述轻掺杂的硅衬底的掺杂浓度不大于1×1016cm-3。3.根据权利要求1所述的硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于，所述第一掺杂浓度的硅层的掺杂浓度至少为1×1017cm-3，厚度为20～50nm，第二掺杂浓度的硅层的掺杂浓度不大于1×1015cm-3，厚度为20～50nm。4.根据权利要求1所述的硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于，所述第一掺杂浓度的硅层的掺杂浓度至少为1×1018cm-3，所述第二掺杂浓度的硅层的掺杂浓度为0～1×1014cm-3。5.根据权利要求1所述的硅纳米线阵列的...

【专利技术属性】
技术研发人员：范春晖，王全，
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：