專利名稱：導(dǎo)電納米線的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米線組件，特別是一種制造這種納米線組件的 方法。本發(fā)明還涉及多種電子器件，包括其中包含該納米組件的場效 應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
近些年，對納米導(dǎo)電物的研究大量增加。在此領(lǐng)域最常見的關(guān)注 在于納米線。在本說明書中，術(shù)語"導(dǎo)電納米線"或更簡單地稱為"納 米線"， 一般定義為一種細長物體，其截面的兩個垂直維度都在納米
范圍，例如0.2-20nm，并能沿其長度傳輸電荷。這兩個術(shù)語"納米 線"和"導(dǎo)電納米線"在本說明書中可以互換使用。重要的是要強調(diào) 截面的兩個維度都必須在此范圍內(nèi)，而不僅是它們中的一個。本領(lǐng)域 一般技術(shù)人員容易理解的是，如果拓寬此定義并建議截面的兩個維度 中的僅有一個處于納米范圍，則當(dāng)其厚度，即截面的兩個維度之一在 此范圍時，任何薄膜將滿足此納米線定義。實際上，厚度在納米、甚 至亞納米范圍內(nèi)的連續(xù)薄膜是公知的，并不是本發(fā)明的對象。重要的 是要強調(diào)納米線必須能沿其長度傳輸電荷。這意味著這些納米線必須 置于具有相對較高電阻的襯底上，即襯底的電阻必須至少不是遠小于 納米線本身的電阻，或者必須利用一層絕緣材料將襯底與納米線隔 開。如果不能滿足此條件，則大部分電流將從納米線漏到襯底中。第 二通用條件是，為了沿納米線傳輸電流，應(yīng)該可以將輸入和輸出觸點 連接到其上。實際上，這意味著納米線或納米線陣列應(yīng)該位于平襯底 上，因為與未支撐納米線形成接觸是困難的。
隨著電子器件不斷小型化，其中晶體管的漏極和源極的尺寸減小 到IOO腿以下的范圍，而且也由于預(yù)期材料的電和光性能在其尺寸減
小到納米范圍時可能發(fā)生改變，導(dǎo)電納米線的重要性增大。例如，硅 由于是間接帶隙材料，而不具有可見光發(fā)光特性，但相反地，硅納米
線具有可見光光致發(fā)光特性(J.D. Holmes, et al， Science, 287(2000)1471)，這打開了應(yīng)用其制作激光器的前景。 一些塊狀態(tài)中 導(dǎo)電的材料，可以在納米線形式下變成半導(dǎo)體。
制造納米線的方法很多，下面將公開其中的一些。 H. Hamatsu等人(Jpn. J. Appl. Phys. Vo135(1996)L1148-1150) 公開了一種形成硅納米線的方法，其基于對P-型(110) SIMOX襯底 上沉積的硅層進行的各向異性蝕刻。M. Macucci等人 (Microelectronic Engineering 61-62(2002)701—705)公開了另一 種制造尺寸小到50皿的Si納米線的光刻工藝。它是基于各向異性蝕 刻和蒸汽熱氧化。Xin-Yi Zhang等人(Advanced Materials, 13(2001) 1238-1241)公幵了另一種在六方密堆納米通道氧化鋁模板
內(nèi)利用熱解硅烷的方法。此方法生產(chǎn)一種垂直于襯底表面生長的刷狀 納米線陣列。此外，M. Lu等人(Chem. Phys. Lett. 374(2003)542)
公開了另一種利用化學(xué)氣相沉積在氧化鋁膜上形成硅納米線的方法。 Wen-Sheng Shi等人(Adv. Mater. 12(2000) 1343-1345)公開了另
一種通過將一氧化硅蒸發(fā)到平坦硅襯底上形成硅納米線的方法。按這 種方式得到的納米線相當(dāng)長，長度達到2mm。 JimjieNiii等人(Chem. Phys. Lett. 367(2003)528)公開了另一種形成硅納米線的方法。在 該后一種方法中，他們在存在氬和氫的情況下使用硅垸在陽極氧化 的、形成納米通道模板的鋁上化學(xué)氣相沉積硅。
F.J. Himpsel等人公開了另一種在硅表面形成納米線的方法
(Solid State Comm. 117(2001) 149-157)。他們的方法利用Si (111) 的鄰晶襯底(vicinal substmte)。他們在表面上沉積修飾襯底的臺 階(st印)邊緣的CaF2。他們證明，之后可以在這種襯底上形成Au 薄層，其中CaF2條紋用作引導(dǎo)Au納米點和納米線形成的模板。
制造納米線的另一類方法是基于在掠射角沉積。E. Olson等人
(Appl. Phys. Lett. 65(1994)2740-2742)公開了一種方法，其中 通過光刻在襯底上形成槽圖案。接著，在襯底上不沿著垂直襯底的方
向而是以一定角度沉積蒸發(fā)的材料流。在這種情況下，槽的壁遮擋材 料流到達槽底部的一些區(qū)域，從而形成沒有蒸發(fā)材料的區(qū)域分隔的蒸 發(fā)材料的線。
應(yīng)該指出的是，在相對襯底表面的掠射角沉積薄膜是相對公知
的，此題目有許多文獻。對于此技術(shù)的信息，請參看H. Alouachand C. G. Mankey， J. Mater. Res. 19(2004)3620。已經(jīng)證明，此技術(shù)可 以用于形成長出襯底平面的材料柱。大多數(shù)有關(guān)掠射角沉積的文獻都 涉及較厚的膜，并關(guān)注于開發(fā)幾十和幾百或更厚的平面外膜結(jié)構(gòu)。
T. Mueller等人公開的形成納米線的方法(Nucl, Instr. And Methods in Physics Research B 175-177 (2001) 468-473)也可以 被認為是基于掠射沉積的一類方法中的一種。在此方法中，通過各向 異性蝕刻以及隨后的表面氧化在Si (001)面上形成V槽陣列。接著， 使該表面受到Ge原子流。在槽底部形成最高濃度的Ge原子，因為槽
底部作為垂直于流的小區(qū)域，而槽壁相對于流成一定角度。以這種方 式，可以制成直徑小到30-40nm的Ge線。在通過有機金屬化學(xué)氣相 沉積在有V槽的襯底上生長GaAs/AlGaAs的情況下，達到類似效果， 如E. Kapon等人的報道(A卯l. Phys. Lett 60(1992)477-479)。在 此方法中，由于在槽頂和槽底的化學(xué)沉積反應(yīng)速度不同，從而在槽底 部形成納米線。
R. M. Penner公開了一種通過電沉積形成納米線的方法(J. Phys. Chem. B 106(2002)3339-3353)。在此方法中，由于與襯底的平坦區(qū) 域相比，電沉積反應(yīng)在臺階邊緣處發(fā)生得更快，所以納米線沿臺階邊 緣生長。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種制造納米線的技術(shù)，該技術(shù) 基本上是通用的，即可以應(yīng)用于許多種襯底和納米線材料，而不是限 制在特殊材料和特殊化學(xué)反應(yīng)。還需要形成具有很好限定的優(yōu)選取向 的規(guī)則納米線陣列，而不是不具有很好限定的優(yōu)選取向的納米線束。 還需要在相對絕緣的襯底上形成納米線，從而優(yōu)選地，襯底的電阻較 大，并且非明顯地遠小于納米線本身的電阻。還需要以電觸點可以連 接到其上的方式將納米線形成在襯底上。
本發(fā)明的第二目的是提供一種形成納米線的方法，與無支撐納米 線不同，該方法使得以平面方式將納米線置于襯底上。
本發(fā)明的另一個目的是提供位于襯底上的納米線，從而它們沿襯 底表面具有優(yōu)選的取向。
另一個目的是提供一種形成納米線陣列的方法，其中可以控制各 個納米線之間的平均間隔以及各個納米線的截面尺寸。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種陣列，其中納米線基本上在寬度 和闊度方面具有相同的截面尺寸。
本發(fā)明的另一個目的是提供P型和n型摻雜半導(dǎo)體材料的納米 線，適于制造基于納米線的場效應(yīng)晶體管。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種制造導(dǎo)電或半導(dǎo)電納米線陣列
的方法，包括以下步驟
(a) 在襯底(100)上形成帶臺階的原子臺面(atomic terrace) (2)的鄰晶表面(1);
(b) 沉積摻雜劑材料的分數(shù)層(fractional layer),以形成寬 度小于原子臺面寬度的納米帶(10);
其中摻雜納米帶原子擴散到襯底中形成納米線。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，步驟(b)的摻雜劑材料是As、 Sb、 In、 Ga、 Al、 B和P中的一種或多種，或者是從摻雜有As、 Sb、 In、 Ga、 Al、 B或P中的一種或多種的Si、 Ge或Si-Ge合金中選擇的摻雜半 導(dǎo)體材料。這里，此實施例中的"摻雜劑材料"也包括摻雜的半導(dǎo)體 材料。此外，在步驟(b)之后可以進行退火步驟。
根據(jù)本發(fā)明第一方面的一個優(yōu)選實施例，提供一種制造導(dǎo)電或半 導(dǎo)電納米線陣列的方法，包括
(a) 在襯底上形成帶臺階的原子臺面的鄰晶表面；
(b) 沉積摻雜劑材料的分數(shù)層，以形成寬度小于原子臺面寬度的 納米帶；
(c) 用覆蓋層(over layer)覆蓋納米帶以形成多層結(jié)構(gòu)；
(d)將多層結(jié)構(gòu)可選地退火，使摻雜納米帶的原子擴散到襯底和 覆蓋層之一或二者中以形成納米線。
如上所述，可以在步驟(c)中的沉積覆蓋層之前執(zhí)行附加的退火 步驟。此外，可以理解的是，步驟(c)包括用覆蓋層覆蓋包括納米帶 的大部分的原子臺面。因此，沒有納米帶的原子臺面表面也將被覆蓋 層覆蓋。
在本發(fā)明這個方面的一個特殊實施例中，多層結(jié)構(gòu)的最后退火步 驟是關(guān)鍵的，其方法包括步驟(a)、 (b)、 (c)和(d)。退火一般地允許 外延材料形成在納米線中。
根據(jù)本發(fā)明的這個方面， 一般如下所述形成摻雜納米帶校準形
成摻雜劑材料分數(shù)層的原子流，通過淺角沉積經(jīng)校準的流形成摻雜納米帶。
優(yōu)選地，淺角沉積發(fā)生在基本上等于襯底與低指數(shù)面的斜切角 度。應(yīng)該理解的是，根據(jù)本發(fā)明，術(shù)語"基本上等于"是指一個數(shù)值
范圍。例如，此術(shù)語意味著淺角沉積發(fā)生在襯底斜切角度0.05到15 倍的角度上。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，形成摻雜劑材料的分數(shù)層的原子流被 基本沿著沿下降臺階方向的斜切方位方向引導(dǎo)?；蛘撸纬蓳诫s劑材 料分數(shù)層的原子流可以被基本沿著沿上升臺階方向的斜切方位方向 引導(dǎo)。再次說明，需要理解的是，根據(jù)本發(fā)明，短語"基本上沿著" 或"廣泛沿著"將定義一個數(shù)值范圍?？梢岳斫獾氖?，原子流不必要 精確地對準沿著斜切方向的方位。原子流可以偏離精確的斜切方位并 仍提供原子臺面遮擋，也在本發(fā)明范圍內(nèi)。例如，可以沿著偏離方位 20到30度的方向引導(dǎo)所述流。此步驟的最終目的是在仍提供原子遮 擋的角度上引導(dǎo)所述流。這種淺角可以或多或少垂直于原子臺階，然 而仍提供原子遮擋。
理想地，本發(fā)明的方法導(dǎo)致襯底的原子臺面部分被原子臺階遮 擋，導(dǎo)致?lián)诫s劑材料在原子臺面的不同區(qū)域的不均勻覆蓋。這是這里 一般所稱的"原子臺面遮擋"。這主要是指，在一些區(qū)域，原子臺面 暴露在形成摻雜劑材料的分數(shù)層的原子流中，并且摻雜劑材料沉積在
這些暴露的區(qū)域以形成納米帶。但是，受到"原子臺面遮擋"的其它 區(qū)域是，它們被原子臺階部分遮擋，將不會暴露在所述流中。應(yīng)該理 解的是，襯底的斜切角度越大，實現(xiàn)此原子臺面遮擋的難度越大。作
為非限制性例子，可以理解的是，如果襯底的斜切角度是2度而所述 流在沿下降臺階方向的4度角度沉積，則得到的納米帶/納米線是原 子臺面寬度的一半。
根據(jù)本發(fā)明這個方面的一個優(yōu)選實施例，通過控制形成摻雜劑材 料分數(shù)層的校準原子流相對襯底的原子臺面的角度確定摻雜納米線 的寬度。
本發(fā)明的明顯優(yōu)勢在于，形成的納米線位于襯底上而不是沒有支 撐，另外此納米線的優(yōu)勢是以平面方式存在于襯底上。根據(jù)本發(fā)明還 可以提供納米線，使其沿襯底表面的給定方向以擇優(yōu)取向定位襯底 上。這也是本發(fā)明的另一個明顯優(yōu)勢。
可以理解的是，本發(fā)明的方法能形成導(dǎo)電或半導(dǎo)電納米線陣列，
其中納米線之間的間隔和納米線的截面尺寸可以控制。優(yōu)選地，納米 線之間的間隔是在約O. 2nm到約50nm的范圍內(nèi)。理想地，納米線的
截面尺寸在從約lnm到約50nm的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，可以沉積摻雜半導(dǎo)體材料以形成摻雜 納米線。優(yōu)選地，摻雜半導(dǎo)體的薄膜形成在襯底的鄰晶表面。如果以 這種方式使用摻雜半導(dǎo)體材料，可以理解的是，就不需要沉積覆蓋層 和隨后的退火步驟。納米線將在沉積摻雜半導(dǎo)體之后直接形成。
根據(jù)本發(fā)明這個方面的另一個實施例，沉積一層摻雜劑材料(分 數(shù)的或其它的)以形成納米帶。優(yōu)選地，以非掠射角沉積這層摻雜劑 材料，使襯底的整個表面或部分表面被摻雜物覆蓋。接著將表面暴露 在高能離子束下，以相對于表面的淺角蝕刻摻雜劑材料，從一部分原 子臺面去除摻雜劑材料，從而形成納米帶。優(yōu)選地，高能離子束以基 本等于襯底斜切角的角度校準和引導(dǎo)。高能離子束可以是加速到能量 為20keV或200keV的氬離子。
本發(fā)明這個方面的另一個實施例包括沉積一層(分數(shù)的或其它 的)摻雜劑材料以形成納米帶。優(yōu)選地，這層摻雜劑材料是以非掠射
角沉積的，使襯底的整個表面或大部分表面被摻雜物覆蓋。所述表面 暴露在化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的經(jīng)校準的束中，該化學(xué)反應(yīng)性物質(zhì)與襯底反應(yīng) 并將摻雜劑材料蝕刻掉，從而形成納米帶。優(yōu)選地，所述束以相對于 表面的淺角校準和引導(dǎo)。優(yōu)選地，該角度與襯底的斜切角度基本上相
等。優(yōu)選地，化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)是化學(xué)反應(yīng)等離子體，例如可以與Si反 應(yīng)并將其轉(zhuǎn)變成容易去除的Si&或另一氣體。
根據(jù)本發(fā)明的這種可選擇的實施例，原子臺面的一些區(qū)域未暴露 在所述束中，或者與其它區(qū)域相比暴露的程度非常小。這些區(qū)域形成 納米帶。納米線的寬度是通過控制所述束相對與襯底的原子臺面的角 度的能力控制的。
根據(jù)本發(fā)明這個方面的另一個實施例，在襯底的鄰晶表面上沉積 慘雜劑材料的分數(shù)層，從而形成寬度小于原子臺面寬度的納米帶。摻 雜納米線是通過淺角沉積形成摻雜劑材料的分數(shù)層的校準原子流形 成的。此淺角可以是基本上等于襯底斜切角或與其相當(dāng)?shù)慕嵌?pl)。
接著，納米帶可以在淺角((32)受到高能離子束蝕刻或襯底的化學(xué)反 應(yīng)粒子的經(jīng)校準的束，其中pi與(32不同，從而形成寬度小于原子臺 面寬度的納米帶。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，摻雜半導(dǎo)體材料的校準流以淺角沉 積在鄰晶襯底上，從而原子臺面的一些區(qū)域被遮擋而免受摻雜半導(dǎo)體 的流，而其它區(qū)域暴露在摻雜半導(dǎo)體的流中，從而形成與鄰晶襯底的 原子臺階相關(guān)的納米線陣列。淺角沉積可以在基本等于表面離開低指 數(shù)方向的斜切角度的角度發(fā)生。優(yōu)選地，校準流基本在沿上升臺階方 向的斜切方位方向上引導(dǎo)?；蛘撸柿骰驹谘叵陆蹬_階方向的斜 切方位方向上引導(dǎo)。
可以理解的是，如果摻雜納米帶是摻雜半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，用于 在所述表面上直接形成摻雜納米線，則不需要沉積覆蓋層或隨后的退 火步驟。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，在給定的單個原子臺面上可以形成 成對的相反摻雜的摻雜納米帶。根據(jù)本發(fā)明的"相反摻雜的摻雜納米 帶"將被理解為包括P型和n型摻雜劑材料的納米帶的一對納米帶。
形成這些成對的相反摻雜納米帶的方法一般包括如上所述的方 法，其中步驟(b)包括以下步驟
(i) 校準形成第一摻雜劑材料的分數(shù)層的第一原子流，并使第 一流對準相對于原子臺面的淺角，以便在原子臺階的內(nèi)邊緣形成第一 材料的摻雜納米帶；以及
(ii) 校準形成第二摻雜劑材料的分數(shù)層的第二原子流，并使第 二流對準相對于原子臺面的淺角，以便在原子臺階的外邊緣形成第二 材料的摻雜納米帶。
根據(jù)這個實施例，可以在原子臺階的內(nèi)臺階邊緣形成P型納米 帶，可以在原子臺階的外臺階邊緣形成n型納米帶。所述第一和第二
摻雜劑材料可以是相同材料或不同材料。接著可以在摻雜劑材料納米 帶上沉積覆蓋層，且可以可選地將此多層結(jié)構(gòu)退火，使摻雜劑材料能 夠擴散到覆蓋層中。
優(yōu)選地，(i)和(ii)的淺角具有不同的方位方向。
在本發(fā)明這個方面的一個實施例中，沿原子臺階的上升方向沉積 第一慘雜劑材料的第一流，而沿原子臺階的下降方向沉積形成第二摻 雜劑材料的分數(shù)層的第二原子流。
理想地，淺角是基本等于襯底的斜切角度的角度。
第一和第二摻雜劑材料可以是相同或不同材料。此外，第一和第 二慘雜劑材料具有不同原子濃度，以便在原子臺面的內(nèi)和外臺階提供 不同濃度的摻雜原子。例如，在原子臺階內(nèi)邊緣處的納米帶可以比原 子臺階外邊緣處的納米帶含有顯著地更多的摻雜劑材料。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第一和第二摻雜劑材料是摻雜半導(dǎo)體 材料。在此實施例中，不需要覆蓋層和隨后的退火步驟。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，鄰晶襯底可以是半導(dǎo)體或絕緣材料。鄰 晶襯底可以從以下材料中選擇一種Si、 Ge、硅-鍺合金、絕緣體上 硅(SOI)、 Mg0、 SrTi03、 MgAl必或A1203。
可選的是，可以通過對經(jīng)過光刻的斜切襯底進行熱處理形成鄰晶 襯底。例如，通過光刻在襯底上形成的溝槽陣列可以使原子臺階邊緣 更好地對準溝槽邊緣。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，斜切襯底可以在基本沿襯底表面的 斜切方向上所施加的電場中退火，以便促進原子臺面形成。
理想上，摻雜劑材料是從以下材料中選擇的一種或多種As、Sb、
In、 Ga、 Al、 B或P。優(yōu)選地，摻雜劑材料是As、 Sb、 In、 Ga、 Al、 B或P中的一種。
優(yōu)選地，納米帶位于原子臺面的內(nèi)臺階或外臺階。更優(yōu)選地，摻 雜納米帶是其所處的原子臺面寬度的約0. 01到約0. 9倍。
根據(jù)本發(fā)明一個實施例，覆蓋層是絕緣材料或半導(dǎo)體材料。理想 地，覆蓋層是一層SiGe合金。優(yōu)選地，覆蓋層和襯底具有不同的擴 散系數(shù)，從而材料從摻雜納米帶的擴散主要或全部進入對于摻雜劑材 料的擴散具有較大擴散系數(shù)的襯底或覆蓋層中。
根據(jù)一個優(yōu)選的實施例，鄰晶襯底和覆蓋層是不同材料。這也表 明，提供具有不同擴散系數(shù)的覆蓋層和襯底，使擴散主要或全部進入 具有較大擴散系數(shù)的一種材料中。
在本發(fā)明的另一個實施例中，在應(yīng)用摻雜劑材料的分數(shù)層形成納 米帶之前提供間隔納米帶。這導(dǎo)致的摻雜劑材料的分數(shù)層應(yīng)用出現(xiàn)在 未被間隔納米帶覆蓋的暴露表面上。優(yōu)選地，間隔納米帶包括低表面 能的間隔材料的分數(shù)層。根據(jù)本發(fā)明的"間隔納米帶"應(yīng)被理解為在 襯底上沉積摻雜劑材料之前可以在原子臺面上沉積的低表面能間隔 材料的分數(shù)層。
退火時間和溫度決定摻雜劑材料從納米帶擴散的程度，因此決定 納米線的直徑。理想地，退火時間相當(dāng)短，且在本發(fā)明的一些實施例 中不需要退火。
可以理解的是，根據(jù)本發(fā)明的第一方面， 一般地，需要隨后的處 理以露出納米線。根據(jù)本發(fā)明，可以利用對摻雜雜質(zhì)濃度敏感的蝕刻 工藝蝕刻覆蓋層，使納米線露出。這意味著蝕刻工藝較快地去除覆蓋 層的未摻雜區(qū)，使得摻雜劑材料通過擴散到達的區(qū)域露出。這也稱為 擇優(yōu)蝕刻?？梢岳斫獾氖?，如果本發(fā)明的摻雜劑材料是摻雜半導(dǎo)體， 則由于覆蓋層不可能存在而不需要蝕刻。
根據(jù)本發(fā)明一個較特殊的方面，所述方法的另一個實施例包括以
下步驟
在襯底上形成帶臺階的原子臺面的鄰晶表面；
沉積摻雜半導(dǎo)體材料，以形成寬度小于原子臺面寬度的納米線， 從而校準摻雜半導(dǎo)體材料的流并以與襯底斜切角度相當(dāng)?shù)慕嵌纫龑?dǎo) 該流，使表面的原子臺面部分被原子臺階遮擋，導(dǎo)致?lián)诫s半導(dǎo)體材料
在原子臺面的不同區(qū)域的不均勻覆蓋；
在沉積之后可選地對納米線進行退火。
以這種方式，可以在一個步驟中由摻雜的半導(dǎo)體材料沉積納米 線，而不需要沉積覆蓋層。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供包括根據(jù)本發(fā)明制成的納米線的多 種電子器件。
優(yōu)選地，電子器件是場效應(yīng)晶體管器件，包括柵極、漏極和源極 以及在漏極和源極之間的溝道，其中在漏極和源極之間的溝道包括根 據(jù)本發(fā)明的方法制成的一個或多個納米線。優(yōu)選地，柵極可以通過電 介質(zhì)層與納米線溝道隔開。理想地，電介質(zhì)層是一層氧化物或氮化物。
根據(jù)本發(fā)明這個方面的一個實施例，可以使用由P型和n型摻雜 半導(dǎo)體制成的本發(fā)明的納米線。在此實施例中，柵極是與溝道摻雜相 反的半導(dǎo)體材料。這意味著，例如，如果溝道包括P型摻雜的納米線， 則柵極是由n型摻雜的半導(dǎo)體形成，反之亦然。在本發(fā)明的這個實施 例中，可以不需要將柵極與溝道隔開的電介質(zhì)層。根據(jù)本發(fā)明這個方 面的另一個實施例，可以在絕緣體上硅(SOI)類型的襯底上形成一 個或多個納米線，其中在絕緣體下面理想地具有另一層重摻雜的硅， 作為柵電極。
根據(jù)本發(fā)明這個方面的另一個實施例，提供一種基于本發(fā)明的納 米線制造場效應(yīng)晶體管器件的方法，其中所述晶體管具有將柵極與溝 道隔開的電介質(zhì)層，包括在形成溝道的納米線上直接形成電介質(zhì)層， 優(yōu)選氧化物或氮化物的電介質(zhì)層，隨后在此電介質(zhì)層上形成柵極。
根據(jù)本發(fā)明的這個方面，還提供一種具有柵極和溝道的結(jié)型場效 應(yīng)晶體管，所述柵極和溝道包括根據(jù)本發(fā)明方法制成的一個或多個納 米線，其中柵極是用與溝道摻雜劑相反的摻雜劑慘雜的。優(yōu)選地，柵
極的摻雜劑是P型的或n型的，溝道的摻雜劑是p型的或n型的，其 中柵極和溝道的摻雜劑不同。例如，P型摻雜劑可以存在于柵極中， 而n型摻雜劑可以存在于溝道中，反之亦然。理想地，沒有電介質(zhì)層 將柵極與溝道隔開。
根據(jù)本發(fā)明第三方面，提供一種制造互補晶體管的方法，即利用 根據(jù)本發(fā)明第一方面制成的成對的相反摻雜納米帶的P型和n型晶體 管。根據(jù)本發(fā)明的這個方面，本發(fā)明基本方法的步驟(b)包括以下步 驟
a) 校準形成摻雜劑材料的分數(shù)層的第一原子流，并以相對于原 子臺面的淺角引導(dǎo)第一流，在原子臺階的內(nèi)邊緣形成第一材料的摻雜 納米帶；以及
b) 以相對于原子臺面的淺角引導(dǎo)形成摻雜劑材料的分數(shù)層的第 二校準原子流，以便在原子臺階的外邊緣形成第二材料的掾雜納米 帶。
優(yōu)選地，(a)和(b)的淺角具有不同的方位方向。更優(yōu)選地，第一 摻雜劑材料的第一流沿原子臺階的上升方向沉積，而形成第二摻雜劑 材料的分數(shù)層的第二原子流沿原子臺階的下降方向沉積。更優(yōu)選地， 該淺角是基本上等于襯底斜切角度的角度。
理想上，第一和第二慘雜劑材料是相同或不同的材料。或者，在 內(nèi)和外臺階邊緣形成的納米帶具有不同的摻雜劑材料的量。
通過在納米線上形成電介質(zhì)層并隨后在電介質(zhì)層頂部形成晶體 管的柵極，可以由如上所述的互補晶體管制成晶體管。
根據(jù)本發(fā)明這個方面的一個實施例，在形成納米線過程中，沉積 覆蓋層以形成多層結(jié)構(gòu)，并使多層結(jié)構(gòu)受到可選的退火步驟，使摻雜 劑材料擴散到襯底或覆蓋層中的一個或二者中，和/或?qū)崿F(xiàn)形成納米 線的外延材料。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，第一和第二摻雜劑材料是經(jīng)摻雜的 半導(dǎo)體材料。
根據(jù)本發(fā)明這個方面的另一個實施例，提供一種包括如上所述的 互補晶體管的晶體管，所述晶體管是通過在納米線上形成電介質(zhì)層并
隨后在電介質(zhì)層頂部形成晶體管的柵極制成的。優(yōu)選地，晶體管是利 用由兩個相反摻雜的半導(dǎo)體制成的互補晶體管制造的。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例，用于制造互補晶體管的方法可以 包括校準形成摻雜劑材料的分數(shù)層的第一原子流，并以基本等于襯底 的斜切角度的角度沿原子臺階的上升方向引導(dǎo)第一流，從而在原子臺 階的內(nèi)邊緣形成納米帶；以及沿原子臺階的下降方向引導(dǎo)形成摻雜劑 材料的分數(shù)層的第二原子流，以便在原子臺階的外邊緣形成納米帶， 從而形成相反摻雜的納米帶。
隨后，沉積覆蓋層并可以執(zhí)行可選的退火步驟，以便實現(xiàn)摻雜劑 材料到襯底或覆蓋層中的一個或二者中的擴散，和/或?qū)崿F(xiàn)納米線的 外延材料的形成。
或者，可以由具有相反類型摻雜的兩種半導(dǎo)體形成兩個柵極，例 如具有P型納米線的晶體管的柵極是n型半導(dǎo)體，具有n型納米線的 晶體管的柵極是P型半導(dǎo)體。在此實施例中，柵極不必通過電介質(zhì)層 與納米線隔開。
可選地，第一摻雜劑材料可以是經(jīng)摻雜的半導(dǎo)體材料，第二摻雜 劑材料可以是經(jīng)摻雜的半導(dǎo)體材料。第一和第二慘雜劑可以相同或不 同。在此實施例中，不需要覆蓋層，納米線內(nèi)的外延材料的形成是在 可選的退火步驟之后執(zhí)行。接著，由成對的納米線制成晶體管，首先 在納米線上形成電介質(zhì)層，再在電介質(zhì)層上形成柵極?；蛘撸梢杂?相反類型的摻雜的兩種半導(dǎo)體形成兩個柵極，例如具有P型納米線的 晶體管的柵極是n型半導(dǎo)體，而具有n型納米線的晶體管的柵極是P 型半導(dǎo)體。在此實施例中，柵極不必通過電介質(zhì)層與納米線隔開。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種制備導(dǎo)電或半導(dǎo)電納米線的方 法，包括以下步驟
(a) 利用光刻在襯底上形成規(guī)則的形貌圖案，其中形貌圖案是壁 的陣列、波形形貌或其它規(guī)則形貌圖案之一；
(b) 以相對于襯底表面的淺角沉積摻雜劑材料的經(jīng)校準的束，以 便形成位置與形貌圖案相關(guān)的摻雜劑材料的分數(shù)層，從而形成納米帶
(10);
(c) 用覆蓋層(11)覆蓋納米帶以形成多層結(jié)構(gòu)；以及
(d) 可選地對多層結(jié)構(gòu)進行退火，以便使摻雜納米帶的原子擴散
到襯底和覆蓋層中的一個或二者中，以形成納米線。
根據(jù)本發(fā)明這個方面的另一個實施例，提供一種制備導(dǎo)電或半導(dǎo) 電納米線陣列的方法，包括以下步驟
利用光刻在襯底上形成規(guī)則的形貌圖案，其中形貌圖案是壁的陣
列、波形形貌或其它規(guī)則形貌圖案之一；
以相對襯底表面的淺角沉積摻雜半導(dǎo)體材料的經(jīng)校準的束，以形 成位置與形貌圖案相關(guān)的摻雜半導(dǎo)體材料的分數(shù)層，從而形成納米帶
(10);
可選地對多層結(jié)構(gòu)進行退火，從而致使納米線中的外延材料形成。
根據(jù)本發(fā)明的這個方面，納米線可以形成在方波形襯底的垂直壁 上。例如，襯底可以通過擇優(yōu)蝕刻。理想地，方波形襯底的垂直壁約
為5nm到10腦寬，而高約為5畫到30跳理想的間隔約為5腦到30nm。 根據(jù)本發(fā)明的這個方面，所述壁不必要是垂直的，而可以相對于
與襯底表面垂直的方向傾斜。
或者，形貌圖案可以是波浪形的，例如，蝕刻到襯底上的正弦波剖面。
優(yōu)選地，慘雜劑材料是從As、 Sb、 In、 Ga、 Al、 P或B中選擇的 一種或多種。
理想地，慘雜劑材料以淺角沉積在波浪形襯底或含有另外的形貌 圖案的襯底的一部分垂直壁上。由于相鄰壁的遮擋作用，這保證摻雜 劑材料僅僅入射到一部分襯底上。以與摻雜層的沉積角相同或基本相 同的角度沉積覆蓋層，以形成多層結(jié)構(gòu)，其中摻雜層介于襯底與覆蓋 層之間。接著，使摻雜層/覆蓋層(多層)結(jié)構(gòu)經(jīng)過退火步驟，例如 熱處理，方式類似于本發(fā)明的其它實施例。在熱處理時，摻雜劑材料 擴散到覆蓋層和襯底中的一個或二者中，從而形成摻雜納米線。
系統(tǒng)可以如此使用，覆蓋層可以用于在納米線中產(chǎn)生應(yīng)變，從而 以增強載流子遷移率的目的影響載流子的遷移率。此應(yīng)變是由襯底與覆蓋層之間的晶格失配產(chǎn)生的，因此這可以通過選擇襯底與覆蓋層的 正確組合進行控制。
根據(jù)本發(fā)明這個方面的另一個實施例，納米線是通過擇優(yōu)蝕刻去 除任何未經(jīng)摻雜的材料而露出的。
應(yīng)該理解的是，本發(fā)明這個方面的方法是在與本發(fā)明第一方面相 同或類似條件和材料下執(zhí)行的。例如，襯底可以是半導(dǎo)體或絕緣材料。
襯底可以從以下材料中選擇一種Si、 Ge、絕緣體上硅(SOI)、 Mg0、 SrTi03、 MgAlA或Al;A。
理想地，摻雜劑材料是As、 Sb、 In、 Ga、 Al、 B或P中的一種。 優(yōu)選地，摻雜劑是P或B。經(jīng)摻雜的半導(dǎo)體可以是摻雜有As、 Sb、 In、 Ga、 Al、 B或P之一的Si、 Ge或者Si-Ge合金。
覆蓋層可以是絕緣材料或半導(dǎo)體材料。理想地，覆蓋層是一層 Si、 Ge或SiGe合金。
根據(jù)一個優(yōu)選實施例，襯底和覆蓋層是不同的材料。優(yōu)選地，覆 蓋層和襯底具有不同的擴散系數(shù)，從而從摻雜納米帶擴散的材料主要 或全部進入擴散系數(shù)較大的襯底或覆蓋層。
在本發(fā)明的另一個實施例中，在應(yīng)用慘雜劑材料的分數(shù)層形成納 米帶之前提供間隔納米帶。這造成摻雜劑材料的分數(shù)層將施加在未被 間隔納米帶覆蓋的暴露表面上。優(yōu)選地，間隔納米帶包括低表面能的 間隔材料的分數(shù)層。根據(jù)本發(fā)明的"間隔納米帶"將被認為是指低表 面能的間隔材料的分數(shù)層，其可以在襯底上沉積摻雜劑材料之前沉積 在壁形襯底表面上。
退火時間和溫度決定摻雜劑材料從納米帶擴散的程度，因此決定 納米線的直徑。理想地，退火的時間較短，且在本發(fā)明的一些實施例 中將不需要退火。
可以理解的是，在根據(jù)本發(fā)明的任何方法中，需要后續(xù)處理以露 出納米線。根據(jù)本發(fā)明，可以利用對摻雜雜質(zhì)的濃度敏感的蝕刻工藝 蝕刻覆蓋層，使納米線露出，這意味著蝕刻工藝較快地去除覆蓋層的 未摻雜區(qū)，而將摻雜劑材料通過擴散進入的區(qū)域露出。
本發(fā)明上述方面的其它細節(jié)和工藝條件也可以應(yīng)用于本發(fā)明第 四方面。
此外，根據(jù)本發(fā)明該方面的納米線也適于制造不同的電子器件， 特別是諸如場效應(yīng)晶體管或結(jié)型晶體管等晶體管。這些器件及其結(jié)構(gòu) 已經(jīng)參考本發(fā)明的上述方面進行了描述，且也可以應(yīng)用于本發(fā)明的該 方面。
在本發(fā)明該方面的一個實施例中，場效應(yīng)晶體管是背柵場效應(yīng)晶 體管。
根據(jù)該方面，提供一種利用根據(jù)本發(fā)明方法制成的納米線制造具 有柵極和溝道的背柵場效應(yīng)晶體管的方法，其中晶體管具有將柵極與 溝道隔開的電介質(zhì)層，包括如下步驟
選擇在電介質(zhì)氧化物層下面具有重摻雜半導(dǎo)體層的絕緣體上硅 (SOI)襯底；
利用光刻在襯底上形成壁或其它形貌結(jié)構(gòu)陣列； 通過以相對于襯底表面的淺角引導(dǎo)摻雜劑材料的經(jīng)校準的束而 沉積摻雜劑材料；
沉積半導(dǎo)體材料的覆蓋層以形成多層結(jié)構(gòu)；以及 可選地，對多層結(jié)構(gòu)進行退火，其中摻雜劑材料到襯底或覆蓋層 中的一個或二者中的擴散形成納米線和/或形成納米線的外延材料。
在此實施例中，在襯底中的氧化物層下面的硅摻雜層作為晶體管 的柵極。覆蓋層和退火步驟是可選的。
根據(jù)本發(fā)明的所有方面，可以理解的是，在沉積摻雜劑材料或經(jīng) 摻雜的半導(dǎo)體材料過程中，襯底需要保持在與室溫基本上不同的溫度 下。最佳溫度取決于沉積所使用的材料組合。在外延材料生長過程中 通常使用較高的襯底溫度，以便得到較高質(zhì)量的外延生長。


參考附圖，通過對僅僅作為例子給出的一些實施例的描述，將更
加清楚地理解本發(fā)明，其中
圖1是襯底的典型鄰晶表面的透視圖2是垂直于鄰晶襯底的臺面臺階的截面圖； 圖3示意性示出襯底上沉積的到達平衡位置之前的一層吸附原
子，圖中示出吸附原子位于臺面臺階的外和內(nèi)邊緣； 圖4表示在臺面臺階的內(nèi)邊緣形成封閉的分數(shù)層； 圖5是在臺面臺階的內(nèi)邊緣形成的封閉的分數(shù)層的透視圖； 圖6示意性示出在臺面臺階的外邊緣的具有封閉分數(shù)層的形成
過程中的一部分另一個納米線陣列；
圖7示意性示出形成納米線陣列的中間步驟；
圖8示意性示出納米線陣列；
圖9示出納米線陣列的另一個實施例；
圖IO示出納米線陣列的另一個實施例；
圖ll示出納米線陣列的另一個實施例，其中露出納米線； 圖12示出基于根據(jù)本發(fā)明所形成的納米線的晶體管器件； 圖13示出基于根據(jù)本發(fā)明所形成的納米線的晶體管器件的另一 個實施例；
圖14是示出在臺面臺階的外邊緣形成納米線的過程的截面圖15是根據(jù)本發(fā)明所形成的納米線的示意圖16是示出在臺面臺階的內(nèi)邊緣形成納米線的過程的截面圖17示意性示出形成根據(jù)本發(fā)明的納米線的一種裝置；
圖18示意性示出納米線陣列的另一個實施例；
圖19示意性示出納米線陣列的另一個實施例。
具體實施例方式
在本發(fā)明的說明書中，術(shù)語"鄰晶"不僅是簡單地應(yīng)用其"相鄰" 或"鄰近"的常見含義，而且也指隨后斜切襯底的處理所形成的臺面 的特性。因此，如同可以被本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所理解的那樣，短句 "襯底的鄰晶程度"是指此襯底多大程度上可以表示為平坦區(qū)域(稱 為臺面)的陣列，該臺面在這些區(qū)域之間具有上升或下降的臺階(稱 為臺面臺階)，并且也反映出臺面臺階的平直度以及在大量臺階和襯 底的宏觀區(qū)域上保持上升/下降方向的程度。沒有一個術(shù)語能夠描述 如何處理鄰晶襯底以實現(xiàn)所需的臺面，這取決于襯底材料。這在本說
明書中詳細解釋。因此，"襯底的鄰晶程度"是指選擇材料、使用不 同斜切角度、執(zhí)行切割面不同的處理并確定最佳切割角度和處理，以 便提供薄膜和襯底之間所需的相互作用，從而達到本發(fā)明目的。因為 材料變化且處理改變，所有能說明的是使用最佳切割角度和處理以提 供此鄰晶表面，像本說明書中再次描述的一樣。為此，方便的術(shù)語可 以是"鄰晶處理"或"所鄰晶處理的"，用于覆蓋選擇薄膜和襯底的 組合，正確的斜切角度和斜切方向，以及襯底的隨后處理，從而提供 根據(jù)本發(fā)明的所需納米線。
在本說明書中，術(shù)語"膜"和"層"可以互換使用。在此說明書 中，其中原子面密度低于表面的每個臺面內(nèi)的原子面密度的膜或?qū)颖?稱為分數(shù)層。這些膜不完全覆蓋其附著的表面，露出一些裸露的襯底
區(qū)。分數(shù)層也可以說成是名義厚度(nominal thickness)小于一個 單層的膜。因此在本說明書中，名義厚度為一個單層的膜是其中原子 面密度等于襯底的原子面密度的膜。需要指出的是，也可以使用第二 慣例，其中一個單層厚的膜定義為膜中的原子面密度等于在平行其表 面的大塊膜材料的原子平面中的原子面密度。例如，假定具有(100) Miller指數(shù)取向的襯底A中的原子面密度為2. 5xl0lflatoms/m2，假定 材料B在襯底上外延生長的膜最終也在(100) Miller指數(shù)面。假定 材料B的(100)面內(nèi)的原子面密度為1.25xlOi9atom/m2。在這種情況 下，根據(jù)第二慣例被認為是封閉單層的層等價于根據(jù)第一慣例的單層 的一半。根據(jù)材料A和B的具體選擇并根據(jù)生長是否是外延生長，第 一或第二約定都可以是較為方便的。但是，為了清楚起見將遵守第一 慣例。
在提到"鄰晶表面"、"原子臺面"和"臺面臺階"時也難以命名。 "鄰晶表面"包括"原子臺面"。因此，每個原子臺面是鄰晶表面的 較平坦區(qū)域。如同下面的解釋，實際上，原子臺面不是完美的平面， 而是含有原子褶皺、缺陷、吸附物和原子級重構(gòu)，但此時這不是關(guān)鍵。 在垂直方向(即垂直于原子臺面的方向)的相鄰臺面之間的間隔被稱 為臺面臺階。臺面臺階的尺寸通常近似于平行于原子臺面的原子層之 間的間隔(通常為2A，等于0.2nm，等于2xl0^m)，雖然在有分支臺
階(bunched st印)或多個臺階的情況下可以是其倍數(shù)。例如，可以 是晶體結(jié)構(gòu)中原子層之間間隔的兩倍、四倍，甚至是十倍。另一方面， 原子臺面的寬度通常遠遠大于原子間距，例如，可以至少是lrnn或更 常見的10到50nm或者甚至大于100nm。這示出在圖1和圖2中，并 在下面更加詳細地討論。但是，為了使圖易于看懂，所有原子臺面的 寬度通常不按比例地縮小示出。例如，在圖1和2中，原子臺面的寬 度僅僅示出為大致等于臺面臺階的三倍，使它們僅為0.6nm寬，也就 是說，在實際情況中它們是極窄的臺面。在鄰晶表面中，上升臺階的 方向通常在相當(dāng)大區(qū)域內(nèi)保持不變。例如，經(jīng)過很多原子臺面，向左 的臺階一直是上升的或者一直是下降臺階。可以理解的是，隨后上升 或隨后下降臺階的順序在所有原子臺面之間不是完美地保持。例如， 在典型的鄰晶表面中，上升臺階之后可以是一個或兩個下降臺階，然 后是許多上升臺階，等等。應(yīng)該理解的是，宏觀上鄰晶表面通常不是 精確地平行于各個原子臺面。
圖1和圖2示意性示出中止于鄰晶表面的鄰晶襯底100的例子， 一般地由參考標記1表示。鄰晶表面1包括在本說明書中稱為低 Miller指數(shù)的臺面，原子臺面2。原子臺面2在垂直方向由臺面臺階 3隔開，即在垂直于每個原子臺面的方向。臺面臺階在一些附圖中也 用參考標記103標識。鄰晶表面可以由許多晶體材料形成。原子臺面 可以形成為具有不同Miller指數(shù)，例如(100)、 (110)、 (111)是原 子臺面的常見指數(shù)。具有某些指數(shù)的臺面可以容易地形成，而具有其 它指數(shù)的臺面則不然。這取決于不同原子臺面的表面能，從而取決于 材料的晶體結(jié)構(gòu)。對于導(dǎo)電材料，通過掃描隧道顯微鏡(STM)可以 容易地看到原子臺面；對于導(dǎo)電的和絕緣材料，通過原子力顯微鏡
(AFM)可以容易地看到。很多研究者，包括一些本發(fā)明的發(fā)明者， 已經(jīng)深入地研究了原子臺面，例如S.Murphy， D. M. McMathuna， G.Mariotto， I. V. Shvets， Physical Review B 66 (19) 195417(2002)，
"Morphology and strain induced defect structure of ultrathin 印itaxial Fe films on Mo(110)"。鄰晶表面的特征在于斜切方向， 給出臺面臺階的平均方向。對于本說明書，定義斜切方向為垂直于臺
階邊緣的平均方向的方向。圖1的斜切方向以直線示意性標記，用標
記101表示。例如，原理上，(001)面可以具有沿〈100〉或〈110〉晶體
學(xué)方向或沿很多其它方向?qū)实呐_面臺階。再者，實際上，臺面臺階 的某些晶體學(xué)方向可以容易地得到，而其它一些不能。結(jié)果主要取決 于原子臺面的晶體學(xué)指數(shù)和材料類型，它們由于較低的臺階能量而在 一些方向而不是其它方向上擇優(yōu)取向。應(yīng)該理解的是，對于大多數(shù)表 面，臺面臺階不是完美的直線。然而，對于很多表面，可以容易地識 別臺面臺階的平均典型方向。每個臺面的特征在于臺面寬度。在圖l 中， 一個臺面的臺面寬度表示為L。很明顯，在不同位置的相同臺面 可以具有不同寬度，因為臺面臺階實際上常常不是完美地形成彼此平 行的直線。然而，平均的典型臺面寬度常常仍用于標識表面。這涉及
到所謂的平均斜切角度。此斜切角在圖2中標記為字母oc，并可以大 致定義為原子臺面2與整個表面方向102之間的角度。圖2示出垂直 于臺面臺階的表面的截面。 一般地，斜切角度越大，平均原子臺面寬 度越小。實際上，如上所述，臺面2的相對寬度1,比臺階3的高度大 很多倍，而不像圖l和圖2所示一樣。
應(yīng)該強調(diào)的是，鄰晶(100)面，例如從(100)面切余(off-cut) 的表面，嚴格地說不再是具有(100)取向的面。嚴格地說，斜切面 的總平均取向由另一套指數(shù)表征。例如，可以是具有指數(shù)(20 0 1) 的面，盡管此面內(nèi)的每個原子臺面仍由(100) Miller指數(shù)表征。但 是，在本說明書中為了簡化，稱該面為鄰晶(100)。
形成鄰晶面的方法己經(jīng)在文獻中大量描述。 一般地，這些方法基 于使用金剛石鋸、電火花腐蝕或另外適合的技術(shù)相對于低指數(shù)方向在 所需角度切割表面，并拋光表面，例如，通過使用金剛石膏，或通過 電化學(xué)拋光的方式。接著，利用高分辨率X射線衍射儀(服XRD)表 征此表面。測量斜切角的程序是本領(lǐng)域一般技術(shù)人員公知的?？梢詤?看本發(fā)明申請人提交的PCT專利申請No. PCT / IE04 / 00034。
為了在斜切襯底上形成臺面，常常需要導(dǎo)致原子級重構(gòu)的處理。 根據(jù)一種方法，可以將表面在真空或超高真空中退火。在退火過程之 間可以用原位掃描隧道顯微鏡(STM)表征，即STM位于真空系統(tǒng)中。而且，作為現(xiàn)有技術(shù)的背景信息，可以參看本申請的一些發(fā)明者的文
獻，例如S. Murphy, G. Mariotto, N. Berdunov， I.V. Shvets Phys. Review B， 68 Art Nol65419(2003)。另一種方法包括通過例如真空 中的Ar離子的方式離子蝕刻保持在較高溫度下的表面(J. Naumann， J. Osing， A. Quinn， I. V. Shvets，"Morphology of sputtering damage on Cu(lll) studied by scanning tunnelling microscopy", Surface Science 388(1997) 212-219)，該文獻通過引用包括在本說 明書中。或者，可以在表面上設(shè)置化學(xué)反應(yīng)，從而反應(yīng)速度取決于原 子臺面的Miller指數(shù)。結(jié)果，可以形成很好限定的臺面。在一些情 況下，通過使電流流過襯底對襯底退火是有益的。在一些情況下，電 流相對斜切方向的方向?qū)τ谛纬稍优_面是重要的(A. Sgarlata， P. D. Szkutnik, A. Balzarotti, N. Motta， F. Rosei, Applied Physics Letters, 83 4002 (2003))。在SrTiO3(100)面的研究中可以發(fā)現(xiàn)形 成鄰晶表面的程序的另一個例子(K. Sudoh， H. Iwasaki， Surface Science Letters 557 L151 (2004))。其它可能的方法還包括使表面 受到化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)。沒有一條普遍適用的規(guī)則用于找到形成具有 良好限定臺面的鄰晶表面的條件。 一般對于任何給定的材料和原子臺 面的所需Miller指數(shù)對條件進行優(yōu)化。
參看圖3，示出鄰晶襯底，也由相同的參考標記100表示。襯底 中止在鄰晶表面， 一般由參考標記l示出。圖3示出薄膜的原子5隨 機沉積在鄰晶表面1上。這種幾乎隨機分布的原子可以在表面上運 動，以達到平衡或準平衡位置。這些原子稱為吸附原子。如果襯底的 溫度不足以高到促進吸附原子5在表面的遷移率，則它們形成簇5b， 單個吸附原子5幾乎隨機分布在表面1的每個原子臺面2上。當(dāng)襯底 溫度升高時，吸附原子的遷移率也增大。在足夠高溫度下，吸附原子 5在整個表面1上遷移，到達能量最低的位置。通常，這些是具有最 高配位數(shù)的位置，即吸附原子5最近鄰的原子最高數(shù)。在臺面表面上， 這些常常是在每個臺面2的內(nèi)邊緣的位置，即臺階103。位于臺面內(nèi) 邊緣的這樣一個原子標記為標號5(a)。在一些材料中，吸附原子的 最低能量位置處于原子臺面的外臺階邊緣104。此外，在臺面表面1
上，吸附原子5的運動通常限制在每個原子臺面2的邊界內(nèi)。原因是 原子臺面之間的吸附原子5的移動需要克服大的能量勢壘。結(jié)果，吸 附原子5本身在每個臺面2上重排，沿圖3方位平均向左遷移(如果 斜切的方向顛倒，則吸附原子遷移的方向也顛倒)。以這種方式，吸 附原子可以形成封閉部分單層，由參考標記6表示，如圖4所示，其 邊界向右運動。在圖4中，與先前附圖所描述的類似的部分用相同的 參考標記表示。如果一半的名義單層沉積在表面l上，則每個原子臺 面2的大約一半由封閉部分單層6覆蓋。這不取決于原子臺面的寬度: 臺面寬度越大，沉積在其上的吸附原子5的數(shù)量越多。換句話說，原 子臺面2從蒸發(fā)器流中捕獲的吸附原子5數(shù)量正比于臺面2的面積。 圖5示意性地示出部分封閉層的透視圖。
對于形成襯底100和納米線的某些材料組合，吸附原子5不朝向 臺面2內(nèi)邊緣遷移，而朝向外邊緣104，如圖6所示。再次重申，與 先前附圖描述類似的部分用相同參考標記表示。形成分數(shù)層6是發(fā)生 在內(nèi)邊緣還是發(fā)生在外邊緣取決于吸附原子5處于表面1上時的鍵合 特性。則在圖3中，吸附原子5平均向右運動。圖3、 5、 6示出形成 分數(shù)層的材料的吸附原子5為矩形，其高度大于襯底1的臺面臺階3 的高度。這反映出形成襯底1和分數(shù)層6的材料包括具有不同原子半 徑的不同原子。這形成正性的或負性的分數(shù)臺階。正性分數(shù)臺階的例 子示出在圖4中。對這些臺階的觀察己經(jīng)在文獻中報導(dǎo)(S. Murphy， D. MacMathuna， G. Mariotto， I. V. Shvets， "Morphology and strain-induced defect structure of ultrathin epitaxial Fe films 。n Mo(110)" ， Physical Review B， 66 195417 (2002))。
如果在沉積之后對具有散射在原子臺面上吸附原子的襯底進行 退火，則吸附原子可以重排成封閉分數(shù)層。如果襯底在沉積過程中保 持在較高溫度，則對于一些襯底吸附原子材料組合將實現(xiàn)封閉分數(shù)層 的類似形貌。如上所述，在這種情況下，臺階邊緣的位置隨著生長進 行而連續(xù)變化，并且更多的吸附原子結(jié)合進封閉分數(shù)層，從而在每個 原子臺面的封閉分數(shù)層的邊緣隨著生長進行而移動。這種生長是公知 的臺階流動生長。臺階流動生長對于均相外延生長來說容易實現(xiàn)，例
如，Si在Si表面生長或者Au在Au表面生長。特別是對于薄膜的初 始幾個單層，如果薄膜和襯底材料非常相似，這也可以實現(xiàn)，例如 Ge在Si上生長。
還需要指出的是，對于很多材料，平衡生長并不形成臺階流動生 長模式。實際上極其取決于膜、襯底和界面的表面能。 一般地，如果 膜的表面能明顯低于襯底，則臺階流動生長模式可能難以實現(xiàn)。在一 些情況下，臺階流動生長需要過高溫度，在此溫度下膜材料與襯底材 料合金化/反應(yīng)，或者甚至擴散到大塊襯底中。因此，在這些情況下， 臺階流動生長實際也不能實現(xiàn)。
還需要指出的是，封閉分數(shù)層也可以含有大量缺陷，包括空位、 位錯、下一層膜的成核，等等。
上面現(xiàn)有技術(shù)的描述作為背景信息，下面參考圖7和圖8描述本 發(fā)明。多個不同實施例能有效地示出與圖7和圖8相同的附圖，雖然 它們可以由不同材料形成。因此，圖7和圖8用于描述本發(fā)明的很多 實施例。這樣做是為了避免混淆。此外，在圖7和圖8中，與參考先 前附圖描述的那些相同的部分用相同參考標記表示。下面參看圖7和 圖8描述本發(fā)明的第一實施例，其中提供襯底，襯底具有半導(dǎo)體材料 的至少一個上部，以形成鄰晶半導(dǎo)體表面。這也可以是，例如，具有 鄰晶(111)面或者其它Miller指數(shù)的鄰晶面的Ge或Si。也可以是 絕緣襯底，在上面按其形成鄰晶表面的方式沉積半導(dǎo)體的外延膜。還 提供一種適合的摻雜劑材料，從而它可以在半導(dǎo)體材料中形成施主或 受主型(n型或p型)雜質(zhì)。半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域一般技術(shù)人員公知的摻
雜劑材料有很多，并且用于與這些摻雜劑材料組合的半導(dǎo)體材料也有 很多。這樣，此摻雜劑材料的分數(shù)層置于臺面2上，如上所述。因此， 它形成摻雜納米帶10。納米帶10含有由參考標記10(a)表示的摻雜 雜質(zhì)。納米帶10可以在原子臺面2的內(nèi)臺階或外臺階生長。兩種結(jié) 構(gòu)都是可以接受的。甚至分數(shù)層在每個原子臺面2上形成兩個納米帶 的情況也是可以接受的 一條在抵靠臺階的內(nèi)部位置103，另一條在 外臺階邊緣104。后一種結(jié)構(gòu)是非常不常見的，僅僅對于非常少的幾 個例外的膜一襯底材料組合才能實現(xiàn)。然而，這種例外組合對于本發(fā)
明的實現(xiàn)仍是可以接受的。像在背景信息綜述中解釋的，分數(shù)層意味
著摻雜納米帶10的寬度小于它們所處的原子臺面2的寬度。例如， 其寬度可以是納米帶10所外的相應(yīng)原子臺面的0.01或0. l或0.8倍。 在一個典型的實施例中，如上所述，摻雜納米帶10的材料使其可以 在半導(dǎo)體材料中形成施主或受主型(n型或p型)雜質(zhì)。例如，在半 導(dǎo)體材料是Ge或Si時，這可以是As、 Sb、 In、 Ga、 Al、 B或P (或 者實際上是一些其它材料)。
雖然有很多模型描述滿足不同生長模式的條件，但其預(yù)測的定量 精確度常常是有問題的。因此，找到半導(dǎo)體納米線生長的正確條件的 最可靠方式是經(jīng)驗襯底的溫度和膜沉積速率必須由實驗優(yōu)化，從而 達到與臺面臺階對應(yīng)的生長。所需的溫度取決于襯底和膜的材料、襯 底的晶體學(xué)方向，在一定程度上還取決于原子臺面的寬度，以及材料 的沉積速率。 一般地，沉積速率越大，所需的襯底溫度越高。應(yīng)該注 意的是，襯底的溫度過高可能是不利的，因為在某些溫度下可以在沉 積過程中發(fā)生襯底材料與膜材料之間的中間合金化。以這種方式，膜 材料可以埋在襯底中，而在表面形不成納米帶。優(yōu)化生長條件的方便 方式包括使用掃描隧道顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)檢査膜 的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化程序通常包括保持沉積速率恒定，例如每分鐘0.03nm 到10rm。此沉積速率僅僅作為例子。接著在不同襯底溫度下沉積很 多膜。利用STM或AFM表征在每個溫度下生長的膜。旨在建立外延生 長條件的這種研究的一個例子可以在這里作為背景信息而引用的一 些發(fā)明者的文獻中發(fā)現(xiàn)，但應(yīng)該記住的是，使用不同材料組合，Mo(llO) 表面作為襯底(S, Murphy, D. M. MacMathuna， G. Mariotto, I, V. Shevts' Phys Review B 66 Art No 195417 (2002))。
還需要注意的是，形成摻雜納米帶10的封閉分數(shù)層不必要按照 詞的整個字面意思那樣是封閉的，即其中可以具有間隙、孔和缺失原 子。重要的是在原子臺面的基本上裸露的部分與基本上被摻雜納米帶 IO覆蓋的部分之間形成差別。同樣，納米帶10可以由局部厚度大于
一個單層的區(qū)域構(gòu)成。
接著，用覆蓋層11覆蓋慘雜納米帶層，形成圖7所示的多層結(jié)
構(gòu)。覆蓋層11可以是半導(dǎo)體材料，但也可以是絕緣材料。接著，可 以將所形成的多層結(jié)構(gòu)進行處理，使摻雜納米帶的元素擴散到其相鄰 的區(qū)域。以這種方式，其中具有摻雜雜質(zhì)的半導(dǎo)體區(qū)域形成優(yōu)選地沿 臺階邊緣對準的線。這些區(qū)域的位置在摻雜納米帶的附近。當(dāng)摻雜納 米帶形成間隔相對相等的一維結(jié)構(gòu)的規(guī)則陣列時，則整個結(jié)構(gòu)形成截 面尺寸在納米或幾十納米范圍內(nèi)的摻雜半導(dǎo)體區(qū)陣列，即納米線。通 常，這種導(dǎo)致?lián)诫s納米帶擴散的處理是短時退火。退火的溫度和時間 可以通過經(jīng)驗確定。作為退火溫度和退火時間研究的開始點，可以使 用來自半導(dǎo)體器件制造工業(yè)的數(shù)據(jù)。這是半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域一般技 術(shù)人員公知的。優(yōu)選地，退火時間應(yīng)該相當(dāng)短。其基本原理是退火 時間越長，擴散區(qū)越大。因此，在較長的退火吋間下，摻雜納米帶在 亞表面區(qū)周圍擴散，形成摻雜雜質(zhì)的二維輪廓，其中雜質(zhì)濃度主要取 決于一個坐標，即離表面的距離。在覆蓋層11沉積在其上之前退火 摻雜納米帶，可以導(dǎo)致與沉積覆蓋層之后進行退火的狀態(tài)完全不同的 狀態(tài)。覆蓋層11作為額外的措施，用于抑制元素橫向擴散而在整個 襯底表面上形成摻雜納米帶。如果覆蓋層11和襯底是不同的材料并
且如果摻雜雜質(zhì)10(a)的擴散系數(shù)在這兩種材料中完全不同，則摻雜
納米帶的材料優(yōu)選地擴散到具有較高擴散系數(shù)的材料中。
下面參看圖8，其中與參考前面附圖描述的那些部分相同的部分 用相同的參考標記表示。此納米線的形成示意性地表示為虛線所示的 納米線并用參考標記15示出。在圖8中，示出已經(jīng)進行退火并且已 經(jīng)形成納米線的狀態(tài)，其中納米線用參考標記15和虛線表示。圖8 示出摻雜雜質(zhì)10(a)在襯底100中的擴散系數(shù)大于在覆蓋層11中的 擴散系數(shù)的情況。圖9示出與此實施例相關(guān)的一種極端情況，其中在 覆蓋層ll中的擴散系數(shù)小得可以忽略。在這種情況下，所有摻雜納 米帶擴散到襯底中，從而在襯底100中形成半導(dǎo)體納米線15.
在另一個實施例中，還參看圖7和圖8，鄰晶襯底100不同半導(dǎo) 體材料，而是絕緣材料，例如Mg0、 SrTiO" MgAl晶、A1A等。在此 實施例中，覆蓋層ll是半導(dǎo)體材料。在此實施例中，半導(dǎo)體納米線 15時掾雜覆蓋層區(qū)域11。形成半導(dǎo)體納米線15陣列，其中它們平行
于鄰晶襯底的原子臺面2的臺階邊緣3對準。圖10示出與此實施例 相關(guān)的一種極端情況，其中摻雜原子10(a)在襯底11中的擴散系數(shù) 小得可以忽略。
應(yīng)該理解的是，對于一些襯底材料，摻雜雜質(zhì)可以擴散到襯底內(nèi)， 而仍然不會使其電導(dǎo)率發(fā)生顯著變化。對于熟悉半導(dǎo)體物理的人員來 說，這很容易理解。結(jié)果取決于襯底材料的電子帶結(jié)構(gòu)。通常即使當(dāng) 在其中構(gòu)成中等濃度的雜質(zhì)，絕緣材料也保持絕緣。半導(dǎo)體材料與此 不同，小濃度的摻雜就可以顯著改變其電導(dǎo)。
應(yīng)該指出的是，在某些實施例中，不必對多層結(jié)構(gòu)進行退火。實 際上，嵌在半導(dǎo)體材料中或與半導(dǎo)體材料接觸的摻雜納米帶仍形成納 米線。很明顯，這種納米線的電性能與在較大區(qū)域半導(dǎo)體上擴散滲雜 雜質(zhì)形成的納米線不同。然而，通過處于半導(dǎo)體表面附近的摻雜納米 帶陣列仍可以形成納米線陣列。
本領(lǐng)域一般技術(shù)人員還清楚的是，在這些結(jié)構(gòu)上可以附加額外的 層。例如，這些可以包括保護層、氧化物層。這里不詳細討論這些， 而是集中在本發(fā)明的關(guān)鍵點慘雜納米帶和納米線的形成。
需要提及的是，可以使用"不摻雜"材料形成納米線。術(shù)語"不 摻雜"在半導(dǎo)體技術(shù)中是相當(dāng)常見的，雖然不如術(shù)語摻雜常見。它是 指雜質(zhì)達到的深度水平成為電子阱或材料中的孔從而增大其電阻的 狀態(tài)。例如，在Cr摻雜到GaAs的情況中，與純材料相比，雜質(zhì)的存 在可以降低材料的電導(dǎo)。在本發(fā)明中，摻雜雜質(zhì)可以是沿臺面臺階方 向形成高電阻區(qū)的不摻雜物質(zhì)。這可以稱為反納米線。
參看圖7，其可以用于示出襯底和覆蓋層是納米帶并且摻雜納米 帶是由這些絕緣襯底支撐的導(dǎo)電通道的實施例。在這種情況下，摻雜 納米帶本身形成納米線。
在形成半導(dǎo)體納米線之后，可以使含有半導(dǎo)體納米線陣列的膜受 到將納米線暴露的處理。為此，從結(jié)構(gòu)中去除未摻雜的半導(dǎo)體材料。 半導(dǎo)體器件領(lǐng)域中一般技術(shù)人員公知的是，存在很多常規(guī)工藝，這些 工藝允許從表面以不同速率去除摻雜的或不摻雜的半導(dǎo)體材料，或者 以不同速率去除不同摻雜類型的材料。露出的半導(dǎo)體納米線15的陣
列在圖11中示出。應(yīng)該理解的是，雖然露出的納米線的厚度在一些 情況下是一個或兩個單層厚，但是可以遠大于一個單層厚。這是因為，
作為退火的結(jié)果，摻雜納米帶可以擴散到較大尺寸區(qū)域，約lnm或甚 至10nm或更大。結(jié)果，可以影響較大區(qū)域Si的材料去除速率(蝕刻 速率)，也是約lnm、 10nm或甚至更大的區(qū)域。
該納米線陣列可以用于形成大量電子器件。這些器件在有關(guān)納米 線的文獻中被廣泛地描述，因此在本發(fā)明的說明書中僅僅限于一個例 子場效應(yīng)納米線晶體管。這示出在圖12中。晶體管， 一般由參考 標記109示出，其漏極105和源極106位于納米線108的兩端，柵極 107處于中間。漏極和源極可以是按照與摻雜納米線108相同的方式 摻雜的半導(dǎo)體材料的層，或者是用相反類型的摻雜劑摻雜的。這對于 本領(lǐng)域一般技術(shù)人員是明顯的，并將得到不同種類的晶體管，例如增 強型或耗盡型，或者按照其它術(shù)語，晶體管在溝道中具有多數(shù)載流子 和少數(shù)載流子。還可以具有作為電介質(zhì)層的另外一層107(a)(例如， 氧化物、氮化物，等等)。電介質(zhì)層107a可以擴展到區(qū)域107的邊界 以外，以便保證層107與納米線108之間沒有電接觸。為了增強晶體 管開/關(guān)電流比，柵極107包圍在納米線108的三個側(cè)面，如圖12所 示。這僅僅是一個例子，并且柵極也可以位于晶體管的一側(cè)。圖12 的實施例為了簡化未示出任何的原子臺面和臺階邊緣。在一些實施例 中，層107(a)可以是一層摻雜的半導(dǎo)體，用于產(chǎn)生與納米線本身中 電流載流子電荷相反的電流載流子。例如，如果納米線是P型摻雜， 則層107(a)可以是n型摻雜層，反之亦然。這對于熟悉場效應(yīng)晶體 管基本原理的人員是明顯的，場效應(yīng)晶體管通常需要沿導(dǎo)電溝道在柵 極區(qū)附近形成耗盡層。而且在一些其它實施例中，層107(a)可以是 包括兩個亞層的復(fù)合層，其中下層設(shè)計成用于形成耗盡層并摻雜半導(dǎo) 體構(gòu)成，而上層將耗盡層(電介質(zhì)層)與柵極107絕緣。這些對于晶 體管設(shè)計領(lǐng)域一般技術(shù)人員也是非常基本的常識。在一些其它實施例 中，耗盡層是通過慘雜納米線下面的材料形成的，例如通過摻雜襯底 IOO的表面下的層。需要強調(diào)的是，區(qū)域105、 106、 107相對納米線 的尺寸可以改變。例如，可以形成三個區(qū)域之間的分隔遠小于漏極、 源極和柵極區(qū)本身的尺寸的實施例。甚至可以得到三個區(qū)域部分重疊 的實施例。在這種情況下，需要增加額外的電介質(zhì)層以避免三個區(qū)之
間的直接電接觸。在一些實施例中，三個區(qū)105、 106、 107可以擴展 到遠超出納米線尺寸以外，從而覆蓋襯底的其它區(qū)域。
納米線晶體管也可以包括很多納米線，如圖13所示，其示出晶 體管109a，其它部分用與圖12相同的參考標記表示。圖12示出晶 體管的俯視圖，因此，層107a由于處于層107下面而未示出。區(qū)域 107也可以擴展到超出區(qū)域107以外，這是本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以 理解的。熟悉場效應(yīng)晶體管的技術(shù)人員非常清楚晶體管的工作，因此 不需要進一步描述。圖13為了簡化也未示出任何原子臺階或原子臺 面。
在上述實施例中，摻雜納米線由沉積在襯底上的摻雜劑材料形 成。對于某些材料，可以通過其從襯底的分離而形成摻雜劑材料的分 數(shù)層。通常，這通過在真空或在受控氣氛下將材料退火實現(xiàn)。下面參 考本發(fā)明一些發(fā)明者對于從大塊單晶磁鐵礦Fe:A中分離Ca和K雜質(zhì) 的公開(G. Mariotto， S. F. Ceballos， S. Murphy， N. Berdu麗，C. Seoighe， I. V. Shvets， Phys. Review B 70 Art No. 035417 (2004))。 我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在此特定系統(tǒng)的例子中，在超高真空室中在20 — 100 小時退火時間之后，大部分單層在表面分離。明顯地，退火過程中的 退火溫度、退火時間和室內(nèi)所需氣氛，取決于襯底材料的種類以及在 表面上從塊體分離的雜質(zhì)種類。
參看圖14，在適當(dāng)?shù)奈恢美门c上述相同的參考標記描述形成 摻雜納米帶10的方法。需要這種方法的原因是，對于一些襯底材料 和一些摻雜劑材料，難以實現(xiàn)或不可能實現(xiàn)傳統(tǒng)臺階流動生長模式。 例如，摻雜劑材料不可能簡單地按此方式生長，或者維持臺階流動生 長模式所需的襯底溫度太高，導(dǎo)致?lián)诫s劑材料擴散到塊體襯底中過高 到不可接受，造成納米線拖尾(smearing)。襯底100相對低指數(shù)面 具有斜切角a。摻雜納米帶10的沉積是通過將流量以淺角(shallow angle) f3引導(dǎo)到表面1，淺角P具有與角度a大致相當(dāng)?shù)拇笮　Ｔ趫D 14中，摻雜原子流被引向右和向下，如箭頭F所示。在圖14中，角
度a略大于角度p，例如l3二2a。角度a與角度卩的其它比例也是可以的。 襯底的溫度保持足夠低，以便抑制雜質(zhì)或形成摻雜納米帶10的分數(shù) 層的吸附原子10(a)的擴散。在這種情況下，形成摻雜納米帶10的 層的吸附原子10(a)將優(yōu)選地在每個原子臺面2的外邊緣(右邊緣) 附近成核，因為內(nèi)邊緣附近的臺面2區(qū)域被原子臺階3遮擋了流。如 果襯底1的溫度低，此層可能成長為非外延層，如圖14中示意性地 由代表形成摻雜納米帶10的層的原子10(a)的球的不規(guī)則位置所示 出的那樣。但是，如上所述，摻雜納米帶10的外延生長不是本發(fā)明 的關(guān)鍵。以這種方式，每個原子臺面2分成分別未被形成摻雜納米帶 10的分數(shù)層覆蓋和被形成摻雜納米帶10的分數(shù)層覆蓋的兩個區(qū)一 個在左側(cè)在內(nèi)臺面邊緣附近，稱為T，而另一個在右側(cè)在外臺面邊緣 附近，稱為T'。區(qū)域T和T'有效地形成位置沿著臺面邊緣的納米 帶。
區(qū)域T和T'的寬度之比是由角度a和p給定的。這是簡單的幾何 計算方法，因此不包括在本發(fā)明的說明書中。
上面的描述詳細地解釋了如何制備摻雜納米帶陣列。接著必須將 其轉(zhuǎn)換成納米線15。在這樣的一個實施例中，將如此形成的具有摻 雜納米帶的襯底退火。這導(dǎo)致?lián)诫s原子10(a)擴散，從而形成位于原 子臺面2外邊緣附近的納米線15，如圖15所示。接著，如果需要可 以在納米線陣列頂部沉積可選層。在另一個實施例中可以執(zhí)行對具有 納米線的襯底進行蝕刻，其中蝕刻速率在半導(dǎo)體的摻雜和無摻雜區(qū)是 不同的。類似于圖ll所示的實施例，這導(dǎo)致納米線暴露出來。
根據(jù)另一個實施例，再次參看圖14，在裸露的襯底頂部以及在 形成摻雜納米帶10的分數(shù)層的頂部沉積如上所述的覆蓋層，例如， 通過在垂直于襯底的方向上或者在非淺角上沉積。在與淺角P相等或 不等的淺角P，上沉積覆蓋層也是可以的。在沉積覆蓋層之后，將此 結(jié)構(gòu)退火，如上所述，通過慘雜納米帶的原子擴散到襯底100中或擴 散到覆蓋層11中形成納米線。應(yīng)該注意，覆蓋層11未在圖14中示 出。退火溫度和退火時間是通過實驗優(yōu)化的。為了優(yōu)化退火時間和退 火溫度，需要利用高分辨率透射電鏡(TEM)進行測量。TEM能根據(jù)
摻雜程度不同生成對比度，因此甚至在納米線嵌入半導(dǎo)體材料時，只 要摻雜程度的差別足夠大，也能看到納米線。
需要指出的是，相鄰原子臺面之間的臺面臺階可以大于一個原子
臺階。這稱為雙臺階或多臺階。對于表現(xiàn)出臺階聚束(step bunching) 的襯底尤為如此。結(jié)果，需要指出的是，在上述實施例中，特別是圖 14所示的實施例，形成摻雜納米帶10的層的厚度可以大于一個原子 層。
圖16示出另一個實施例，其中用于形成摻雜納米帶10的分數(shù)層 沉積在臺面臺階3的內(nèi)邊緣。再次說明，與參考前面附圖所描述的相 同的部分用相同的參考標記表示。在這種情況下，此分數(shù)層的原子流 在襯底上以淺角被幾乎平行于原子臺面引導(dǎo)。重要的是，在此實施例 中，原子流被引向上升臺面的方向。流的方向用箭頭F示意性示出在 圖16中，并且在圖16中的斜切方向，束被引向左。語句"流被幾乎 平行于原子臺面引導(dǎo)"是指，流被很好地校準，流相對原子臺面的角 度至少不明顯大于斜切角oc。它可以小于a，但它也可以是ot的較小倍 數(shù)(因子為3到10)，特別是當(dāng)斜切角a小時(例如，a達到10度)。 在諸如圖16所示的情況中，如果露在流中的原子臺面3的面積遠小 于露在流中的臺面之間的原子臺階3的面積，則生長主要沿臺面2的 左邊緣進行(沿內(nèi)臺階2)。如果引導(dǎo)流的方向是相對原子臺面2的 角度P并且原子臺面寬度為L，則原子臺面的單位長度具有露在流中 的面積St。r，等于Stt, l一sinp。而且，如果原子臺面之間的臺階高 度為h,，則原子臺面之間臺階的單位長度的面積S^具有露在束中的 面積Sst叩二 h一cosp。則生長主要出現(xiàn)在內(nèi)臺階的條件是l一sinl3《 hi氺cos(3。
因此，為了根據(jù)參考圖14和16的實施例生長分數(shù)層，則形成分 數(shù)層的材料流應(yīng)該以淺角、幾乎平行于表面的原子臺面達到襯底1。 例如，如果襯底斜切角是2度，則角度卩應(yīng)該在大致O. 1到IO度范圍
內(nèi)。這些角度數(shù)值也僅僅是作為例子給出的。實際上， 一旦給出摻雜 納米帶的特殊需求，就應(yīng)該優(yōu)化角度P的數(shù)值。為了以此淺角引導(dǎo)在 襯底上引導(dǎo)流，可以方便地使用位于離襯底較大距離的源，例如，距
離為0.5到5米。這些數(shù)值是作為例子給出的，而在此范圍以外的數(shù) 值也是可能的。
還可以執(zhí)行在內(nèi)和外臺階沉積不同類型摻雜的納米線的實施例。 例如，在圖16中，首先可以利用被引向左的流以相對表面的淺角f3, 沉積P型摻雜劑材料。接著，利用被引向右的流以相對表面的淺角(32 沉積n型摻雜劑材料。接著沉積覆蓋層11。以這種方式，在退火之 后，在原子臺面每個內(nèi)臺階處形成P型納米線，在原子臺面每個外臺 階處形成n型納米線。類似地，在原子臺面的內(nèi)和外臺階處可以利用 相同種類但不同濃度的摻雜原子摻雜來形成納米線。
參看圖17，示意性地示出一種裝置， 一般由參考標記40表示， 其用于形成根據(jù)本發(fā)明的納米線陣列。裝置40通過出口 41連接到真 空泵(未示出)，并且形成兩個生長室即第一室42和第二室43。 第一生長室42裝有逸出室(effusion cell) 44，逸出室44含有蒸 發(fā)材料45，蒸發(fā)材料45用于提供摻雜納米帶。襯底安裝裝置50配 置在生長室42和生長室43共有的位置內(nèi)。定位襯底安裝裝置50的 方向，使襯底100被定位成原子臺面2平行或幾乎于生長室42的軸 線，該軸線用參考標記46表示并示出為一根虛線。逸出室的軸線與 室42的軸線重合。襯底100從逸出室42的軸線偏移一定距離d，并 且位于距離室44的直線間隔D處。
沉積源47位于生長室43中，生長室的軸線用參考標記48表示 并示出為虛線。沉積源47可以是適于沉積膜的任何源，例如，磁控 管、克努森池(Kiuidsen cell)、電子束蒸發(fā)器，等等。用于形成膜 的材料流可以沿幾乎垂直于襯底100表面的方向到達裝在安裝裝置 50上的襯底100上。
在一個實施例中，襯底IOO背面沒有任何斜切，襯底背面平行于 生長室42的軸線46對準。在這種情況下，襯底的兩個表面，即前和 背表面彼此不平行。襯底100的前面相對低指數(shù)面斜切，而背面沿低 指數(shù)面切割。從圖17可以看出，距離d遠小于裝有蒸發(fā)物45的逸出 室44與裝在安裝裝置50上的襯底100之間的間隔D。逸出室可以是 克努森池、熱室、電子槍加熱室、磁控管或其它適用于材料的真空沉
積以形成納米線15的室。
如果距離d遠小于距離D，則以弧度為單位的角度P等于d/D。因 此，通過控制襯底100偏離軸線的位移d，可以設(shè)定所需的角度p。 如果襯底的兩個表面，即前和背表面，彼此平行，即兩個表面都按相 同方式從低指數(shù)面斜切，并且如果襯底的背表面仍平行于室46的生 長軸對準，則需要對上述公式^d/D進行簡單校準。而且，不需要解 釋此校準的細節(jié)，因為這是基本幾何學(xué)問題。
此外，還提供沉積監(jiān)測器51和52，分別測量和控制逸出室44 和沉積源47的流。將沉積監(jiān)測器51對準以沿生長室42的軸線46探 測形成摻雜納米帶的蒸發(fā)材料45的流。將沉積監(jiān)測器52對準以沿生 長室43的軸線48探測形成膜的材料流。需要注意的是，由于沉積監(jiān) 測器51非平行于襯底100的表面，而是近似垂直于襯底表面(從而 它沿著幾乎平行于襯底100表面的方向探測流)，形成慘雜納米帶的 材料覆蓋范圍不等于沉積監(jiān)測器51所探測的覆蓋范圍。因此，需要 乘以sinp。這對于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員也不需要任何進一步說明。 室43還裝有泵、控制器和多種其它監(jiān)測器，圖中未詳細示出。納米 線15的陣列是通過利用逸出室44和沉積監(jiān)測器41提供摻雜納米帶 首先沉積所需量的材料所生長的。接著，通過利用沉積源47和沉積 監(jiān)測器52沉積覆蓋層。
還可以構(gòu)成在一個步驟中由摻雜的半導(dǎo)體材料沉積納米線的實 施例。然后應(yīng)在相對鄰晶表面的淺角上引導(dǎo)摻雜半導(dǎo)體材料流。此實 施例可以利用與圖17中的例子相似的裝置構(gòu)成。在這種情況下，逸 出室44應(yīng)該裝有摻雜的半導(dǎo)體。為了保證在相同速率下從源44沉積 摻雜劑和半導(dǎo)體材料(例如，為了避免優(yōu)先沉積摻雜劑之后首先沉積 不摻雜的半導(dǎo)體)，需要使用由固體靶沉積材料的源，例如磁控管。 這對真空沉積半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域一般技術(shù)人員是公知的，并且基于 兩種材料從單一模具(moult)沉積必須具有相似的蒸氣壓數(shù)值的事 實。否則，兩種材料的沉積速率將會不同。摻雜半導(dǎo)體所沉積的納米 線仍需要受到短時間退火。這種退火用于重構(gòu)納米線中的材料，以形 成外延結(jié)構(gòu)。
或者，為了形成根據(jù)本發(fā)明的納米線陣列，可以利用基本類似于
圖17所示的儀器，其中在一個重要方面不同代替逸出室44，其包 括很好校準的離子槍，該離子槍是一種高能離子源，例如Ar、 Ga或 0離子源。來自槍的離子以淺角射到襯底100表面形成離子束。為了 控制離子束角度，可以選擇如以上參考圖17所描述的相同位置。除 此之外，基于離子是帶電粒子并且其運動方向可以通過外靜電場改變 的事實，也可以使用另一種控制方法。從而為了控制離子束方向，形 成基本垂直于室42的軸線的靜電場。這可以利用離子源領(lǐng)域一般技 術(shù)人員公知的技術(shù)實現(xiàn)。利用此設(shè)備，如下所述，可以形成納米線陣 列。此離子源的離子可以用于形成如同前面實施例中所述的摻雜納米 帶。這可能不適于所有離子源，而是僅僅用于襯底和離子的一些組合。 例如，這可以利用Ga離子實現(xiàn)，但難以用Ar離子實現(xiàn)。此后，如上 所述沉積覆蓋層，并且如同前面詳細描述，將此襯底上沉積的多層結(jié) 構(gòu)進行退火。或者，此方法可以如下執(zhí)行。首先，將襯底覆蓋一薄層 摻雜劑。為此，整個襯底可以以非掠射角覆蓋。然后，將襯底在淺角 下進行離子蝕刻，從而從原子臺面的某些部分去除部分摻雜劑的薄 層。例如，這可以用Ar離子蝕刻實現(xiàn)，從原子臺面暴露在Ar離子束
下的那些部分去除摻雜劑材料。按照這種方式，根據(jù)離子束的方向， 可以在原子臺面的內(nèi)臺階邊緣或外臺階邊緣形成摻雜納米帶。然后， 沉積覆蓋層，并且如前所述將此多層結(jié)構(gòu)退火。清楚的是，此方法可 以是兩種上述方法的組合。例如，所述薄層摻雜劑也可以在淺角下沉 積，從而形成由沉積摻雜原子的角度P,確定的特殊寬度的納米帶。然 后，可以通過以角度P2引導(dǎo)離子束蝕刻襯底，角度P2可以等于或不等
在該方法的另一個實施例中，如上所述以掠射角沉積的材料不僅 是摻雜元素材料，還有半導(dǎo)體材料。例如，襯底可以是鄰晶絕緣材料 SrTi03的表面。則如上所述，在原子臺面外臺階處的半導(dǎo)體材料上形 成Si納米線。或者襯底可以是，例如，n型Si(lll)表面。接著，例 如，可以從慘雜Si靶以掠射角沉積含有p型雜質(zhì)的慘雜Si，形成p 型納米線。很多其它組合現(xiàn)在對于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員是明顯的。參看圖18，其示出本發(fā)明的另一個實施例，其中用與參考先前 附圖所描述的相似部分相同的參考標記表示。在此實施例中，首先在 鄰晶絕緣表面1的邊緣形成間隔納米帶110。例如，這些可以通過在 原子臺面外邊緣的掠射角沉積形成，如圖14所示。或者，例如，也 可以通過臺階流動生長在原子臺面內(nèi)邊緣形成。優(yōu)選地，這些間隔納 米帶是低表面能的材料。按這種方式，沿原子臺面臺階邊緣形成具有 低表面能納米級區(qū)域的材料表面。當(dāng)這種表面被吸附原子覆蓋時，本 領(lǐng)域一般技術(shù)人員應(yīng)理解的是，表面能高的區(qū)域比表面能低的區(qū)域被 覆蓋得早。換句話說，吸附原子優(yōu)先在表面能高的區(qū)域成核，而不是
表面能低的區(qū)域。這是由于能量考慮 一旦表面能較高的區(qū)域被膜覆 蓋，則導(dǎo)致系統(tǒng)中總能量降低較大。因此，如果這種襯底被摻雜納米
帶10的分數(shù)層覆蓋，則吸附原子10(a)將優(yōu)先在裸露的襯底表面1 的區(qū)域內(nèi)聚成團聚，而不是在間隔納米帶110的頂部上。按這種方式， 摻雜納米帶10可以沿表面1的原子臺面2的內(nèi)邊緣或外邊緣形成。 然后可以如上所述在此表面上沉積覆蓋層。位于間隔納米帶110之間 的摻雜納米帶10可以是其本身可以形成導(dǎo)電通路的材料(例如，金 屬原子)。按這種方式，摻雜納米帶IO本身形成納米線。這類似于如 上所述的一個實施例。
可替代地，在另一個實施例中，慘雜納米帶iio可以是摻雜的半 導(dǎo)體材料。以這種方式，半導(dǎo)體納米線直接形成在表面上，而不需要 覆蓋層和隨后的退火。這也類似于如上所述的一個實施例。
下面參看圖19，示意地示出納米線形成在方波襯底100上。重 要的是注意到，根據(jù)本發(fā)明的這個方面，壁不必要是垂直的，可以相 對垂直于襯底表面的方向傾斜。壁可以具有任何規(guī)則的形貌外形，其 中根據(jù)本發(fā)明的以淺角沉積實現(xiàn)部分遮擋襯底的某些區(qū)域的材料。如 圖19所示，在本發(fā)明的這個實施例中，納米線形成在方波形襯底的 垂直壁上。例如，可以優(yōu)選地通過蝕刻和光刻工藝形成襯底。形成此 形貌外形的方法是半導(dǎo)體微制造領(lǐng)域的一般技術(shù)人員易于獲知的。理 想地，方波形襯底的壁約為5nm到10nm寬，約為lnm到30應(yīng)高，理 想的間隔約為5nm到30nm。優(yōu)選地，壁約為10nm寬，約為加nm高，
理想間隔約為lOmn。納米線的形成過程如下，以相對整個襯底表面 的淺角(入射流角F)沉積摻雜劑材料(10)，例如P或B，從而由于 相鄰壁的遮擋作用僅僅入射到一部分襯底上。襯底可以是絕緣或半導(dǎo) 體材料，例如Si、 Ge、 Si-Ge合金、絕緣體上硅(SOI)。隨后以類似 角度將覆蓋層材料(ll)沉積在摻雜層上，并同樣沉積在慘雜層頂部。 應(yīng)該注意到，覆蓋層也可以以不同角度沉積在一種摻雜劑材料上。優(yōu) 選地，摻雜劑材料的流和覆蓋層得到很好校準。這將摻雜層釘扎(pin) 在襯底和覆蓋層之間。接著按照與其它實施例類似的方式對摻雜層/ 覆蓋層(多層)系統(tǒng)進行熱處理。由于熱處理以及覆蓋層和襯底的釘 扎效應(yīng)，摻雜劑材料擴散到覆蓋層和襯底中，形成納米線。通過優(yōu)選 蝕刻以剩余露出的半導(dǎo)體納米線，可以去除未摻雜的材料。這樣得到 所述系統(tǒng)，覆蓋層可以用于在納米線中產(chǎn)生應(yīng)變，從而通過增強遷移 率而影響載流子遷移率。
根據(jù)圖19所述實施例的納米線可以用于制造前面所述的晶體管 器件。
需要強調(diào)的是，在說明書中前面部分參考圖7-11所描述的大多 數(shù)方法也可以應(yīng)用在這種情況中。例如，這可以包括以淺角沉積慘雜 半導(dǎo)體材料而不是沉積慘雜劑材料，然后沉積覆蓋層的兩個步驟。這 也可以包括選擇襯底材料、慘雜劑材料和覆蓋層，選擇的方式是在摻 雜的納米線中形成應(yīng)變。這也包括以淺角沉積摻雜劑材料而不沉積覆 蓋層，從而通過使摻雜劑材料擴散到襯底中而在襯底中形成納米線。 這也包括沉積摻雜劑材料，然后使襯底受到相對表面以淺角引導(dǎo)的高 能離子束或化學(xué)反應(yīng)粒子，從而從襯底的某些區(qū)域去除摻雜劑材料， 而在其它區(qū)域使其留下。為了避免重復(fù)，將不再提及前面討論的此方 法的其它變化。
可以看到，利用納米線晶體管的裝置通常包括裝在達幾平方厘米 或者甚至更大區(qū)域上的這種晶體管的大量陣列。當(dāng)前處理器或存儲器 芯片的典型尺寸在此范圍內(nèi)。假定納米線之間的間隔在納米范圍內(nèi)， 則清楚的是，芯片上的納米線的總數(shù)可以達到幾百萬，甚至可能達到 幾十億。例如，這些陣列可以用于制造處理器和存儲器芯片。在這一
方面，簡要地介紹這些納米線陣列如何應(yīng)用于這些用途中將是有用 的。
晶體管陣列的形成有很多方式，這是計算機處理器和存儲器芯片 設(shè)計領(lǐng)域的一般技術(shù)人員公知的。通常，現(xiàn)代處理器或存儲器芯片的
結(jié)構(gòu)采用多層布局。使用65nm技術(shù)的現(xiàn)代處理器采用高達8-10層。 重要的是，這些8-10層的僅僅一層是含有晶體管的功能Si層，而大 多數(shù)的其它層含有金屬化互連和輔助元件。這種復(fù)雜的三維布局用于 減小熱損耗并增大處理器或存儲器芯片的速度。通常，上層中的金屬 化部分的厚度和部件的尺寸大于下層。對于微處理器的典型結(jié)構(gòu)，可 以參看文獻(S. Thompson, M. Alavi， M. Hussein, P. Jacob, C. Kenyon, P. Moon, M. Prince, S. Sivakumar， S. Tyagi, M. Bohr, "130nm Logic technology featuring 60醒transistors, low-K dielectrics and Cu interconnects" ， Intel Technology Journal vol 6 issue 2， pages 5-12)，此文獻結(jié)合在本發(fā)明的說明書中作為 背景信息。本發(fā)明證明，此納米線陣列可以按類似方式使用 一層含 有所有基于納米線的場效應(yīng)晶體管，所有的互連布置在沉積在納米線 陣列頂部的其它層上。含有納米線的功能層需要分隔成賦予各個晶體 管的片段，在片段之間剩下一些間隙，其中去除納米線。或者，片段 之間的納米線可以按照使其不再導(dǎo)電的方式進行摻雜。例如，襯底可 以分隔成橫向尺寸為約10-50nmX10-50nm的區(qū)域，從而單個晶體管 的橫向尺寸為例如50nmX50mn?？梢钥闯觯瑸榱嗽鰪娂夹g(shù)的產(chǎn)量， 將大量納米線包括在單個晶體管中將是有益的。例如，單個晶體管可 以包括基本沿相同方向延伸的2或5或20個納米線。以這種方式， 如果在晶體管所處的片段處失去一個納米線，也不會出現(xiàn)像在其它情 況出現(xiàn)的功能故障的晶體管一樣的災(zāi)難性后果。還可以看出，在根據(jù) 本發(fā)明的典型晶體管中，納米線的長度不是太長。例如，即使技術(shù)允 許生產(chǎn)若干微米長的納米線，而在單個晶體管中的納米線的實際長度 也應(yīng)小于100nm。因此， 一根長的納米線需要沿其長度切成片段，用 于形成大量獨立的晶體管。以這種方式，覆蓋納米線的表面應(yīng)被認為 是需要分割以便進一步加工的中間產(chǎn)物。再次需要強調(diào)的是，術(shù)語"切
割納米線"不必要意味著將納米線物理地切割成片段。這可以意味著， 通過隨后的光刻工藝摻雜納米線，使其沿長度方向含有導(dǎo)電和不導(dǎo)電 片段。很明顯，形成這種處理器將需要大量的在含有納米線的襯底上 的光刻步驟。也可以以某種方式改變制造工藝，即在形成納米線之前 完成將表面分隔成各個晶體管的區(qū)域。在這種方式下，在不同片段中 形成的納米線在其剛形成時已經(jīng)被彼此電絕緣。
還需要強調(diào)的是，晶體管類型、甚至是場效應(yīng)晶體管的類型有很
多。這包括n-MOS(NMOS)n-型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、 p-M0S(PM0S)p-型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、CMOS-互補金屬氧 化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管以及其它類型的場效應(yīng)晶體管。CMOS技術(shù) 利用串眹工作的成對晶體管減小晶體管基邏輯的能量消耗并提高速 度。此技術(shù)是電子學(xué)和晶體管設(shè)計領(lǐng)域的一般技術(shù)人員公知的。例如， CMOS出現(xiàn)于20世紀六十年代。此發(fā)明的榮譽常常歸功于F. Wanlass 和Farichild半導(dǎo)體。通常用于晶體管設(shè)計的近期技術(shù)進展也有很 多。例如，低K介質(zhì)用于柵極介質(zhì)層。命名為MOS的柵金屬電極實際 上通常不是由金屬形成的，而是由例如多晶硅制成的。然而，從柵電 極通常由金屬鋁制造的時代開始的老縮寫MOS，仍在普遍使用。這里
不再對這一方面展開描述，因為可以在很多教科書中找到。本說明書 中弓l用一本入門書J, J. Sparkes， "Semiconductor Devices", Chapman and Hall 1994，該文獻作為背景信息的一部分。
還需要強調(diào)的是，雖然電子器件的例子是基于場效應(yīng)晶體管，但 其它器件種類也可以應(yīng)用。例如，可以使用納米線作為雙極型晶體管 的主體，從而納米線的兩個末端成為發(fā)射極和集電極，其中部含有基 極。在這種情況下，沿納米線的摻雜種類需要在光刻幫助下沿其長度 進行修改。
在本說明書中，術(shù)語"包含"及其任何變化，以及術(shù)語"包括" 及其任何變化應(yīng)認為是完全可以互換的，它們都應(yīng)被賦予最廣泛可能 的解釋，反之亦然。
本發(fā)明并不限于如上所述的實施例，其結(jié)構(gòu)和細節(jié)都可以變化。
權(quán)利要求
1、一種制備導(dǎo)電或半導(dǎo)電納米線(15)陣列的方法，包括如下步驟a)在襯底(100)上形成帶臺階的原子臺面(2)的鄰晶表面(1)；b)沉積摻雜劑材料的分數(shù)層，以形成寬度小于所述原子臺面的寬度的納米帶(10)；其中摻雜納米帶的原子擴散到所述襯底中形成納米線(15)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(b)的所述摻雜劑材料 是As、 Sb、 In、 Ga、 Al、 B和P中的任一種，或者是從摻雜有As、 Sb、 In、 Ga、 Al、 B和P之一的Si、 Ge或硅-鍺合金中所選擇的摻雜 半導(dǎo)體材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備導(dǎo)電或半導(dǎo)電納米線(15)陣列的方法，包括以下步驟a) 在襯底(100)上形成帶臺階的原子臺面(2)的鄰晶表面(1);b) 沉積慘雜劑材料的分數(shù)層，以形成寬度小于所述原子臺面的 寬度的納米帶(10);c) 用覆蓋層(11)覆蓋所述納米帶，以形成多層結(jié)構(gòu)；以及d) 可選地對多層結(jié)構(gòu)進行退火；其中摻雜納米帶的原子擴散到所述襯底和所述覆蓋層中的一個 或二者中形成納米線(15)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項所述的方法，其中將所述摻雜 納米帶的原子對準以形成外延層。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的方法，其中所述摻雜納 米帶(10)是與所述原子臺面(2)的臺階邊緣(3、 103)協(xié)調(diào)形成 的。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項所述的方法，其中在步驟(b) 之后立即執(zhí)行退火步驟。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3到6中任一項所述的方法，包括步驟(a) 、 (b)、 (c)和(d)。
8、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中校準形成所述 摻雜劑材料的分數(shù)層的原子流，并通過淺角沉積經(jīng)校準的流形成步驟 (b)的所述摻雜納米帶(10)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中淺角沉積出現(xiàn)在基本上等 于所述襯底與低指數(shù)面的斜切角度的角度上。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9所述的方法，其中基本上在沿 下降臺階方向的斜切方位方向上引導(dǎo)形成所述摻雜劑材料的分數(shù)層 的所述原子流。
11、 根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9所述的方法，其中基本在沿上 升臺階方向的斜切方位方向上引導(dǎo)形成所述摻雜劑材料的分數(shù)層的 所述原子流。
12、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述襯底(100) 的所述原子臺面(2)通過所述原子臺階(3、 103)部分遮擋所述流， 從而導(dǎo)致所述摻雜劑材料在所述原子臺面的不同區(qū)域的不均勻覆蓋。
13、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中通過控制形成 所述慘雜劑材料的分數(shù)層的經(jīng)校準的原子流相對于所述襯底的所述 原子臺面(2)的角度確定摻雜納米線(15)的寬度。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1到13中任一項所述的方法，其中通過在所 述基底(100)的所述鄰晶表面(1)上沉積一層摻雜劑材料，將具有 摻雜劑材料的所述鄰晶表面暴露在蝕刻所述摻雜劑材料的高能離子 束下，形成步驟(b)的寬度小于原子臺面寬度的摻雜納米帶(10)，其 中所述高能離子束是經(jīng)校準的并且是以相對于所述表面的淺角引導(dǎo)的。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1到13中任一項所述的方法，其中通過在所 述襯底(100)的所述鄰晶表面(1)上沉積一層慘雜劑材料，將具有 摻雜劑材料的所述鄰晶表面(1)暴露在與所述摻雜劑材料反應(yīng)并將 所述摻雜劑材料蝕刻掉的經(jīng)校準的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)束下，形成步驟(b) 的寬度小于所述原子臺面寬度的所述摻雜納米帶(10)，其中以相對 于所述表面的淺角引導(dǎo)所述經(jīng)校準的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)束。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其中以基本上等于所述 襯底的所述臺面的所述斜切角度的角度引導(dǎo)所述經(jīng)校準的高能離子 束或經(jīng)校準的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)束。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，當(dāng)從屬于權(quán)利要求8到16中 任一項吋，其中所述經(jīng)校準的高能離子束或經(jīng)校準的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)束 的淺角與形成所述摻雜劑材料的所述分數(shù)層的所述經(jīng)校準的原子流 的淺角不同。
18、 根據(jù)權(quán)利要求14到17中任一項所述的方法，其中通過控制 所述經(jīng)校準的高能離子束或經(jīng)校準的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)束相對于所述襯 底的所述原子臺面的角度確定摻雜納米線(15)的寬度。
19、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中在所述襯底 (100)的所述鄰晶表面(1)上形成摻雜半導(dǎo)體的分數(shù)層。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，當(dāng)從屬于權(quán)利要求1或2時， 包括在所述鄰晶襯底(1)上以淺角沉積經(jīng)校準的摻雜半導(dǎo)體材料流， 其中將部分原子臺面(2)遮擋而免受所述摻雜半導(dǎo)體流，而其它區(qū) 域暴露在所述摻雜半導(dǎo)體流中，從而形成與所述鄰晶襯底(100)的 所述原子臺階(3、 103)相關(guān)的納米線(15)陣列。
21、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述鄰晶襯 底(100)是半導(dǎo)體或絕緣材料，優(yōu)選地從Si、 Ge、硅-鍺合金、絕 緣體上硅(SOI)、 Mg0、 SrTO、 MgAlA或Al必,中選擇。
22、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中如下形成所述 鄰晶襯底(100):通過(i )對已經(jīng)經(jīng)過光刻結(jié)構(gòu)化的所述斜切襯底 進行熱處理，或者通過(ii)在熱處理過程中的電場，以便促進原子 臺面的形成。
23、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中在步驟(b)之 前將間隔納米帶沉積在部分所述原子臺面(2)上，由此在未被所述 間隔納米帶覆蓋的部分所述原子臺面(3)上沉積摻雜劑材料的分數(shù) 層。
24、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述間隔納米帶包括低 表面能的材料的分數(shù)層。
25、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述摻雜劑材 料是從As、 Sb、 In、 Ga、 Al、 B或P中選擇的至少一種。
26、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述納米帶 (10)位于所述原子臺面(2)的內(nèi)臺階和/或外臺階上。
27、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中納米線(15) 的寬度和闊度都具有基本上相等的截面尺寸。
28、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述納米線的 平均截面尺寸在約0. 5mn到約20rnn的范圍內(nèi)，和/或所述納米線之間 的平均間隔是在約lnm到約20nm的范圍內(nèi)。
29、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述摻雜納米 帶(10)是其所處的所述原子臺面(2)的寬度的約0. 01到約0. 9倍。
30、 根據(jù)權(quán)利要求3到29中任一項所述的方法，其中所述覆蓋 層(11)是絕緣材料或半導(dǎo)體材料，優(yōu)選地是一層Si、 Ge或SiGe合 金。
31、 根據(jù)權(quán)利耍求3到30中任一項所述的方法，其中所述覆蓋 層(11)和所述襯底(100)具有不同的擴散系數(shù)，從而材料從摻雜 納米帶(10)的擴散基本上或全部進入具有較大擴散系數(shù)的所述襯底(100)或覆蓋層(11)中。
32、 根據(jù)權(quán)利要求3到31中任一項所述的方法，其中所述鄰晶 襯底(1)是半導(dǎo)體材料或絕緣材料，所述覆蓋層(11)是絕緣材料 或半導(dǎo)體材料，并且其中所述襯底(1)和所述覆蓋層(11)是不同 的。
33、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，包括用于暴露所述 納米線(15)的附加處理步驟，優(yōu)選地包括擇優(yōu)蝕刻。
34、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的形成導(dǎo)電或半導(dǎo)電納米線 陣列的方法，其中形成成對的相反摻雜納米帶，其中步驟(b)包括以 下步驟i、校準形成第一摻雜劑材料的分數(shù)層的第一原子流，并以相對 于所述原子臺面的淺角引導(dǎo)所述第一流，以在所述原子臺階(3、 103)的內(nèi)邊緣形成第一材料的摻雜納米帶(10);以及iK校準形成第二摻雜劑材料的分數(shù)層的第二原子流，并以相對 于所述原子臺面的淺角引導(dǎo)所述第二流，以在所述原子臺階(3、 103) 的外邊緣形成第二材料的摻雜納米帶(10)。
35、 根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述第一流和所述第二 流的淺角具有不同方位方向。
36、 根據(jù)權(quán)利要求34或35所述的方法，其中沿所述原子臺階的 上升方向沉積所述第一摻雜劑材料的所述第一流，而沿所述原子臺階 的下降方向沉積所述第二原子流。
37、 根據(jù)權(quán)利要求34到36中任一項所述的方法，其中所述淺角 是基本上等于所述襯底的所述斜切角度的角度。
38、 根據(jù)權(quán)利要求34到37中任一項所述的方法，其中所述第一 和第二摻雜劑材料是相同的或不同的材料。
39、 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中在內(nèi)和外邊緣所形成的 所述納米帶具有不同量的摻雜劑材料。
40、 根據(jù)權(quán)利要求34到39中任一項所述的方法，當(dāng)從屬于權(quán)利 要求1或2時，其中所述第一和第二摻雜劑材料包括經(jīng)摻雜的半導(dǎo)體 材料。
41、 一種場效應(yīng)晶體管器件(109)，包括柵極(107)、漏極(105) 和源極(106)以及在所述漏極和所述源極之間的溝道，其中在所述 漏極(105)和所述源極(106)之間的所述溝道包括根據(jù)權(quán)利要求1 到40中任一項所述的方法制成的一個或多個納米線(108)。
42、 根據(jù)權(quán)利要求41所述的場效應(yīng)晶體管，其中利用電介質(zhì)層 將所述柵極(107)與所述納米線溝道隔開，優(yōu)選地，所述電介質(zhì)層 是一層氧化物或氮化物。
43、 根據(jù)權(quán)利要求41或42所述的場效應(yīng)晶體管器件(109)，其 中所述柵極是半導(dǎo)體材料，優(yōu)選地被與所述納米線溝道摻雜相反地摻 雜。
44、 根據(jù)權(quán)利要求43所述的場效應(yīng)晶體管器件(109)，其中在 絕緣體上硅(SOI)襯底上形成所述納米線(108)溝道，并在該絕緣 體下面設(shè)置另一層重摻雜的硅，以作為所述柵極(107)。
45、 一種制造場效應(yīng)晶體管器件的方法，所述場效應(yīng)晶體管具有 柵極(107)、漏極(105)和源極(106)以及在所述漏極和所述源極 之間的溝道，包括根據(jù)權(quán)利要求1到40中任一項所制成的一個或多 個納米線，其中所述晶體管具有將所述柵極與所述溝道隔開的電介質(zhì) 層，并且所述方法包括以下步驟a. 在所述納米線溝道上形成電介質(zhì)層，優(yōu)選的是一層氧化物或 氮化物；以及b. 在所述電介質(zhì)層上形成所述柵極。
46、 一種具有柵極和溝道的結(jié)型場效應(yīng)晶體管器件，所述柵極和 溝道包括根據(jù)權(quán)利要求1到40中任一項所制成的一個或多個納米線， 其中用與所述溝道的摻雜劑相反的摻雜劑摻雜所述柵極。
47、 根據(jù)權(quán)利要求46所述的結(jié)型場效應(yīng)晶體管器件，其中所述 柵極的摻雜劑是p型的或n型的，而所述溝道的摻雜劑是p型的或n 型的，并且所述柵極和所述溝道的摻雜劑不同。
48、 一種制造互補晶體管的方法，即p型和n型晶體管，包括根 據(jù)權(quán)利要求1到40中任一項所制成的一個或多個納米線，其中形成 相反摻雜的摻雜納米帶，其中步驟(b)包括a) 校準形成所述第一摻雜劑材料的所述分數(shù)層的第一原子流， 并以相對于所述原子臺面的淺角引導(dǎo)所述第一流，以便在所述原子臺 階的內(nèi)邊緣形成所述第一材料的摻雜納米帶(10);以及b) 以相對于所述原子臺面的淺角引導(dǎo)形成所述第二摻雜劑材料 的所述分數(shù)層的第二校準原子流，以便在所述原子臺階的外邊緣形成 所述第二材料的摻雜納米帶。
49、 根據(jù)權(quán)利要求48所述的方法，其中所述第一流和所述第二 流的所述淺角具有不同的方位方向。
50、 根據(jù)權(quán)利要求48或49所述的方法，其中所述第一摻雜劑材 料的所述第一流沿所述原子臺階的上升方向沉積，形成所述第二摻雜 劑材料的所述分數(shù)層的所述第二原子流沿所述原子臺階的下降方向 沉積。
51、 根據(jù)權(quán)利要求48到50中任一項所述的方法，其中所述淺角 是基本上等于所述襯底的所述斜切角度的角度。
52、 根據(jù)權(quán)利要求48到51中任一項所述的方法，其中所述第一 和第二摻雜劑材料是相同的或不同的材料。
53、 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中形成在內(nèi)和外臺階邊緣 的所述納米帶具有不同的摻雜劑材料的量。
54、 根據(jù)權(quán)利要求48到53中任一項所述的方法，其中在形成所 述納米線的過程中沉積覆蓋層以形成多層結(jié)構(gòu)，并使所述多層結(jié)構(gòu)受 到可選的退火步驟，從而使所述摻雜劑材料擴散到所述襯底或所述覆蓋層中的一個或二者中，和/或?qū)崿F(xiàn)形成所述納米線的外延材料。
55、 根據(jù)權(quán)利要求48到54中任一項所述的方法，其中所述第一 和第二摻雜劑材料是經(jīng)摻雜的半導(dǎo)體材料。
56、 一種晶體管，包括根據(jù)權(quán)利要求48到54中任一項所制成的 互補晶體管，所述互補晶體管是通過在所述納米線上形成電介質(zhì)層并 隨后在所述電介質(zhì)層頂部形成所述晶體管的柵極而形成的。
57、 一種包括根據(jù)權(quán)利要求48到56中任一項所制成的互補晶體 管的晶體管，所述互補晶體管是由兩個相反摻雜的半導(dǎo)體形成的。
58、 一種形成導(dǎo)電或半導(dǎo)電納米線的方法，包括以下步驟(a) 通過光刻在襯底上形成規(guī)則的形貌圖案，其中所述形貌圖案 是壁的陣列、波形形貌或其它規(guī)則的形貌圖案；(b) 以相對于所述襯底表面的淺角沉積摻雜劑材料的經(jīng)校準的 束，以便形成位置與所述形貌圖案相關(guān)的摻雜劑材料的分數(shù)層，從而 形成納米帶(10);(c) 用覆蓋層(11)覆蓋所述納米帶以形成多層結(jié)構(gòu)；以及(d) 可選地對所述多層結(jié)構(gòu)進行退火，以便使所述摻雜納米帶的 原子擴散到所述襯底和所述覆蓋層中的一個或二者中，從而形成納米 線，禾fV或形成所述納米線中的外延材料。
59、 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中所述摻雜劑材料是從As、 Sb、 In、 Ga、 Al、 P或B中選擇的。
60、 根據(jù)權(quán)利要求58或59所述的方法，其中所述摻雜劑材料以 淺角沉積在一部分垂直壁、波浪形襯底或含有可替換的形貌圖案的襯 底上。
61、 根據(jù)權(quán)利要求58到60中任一項所述的方法，其中所述覆蓋 層(11)以與摻雜層的沉積角相同或基本上相同的角度沉積，從而形 成多層結(jié)構(gòu)，其中所述摻雜層插在所述襯底和所述覆蓋層之間。
62、 根據(jù)權(quán)利要求58到61中任一項所述的方法，其中使所述多 層結(jié)構(gòu)經(jīng)過退火步驟。
63、 根據(jù)權(quán)利要求58到62中任一項所述的方法，其中通過擇優(yōu) 蝕刻去除任何未摻雜劑材料而露出所述納米線。
64、 根據(jù)權(quán)利要求58到63中任一項所述的方法，其中所述襯底 是半導(dǎo)體或絕緣材料，優(yōu)選地是從Si、 Ge、硅-鍺合金、絕緣體上硅(SOI)、 MgO、 SrTi03、 MgAlA或A1A中選擇一種。
65、 根據(jù)權(quán)利要求58到64中任一項所述的方法，其中所述覆蓋 層是絕緣材料或半導(dǎo)體材料，優(yōu)選地是一層Si、 Ge或SiGe合金。
66、 根據(jù)權(quán)利要求58到65中任一項所述的方法，其中所述襯底 和覆蓋層是不同的材料。
67、 根據(jù)權(quán)利要求58到66中任一項所述的方法，其中所述覆蓋 層和襯底具有不同的擴散系數(shù)，從而材料從所述摻雜納米帶的擴散主 要或全部進入擴散系數(shù)較大的所述襯底或覆蓋層。
68、 根據(jù)權(quán)利要求58到67中任一項所述的方法，其中在應(yīng)用摻 雜劑材料的所述分數(shù)層形成所述納米帶之前提供間隔納米帶。
69、 根據(jù)權(quán)利要求68所述的方法，其中所述間隔納米帶包括低 表面能的間隔材料的分數(shù)層。
70、 根據(jù)權(quán)利要求58到68中任一項所述的方法，其中摻雜半導(dǎo) 體材料在步驟(b)中沉積，而步驟(c)是可選的。
71、 一種場效應(yīng)晶體管器件(109),包括柵極(107)、漏極(105) 和源極(106)以及在所述漏極和所述源極之間的溝道，其中在所述 漏極(105)和所述源極(106)之間的所述溝道包括根據(jù)權(quán)利要求 58到70中任一項所述的方法所制成的一個或多個納米線(108)。
72、 根據(jù)權(quán)利要求71所述的場效應(yīng)晶體管，其中通過電介質(zhì)層 將所述柵極(107)與所述溝道隔開，優(yōu)選地，所述電介質(zhì)層是一層 氧化物或氮化物。
73、 根據(jù)權(quán)利要求71或72所述的場效應(yīng)晶體管器件(109)，其 中所述柵極是半導(dǎo)體材料，優(yōu)選地與所述溝道的摻雜相反地摻雜該半 導(dǎo)體。
74、 根據(jù)權(quán)利要求58到70中任一項所述的制備導(dǎo)電或半導(dǎo)電納 米線陣列的方法，其中形成成對的經(jīng)相反摻雜的摻雜納米帶，其中步 驟(b)包括i .校準形成所述第一摻雜劑材料的所述分數(shù)層的第一原子流， 并以相對于所述原子臺面的淺角引導(dǎo)所述第一流，從而在所述形貌結(jié) 構(gòu)的一個區(qū)域形成所述第一材料的摻雜納米帶(10);以及ii.校準形成所述第二摻雜劑材料的所述分數(shù)層的第二原子流， 并以相對于所述原子臺面的淺角引導(dǎo)所述第二流，從而在所述形貌結(jié) 構(gòu)的一個不同的區(qū)域形成所述第二材料的摻雜納米帶(10)。
75、 一種互補晶體管，即p型和n型晶體管，包括根據(jù)權(quán)利要求 73所制成的納米線。
76、 一種形成背柵場效應(yīng)晶體管的方法，其中溝道包括根據(jù)權(quán)利要求58到70中任一項所述的方法所制成的一個或多個納米線，其中 所述晶體管具有將所述柵極與所述溝道隔開的電介質(zhì)層，所述納米線 通過以下步驟制備選擇在絕緣氧化物層下面具有重摻雜半導(dǎo)體層的絕緣體上硅(SOI)襯底；利用光刻在所述襯底上形成壁的陣列或其它形貌結(jié)構(gòu)； 通過以相對于所述襯底表面的淺角引導(dǎo)摻雜劑材料的經(jīng)校準的束沉積摻雜劑材料；沉積半導(dǎo)體材料的覆蓋層以形成多層結(jié)構(gòu)；并且可選地，對所述多層結(jié)構(gòu)進行退火，其中所述摻雜劑材料到所述襯底或所述覆蓋層中的一個或二者中的擴散，形成所述納米線和/或形成所述納米線的外延材料。
77、 一種背柵場效應(yīng)晶體管器件，包括柵極、根據(jù)權(quán)利要求58 到70中任一項所述的方法所制成的所述納米線的溝道，以及將所述 柵極與所述溝道隔開的電介質(zhì)層。
78、 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中由于所述襯底 和一個所述摻雜納米線的材料之間的晶格失配，使得襯底、覆蓋層和 摻雜納米帶的材料在納米線中產(chǎn)生應(yīng)變。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備導(dǎo)電或半導(dǎo)電納米線的方法。該方法一般地包括如下步驟在襯底上形成帶臺階的原子臺面的鄰晶表面，沉積摻雜劑材料的分數(shù)層以形成寬度小于原子臺面的寬度的納米帶，優(yōu)選地用覆蓋層覆蓋納米帶和露出的原子臺面表面，從而形成多層結(jié)構(gòu)，可選地對多層結(jié)構(gòu)進行退火，從而使摻雜納米帶的原子擴散到襯底和覆蓋層中的一個或二者中以形成納米線。該方法還可以應(yīng)用于具有規(guī)則形貌圖案的其它襯底。本發(fā)明還涉及使用這些納米線所制造的各種電子器件。
文檔編號H01L21/225GK101208776SQ200680018288
公開日2008年6月25日 申請日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月27日
發(fā)明者G·馬納伊, I·V·什韋茨, S·費爾南德斯-塞瓦略斯 申請人:都柏林伊麗莎白女皇神學(xué)院