專利名稱：半導(dǎo)體納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)，更具體地說，本發(fā)明涉及到以多孔陽極 氧化鋁膜為模板，在孔中淀積金屬點(diǎn)實(shí)現(xiàn)圖形反轉(zhuǎn)移，獲得半導(dǎo)體納米柱陣列結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
隨著納米尺寸器件在微電子學(xué)、光學(xué)和生物化學(xué)等方面的應(yīng)用價(jià)值日益突出，高 度有序的納米點(diǎn)、納米柱(納米線)等低維陣列結(jié)構(gòu)體系由于其量子尺寸所帶來的光、電、 磁等特性越來越受到廣泛的重視。常用的制備納米陣列結(jié)構(gòu)的方法有聚焦離子束和電子束 曝光法、自組織生長法、模板法以及其他方法。聚焦離子束和電子束曝光法成本高、周期長 且不能制備大面積納米陣列；自組織生長法產(chǎn)率低，且無法調(diào)控納米結(jié)構(gòu)的幾何特征；而 模板法具有成本低，適應(yīng)面廣，易于調(diào)控納米陣列結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。以多孔陽極氧化鋁(Porous anodic alumina, PAA)為模板進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移是制備納米陣列結(jié)構(gòu)的常用方法。PAA模板由 電化學(xué)方法制備，能夠自組織生長成六度對(duì)稱的多孔結(jié)構(gòu)，具有孔道豎直、孔尺寸可調(diào)、大 面積有序等優(yōu)點(diǎn)，是制備低維納米陣列結(jié)構(gòu)的理想模板。由于PAA模板的孔直徑已經(jīng)達(dá)到幾十納米量級(jí)，在利用其制備納米結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)圖形 轉(zhuǎn)移工藝提出了較高的要求。目前常見的是在PAA模板底部預(yù)先淀積一層金屬作為導(dǎo)電 層，通過電鍍工藝制備金屬納米點(diǎn)或納米線陣列，然而利用PAA制備半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)還比 較困難。本發(fā)明提供了一種獲得半導(dǎo)體襯底上納米柱陣列結(jié)構(gòu)的方法。利用兩步圖形轉(zhuǎn)移 方法，先在PAA孔中沉積金屬點(diǎn)，快速熱退火使金屬點(diǎn)與襯底結(jié)合緊密，去除PAA模板后以 金屬點(diǎn)陣列為掩膜刻蝕襯底，即可得到半導(dǎo)體納米柱陣列。此方法便于調(diào)控納米結(jié)構(gòu)的幾 何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)簡單，效率高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，。本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟步驟1 在一半導(dǎo)體襯底上生長鋁層；步驟2 對(duì)鋁層進(jìn)行陽極氧化，形成孔洞由表面直達(dá)半導(dǎo)體襯底，形成多孔氧化鋁 膜；步驟3 在多孔氧化鋁膜的表面淀積金屬，在多孔氧化鋁膜的孔洞內(nèi)形成金屬點(diǎn)；步驟4 將多孔氧化鋁膜濕法腐蝕掉，從而在半導(dǎo)體襯底上形成金屬點(diǎn)陣列；步驟5 以金屬點(diǎn)陣列為掩膜對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕，去掉金屬點(diǎn)陣列，在半導(dǎo)體 襯底上形成半導(dǎo)體納米柱陣列。其中鋁層的生長方法是采用電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或磁控濺射的方法。其中在多孔氧化鋁膜孔中淀積金屬的方法是采用蒸發(fā)、濺射、化學(xué)氣相沉積、原子 層沉積或化學(xué)鍍的方法。其中在多孔氧化鋁膜的表面淀積的是金屬單質(zhì)、合金或金屬化合物。
其中半導(dǎo)體襯底的材料是體材料，或是量子阱或超晶格多層結(jié)構(gòu)材料。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和特征作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中圖I(A)-(F)是本發(fā)明的一個(gè)制備硅基納米柱陣列結(jié)構(gòu)的工藝流程示意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下 步驟步驟1 在一半導(dǎo)體襯底ι上生長鋁層2，如圖1 (A)，鋁層2的厚度為2 μ m,該鋁層 2的生長是采用電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或磁控濺射的方法，半導(dǎo)體襯底是IV族、III - V族化合 物或II -VI族化合物的體材料或多層結(jié)構(gòu)材料；步驟2:對(duì)鋁層2進(jìn)行陽極氧化，形成孔洞由表面直達(dá)半導(dǎo)體襯底1，形成多孔氧化 鋁膜3;陽極氧化的過程采用二次氧化法，具體方法為以鋁層2為陽極，鉬片為陰極，在電 解液中進(jìn)行第一次氧化，電解液為草酸水溶液，氧化過程在水浴10°c下進(jìn)行，接通直流恒壓 40V電源。第一次氧化時(shí)間為15’。陽極氧化后鋁層表面形成孔呈六方排列的多孔氧化鋁 膜3，孔道與半導(dǎo)體襯底1表面垂直，底部阻擋層呈U型。多孔氧化鋁膜3底部仍保留一層 沒有被氧化的鋁層2，厚度由第一次氧化時(shí)間控制。將第一次陽極氧化生成的多孔氧化鋁層全部腐蝕掉。腐蝕后鋁層表面形成排列有 序的凹坑。對(duì)剩下的鋁層進(jìn)行第二次氧化，條件與第一次氧化相同。氧化過程進(jìn)行到半導(dǎo) 體襯底_鋁界面時(shí)立即停止，時(shí)間為9’ 5”，在襯底1上獲得多孔氧化鋁膜3 (其底部阻擋層 為反型)，多孔氧化鋁膜3的厚度為700nm。將氧化鋁底部的阻擋層濕法腐蝕掉，獲得孔底 穿通的多孔氧化鋁膜3 (如圖1(B))。二次氧化法的作用有二，一是提高多孔氧化鋁膜3孔 排列的有序度，二是通過控制一次氧化的時(shí)間減薄膜厚度。步驟3 在多孔氧化鋁膜3的表面淀積金屬，使金屬沉積在多孔氧化鋁膜3的孔洞 內(nèi)形成金屬點(diǎn)4(如圖1 (C))。其中在多孔氧化鋁膜3的表面淀積的是金屬單質(zhì)、合金或金 屬化合物，淀積的方法是采用蒸發(fā)、濺射、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積或化學(xué)鍍的方法。淀積 金屬時(shí)使金屬沉積在孔底，與半導(dǎo)體襯底接觸，同時(shí)控制金屬的厚度，使金屬在孔中部分填 充而不能覆蓋到孔表面。步驟4 將多孔氧化鋁膜3濕法腐蝕掉，選擇只腐蝕多孔氧化鋁而不腐蝕該金屬的 腐蝕液，從而在半導(dǎo)體襯底1上形成金屬點(diǎn)陣列(如圖1(D))。金屬點(diǎn)呈圓柱狀，彼此分立， 平均高度為50nm，平均直徑為80nm，平均間距為lOOnm。步驟5 以金屬點(diǎn)陣列為掩膜對(duì)半導(dǎo)體襯底1進(jìn)行干法刻蝕或濕法腐蝕(如圖 1 (E))，然后腐蝕去掉金屬點(diǎn)陣列，在半導(dǎo)體襯底1上形成半導(dǎo)體納米柱陣列5 (如圖1 (F))。以上只是舉出一個(gè)實(shí)施的例子，在制備過程中襯底1可以選擇不同的半導(dǎo)體材料 和結(jié)構(gòu)，如硅、鍺、III - V族半導(dǎo)體材料以及p-η結(jié)、量子阱等結(jié)構(gòu)。陽極氧化過程可以通過 不同的電解液，如草酸、磷酸、硫酸、乳酸溶液等，不同的溫度和電壓條件來生長結(jié)構(gòu)參數(shù)不 同的氧化鋁膜。在孔中淀積金屬點(diǎn)的方法可以選擇蒸發(fā)、濺射、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積、化學(xué)鍍等多種方法，金屬可以根據(jù)需要選擇金屬(包括合金)，金屬化合物，如氧化鋅、硫化 鎘等物質(zhì)。對(duì)襯底的刻蝕也可以選擇干法刻蝕或濕法腐蝕技術(shù)。本發(fā)明的核心思想是用兩步圖形轉(zhuǎn)移法實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體納米柱陣列結(jié)構(gòu)，幾何參數(shù) (直徑、高度、間距)達(dá)到幾十納米以下，便于調(diào)控，納米結(jié)構(gòu)陣列有序度高，且能夠大面積 制備，實(shí)現(xiàn)簡單，效率高。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟步驟1在一半導(dǎo)體襯底上生長鋁層；步驟2對(duì)鋁層進(jìn)行陽極氧化，形成孔洞由表面直達(dá)半導(dǎo)體襯底，形成多孔氧化鋁膜；步驟3在多孔氧化鋁膜的表面淀積金屬，在多孔氧化鋁膜的孔洞內(nèi)形成金屬點(diǎn)；步驟4將多孔氧化鋁膜濕法腐蝕掉，從而在半導(dǎo)體襯底上形成金屬點(diǎn)陣列；步驟5以金屬點(diǎn)陣列為掩膜對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕，去掉金屬點(diǎn)陣列，在半導(dǎo)體襯底上形成半導(dǎo)體納米柱陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，其中鋁層的生長方法是 采用電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或磁控濺射的方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，其中在多孔氧化鋁膜孔 中淀積金屬的方法是采用蒸發(fā)、濺射、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積或化學(xué)鍍的方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，其中在多孔氧化鋁膜的 表面淀積的是金屬單質(zhì)、合金或金屬化合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，其中半導(dǎo)體襯底的材料 是體材料，或是量子阱或超晶格多層結(jié)構(gòu)材料。
全文摘要
一種半導(dǎo)體納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟步驟1在一半導(dǎo)體襯底上生長鋁層；步驟2對(duì)鋁層進(jìn)行陽極氧化，形成孔洞由表面直達(dá)半導(dǎo)體襯底，形成多孔氧化鋁膜；步驟3在多孔氧化鋁膜的表面淀積金屬，在多孔氧化鋁膜的孔洞內(nèi)形成金屬點(diǎn)；步驟4將多孔氧化鋁膜濕法腐蝕掉，從而在半導(dǎo)體襯底上形成金屬點(diǎn)陣列；步驟5以金屬點(diǎn)陣列為掩膜對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕，去掉金屬點(diǎn)陣列，在半導(dǎo)體襯底上形成半導(dǎo)體納米柱陣列。
文檔編號(hào)B82B3/00GK101870453SQ20101018339
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者左玉華, 成步文, 王啟明, 白安琪 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所