一種鍺硅納米線疊層結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鍺硅納米線疊層結構的制作方法，該方法包括：在單晶襯底表面交替外延鍺硅薄膜與鍺薄膜，并對鍺硅薄膜與鍺薄膜的表面進行光刻和刻蝕，獲得鍺硅/鍺的線條結構；在純氧或含有氧氣的混和氣體的氣氛下對獲得的鍺硅/鍺的線條結構進行氧化，利用鍺與鍺硅氧化速率的不同將鍺優(yōu)先氧化為二氧化鍺，同時保持鍺硅不被氧化；以及利用化學腐蝕的方法除去二氧化鍺，獲得鍺硅納米線疊層結構。本發(fā)明提供的鍺硅納米線結構的制作方法，具有可大面積生長、工藝簡便、納米線直徑可控以及制備成本低等優(yōu)點。
【專利說明】一種鍺硅納米線疊層結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體集成【技術領域】，特別涉及一種鍺硅納米線疊層結構的制作方法。
【背景技術】
[0002]半導體技術作為信息產業(yè)的核心和基礎，是衡量一個國家科學技術進步和綜合國力的重要標志。在過去的40多年中，硅基集成技術遵循摩爾定律通過縮小器件的特征尺寸來提高器件的工作速度、增加集成度以及降低成本，硅基CMOS器件的特征尺寸已經由微米尺度縮小到納米尺度。然而當MOS器件的柵長縮小到90納米以下，柵介質(二氧化硅)的厚度已經逐漸減小到接近I納米，關態(tài)漏電增加、功耗密度增大、遷移率退化等物理極限使器件性能惡化，傳統(tǒng)硅基微電子集成技術開始面臨來自物理與技術方面的雙重挑戰(zhàn)。
[0003]從材料方面來說，采用高遷移率材料替代傳統(tǒng)硅材料作為襯底材料將是半導體集成技術的重要發(fā)展方向。因為鍺硅的空穴遷移率和電子遷移率都顯著高于硅材料，所以鍺硅被認為有望取代硅材料以適應22納米以下邏輯器件的需求。另一方面，從器件微結構上來說，為了進一步提高柵對溝道載流子濃度的控制能力，以鰭狀柵、納米線為代表的三維結構將取代傳統(tǒng)的平面結構，成為22納米節(jié)點以下的主流結構。

【發(fā)明內容】

[0004](一 )要解決的技術問題
[0005]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種鍺硅納米線疊層結構的制作方法，以解決鍺硅納米線疊層結構的選擇性腐蝕和制備問題，達到大規(guī)模、低成本制備鍺硅納米線疊層結構的目的。
[0006]( 二 )技術方案
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種鍺硅納米線疊層結構的制作方法，該方法包括:在單晶襯底表面交替外延鍺硅薄膜與鍺薄膜，并對鍺硅薄膜與鍺薄膜的表面進行光刻和刻蝕，獲得鍺硅/鍺的線條結構；在純氧或含有氧氣的混和氣體的氣氛下對獲得的鍺硅/鍺的線條結構進行氧化，利用鍺與鍺硅氧化速率的不同將鍺優(yōu)先氧化為二氧化鍺，同時保持鍺硅不被氧化；以及利用化學腐蝕的方法除去二氧化鍺，獲得鍺硅納米線疊層結構。
[0008]上述方案中，所述在單晶襯底表面交替外延鍺硅薄膜與鍺薄膜的步驟中，是利用分子束外延或者超高真空化學氣相沉積法在單晶襯底表面交替外延鍺硅薄膜與鍺薄膜。所述鍺硅薄膜與鍺薄膜是單晶、非晶或多晶鍺硅薄膜與鍺薄膜。所述單晶襯底是硅、絕緣體上硅、砷化鎵、藍寶石、碳化硅、磷化銦、覆蓋有結晶氧化物的硅襯底或砷化鎵襯底，以及上述襯底的復合結構，該單晶襯底的晶向是(100)、(110)或者(111)的一種，該單晶襯底的類型是本征的、P型摻雜或η型摻雜的。
[0009]上述方案中，所述在單晶襯底表面交替外延鍺硅薄膜與鍺薄膜的步驟中，鍺薄膜的厚度為5?5000納米，鍺硅薄膜的厚度為5?5000納米，鍺硅薄膜中鍺的組分比例介于1%?80%之間。
[0010]上述方案中，所述獲得的鍺硅/鍺的線條結構中，線條寬度為5?5000納米，線條高度為5?5000納米，長度為5納米?50厘米。
[0011]上述方案中，所述在純氧或含有氧氣的混和氣體的氣氛下對獲得的鍺硅/鍺的線條結構進行氧化的步驟中，所述純氧的壓強介于I個大氣壓至100個大氣壓之間，氧化的反應溫度介于450至800攝氏度之間。
[0012]上述方案中，所述在純氧或含有氧氣的混和氣體的氣氛下對獲得的鍺硅/鍺的線條結構進行氧化的步驟中，所述含有氧氣的混和氣體中除了氧氣以外還包含有氮氣、氦氣、氖氣或IS氣。
[0013]上述方案中，所述利用化學腐蝕的方法去除二氧化鍺的步驟中，所述化學腐蝕方法是利用水溶液、鹽酸、硫酸、氨水或利用有機溶劑所稀釋的水溶液，腐蝕掉氧化形成的二氧化鍺。所述有機溶劑包括甲醇、乙醇或丙酮，與水能夠以任意比例混合；所述利用有機溶劑所稀釋的水溶液中，水的摩爾比介于0.1%?99%之間。
[0014](三)有益效果
[0015]本發(fā)明提供的這種鍺硅納米線疊層結構的制作方法，通過控制氧化溫度對鍺/鍺硅納米線進行選擇性氧化的方法，具有較大的溫度工藝窗口，方法簡便，成本低廉，因而具有非常重要的應用價值和經濟價值，可以實現(xiàn)鍺硅納米微結構尺寸在亞22納米及以上節(jié)點上的精確控制，具有重要意義。另外，利用本發(fā)明，由于采用了鍺/鍺硅的疊層結構，通過熱力學控制，實現(xiàn)了選擇性氧化，使鍺硅層中的鍺組分被優(yōu)先氧化成二氧化鍺，而鍺硅層中則保持不被氧化的狀態(tài)，進而通過水溶液腐蝕的方法去除二氧化鍺，從而獲得了鍺硅納米線疊層結構，所以解決了鍺硅納米線疊層結構的選擇性腐蝕和制備問題，達到大規(guī)模、低成本制備鍺硅納米線疊層結構的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明提供的制作鍺硅納米線疊層結構的方法流程圖；
[0017]圖2至圖5是依照本發(fā)明實施例的制作鍺硅納米線疊層結構的工藝流程圖；其中:
[0018]圖2是硅基鍺/鍺硅交替疊層襯底結構的示意圖；
[0019]圖3是經刻蝕得到的硅基鍺/鍺硅線條示意圖；
[0020]圖4是利用氧化方法獲得的硅基鍺硅/ 二氧化鍺納米線條疊層結構的示意圖；
[0021]圖5是利用選擇性濕法刻蝕技術除掉鍺硅線條間二氧化鍺的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0023]本發(fā)明提供的這種鍺硅納米線疊層結構的制作方法，通過控制氧氣反應溫度，使氧氣對鍺/鍺硅復合結構進行選擇性氧化，優(yōu)先氧化鍺層形成二氧化鍺同時保持鍺硅不被氧化，進一步利用選擇性腐蝕的方法去除掉二氧化鍺層，從而獲得鍺硅納米線疊層結構。
[0024]如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的制作鍺硅納米線疊層結構的方法流程圖，該方法包括以下步驟:
[0025]步驟1:在單晶襯底表面交替外延鍺娃薄膜與鍺薄膜，并對鍺娃薄膜與鍺薄膜的表面進行光刻和刻蝕，獲得鍺硅/鍺的線條結構；
[0026]步驟2:在純氧或含有氧氣的混和氣體的氣氛下對獲得的鍺硅/鍺的線條結構進行氧化，利用鍺與鍺硅氧化速率的不同將鍺優(yōu)先氧化為二氧化鍺，同時保持鍺硅不被氧化；
[0027]步驟3:利用化學腐蝕的方法除去二氧化鍺，獲得鍺硅納米線疊層結構。
[0028]步驟I中所述在單晶襯底表面交替外延鍺硅薄膜與鍺薄膜，是利用分子束外延或者超高真空化學氣相沉積法在單晶襯底表面交替外延鍺硅薄膜與鍺薄膜。所述鍺硅薄膜與鍺薄膜是單晶、非晶或多晶鍺硅薄膜與鍺薄膜。所述單晶襯底是硅、絕緣體上硅、砷化鎵、藍寶石、碳化硅、磷化銦、覆蓋有結晶氧化物的硅襯底或砷化鎵襯底，以及上述襯底的復合結構，該單晶襯底的晶向是(100)、(110)或者(111)的一種，該單晶襯底的類型是本征的、P型摻雜或η型摻雜的。鍺薄膜的厚度為5?5000納米，鍺硅薄膜的厚度為5?5000納米，鍺硅薄膜中鍺的組分比例介于1%?80%之間。所述獲得的鍺硅/鍺的線條結構中，線條寬度為5?5000納米，線條高度為5?5000納米，長度為5納米?50厘米。
[0029]步驟2中所述在純氧或含有氧氣的混和氣體的氣氛下對獲得的鍺硅/鍺的線條結構進行氧化，所述純氧的壓強介于I個大氣壓至100個大氣壓之間，氧化的反應溫度介于450至800攝氏度之間。所述含有氧氣的混和氣體中除了氧氣以外還包含有氮氣、氦氣、氖氣或氬氣。
[0030]步驟3中所述利用化學腐蝕的方法去除二氧化鍺，是利用水溶液、鹽酸、硫酸、氨水或利用有機溶劑所稀釋的水溶液，腐蝕掉氧化形成的二氧化鍺。所述有機溶劑包括甲醇、乙醇或丙酮，與水能夠以任意比例混合；所述利用有機溶劑所稀釋的水溶液中，水的摩爾比介于0.1%?99%之間。
[0031]基于圖1所示的制作鍺硅納米線疊層結構的方法流程圖，圖2至圖5是依照本發(fā)明實施例的制作鍺硅納米線疊層結構的工藝流程圖，具體包括:
[0032]如圖2所示，選用在絕緣體上硅襯底上交替外延鍺硅層101與鍺層102各4層。其中鍺硅層中鍺的組分為50%。絕緣體上硅襯底結構包括硅襯底片105、二氧化硅層104，以及絕緣體上硅層103。其中二氧化硅層104厚度200納米，絕緣體上硅層103厚度為100納米。交替外延鍺層厚度為30納米，鍺硅層厚度30納米。
[0033]如圖3所示，利用電子束光刻技術以及利用感應耦合等離子刻蝕(ICP)刻蝕技術利用SF6在圖2的結構上刻蝕獲得寬度20納米的鍺硅線條202/鍺線條201的周期結構，線條間距為100納米。
[0034]如圖4所示，對圖3結構進行一個大氣壓純氧氣條件下的氧化處理，氧化溫度設定為550攝氏度，處理30分鐘，使鍺層被選擇性氧化成為二氧化鍺，而鍺硅層保持不被氧化的狀態(tài)。
[0035]如圖5所示，利用選擇性濕法刻蝕方法，將圖4所獲得的結構置于去離子水中，將二氧化鍺溶解掉，從而得到硅基絕緣體上鍺硅納米線條疊層結構。
[0036]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種鍺硅納米線疊層結構的制作方法，其特征在于，該方法包括: 在單晶襯底表面交替外延鍺硅薄膜與鍺薄膜，并對鍺硅薄膜與鍺薄膜的表面進行光刻和刻蝕，獲得鍺硅/鍺的線條結構； 在純氧或含有氧氣的混和氣體的氣氛下對獲得的鍺硅/鍺的線條結構進行氧化，利用鍺與鍺硅氧化速率的不同將鍺優(yōu)先氧化為二氧化鍺，同時保持鍺硅不被氧化；以及 利用化學腐蝕的方法除去二氧化鍺，獲得鍺硅納米線疊層結構。
2.根據權利要求1所述的鍺硅納米線疊層結構的制作方法，其特征在于，所述在單晶襯底表面交替外延鍺硅薄膜與鍺薄膜的步驟中，是利用分子束外延或者超高真空化學氣相沉積法在單晶襯底表面交替外延鍺硅薄膜與鍺薄膜。
3.權利要求2所述的鍺硅納米線疊層結構的制作方法，其特征在于，所述鍺硅薄膜與鍺薄膜是單晶、非晶或多晶鍺硅薄膜與鍺薄膜。
4.權利要求2所述的鍺硅納米線疊層結構的制作方法，其特征在于，所述單晶襯底是硅、絕緣體上硅、砷化鎵、藍寶石、碳化硅、磷化銦、覆蓋有結晶氧化物的硅襯底或砷化鎵襯底，以及上述襯底的復合結構，該單晶襯底的晶向是(100)、(110)或者(111)的一種，該單晶襯底的類型是本征的、P型摻雜或η型摻雜的。
5.根據權利要求1所述的鍺硅納米線疊層結構的制作方法，其特征在于，所述在單晶襯底表面交替外延鍺硅薄膜與鍺薄膜的步驟中，鍺薄膜的厚度為5?5000納米，鍺硅薄膜的厚度為5?5000納米，鍺硅薄膜中鍺的組分比例介于1%?80%之間。
6.根據權利要求1所述的鍺硅納米線疊層結構的制作方法，其特征在于，所述獲得的鍺硅/鍺的線條結構中，線條寬度為5?5000納米，線條高度為5?5000納米，長度為5納米?50厘米。
7.根據權利要求1所述的鍺硅納米線疊層結構的制作方法，其特征在于，所述在純氧或含有氧氣的混和氣體的氣氛下對獲得的鍺硅/鍺的線條結構進行氧化的步驟中，所述純氧的壓強介于I個大氣壓至100個大氣壓之間,氧化的反應溫度介于450至800攝氏度之間。
8.根據權利要求1所述的鍺硅納米線疊層結構的制作方法，其特征在于，所述在純氧或含有氧氣的混和氣體的氣氛下對獲得的鍺硅/鍺的線條結構進行氧化的步驟中，所述含有氧氣的混和氣體中除了氧氣以外還包含有氮氣、氦氣、氖氣或氬氣。
9.根據權利要求1所述的鍺硅納米線疊層結構的制作方法，其特征在于，所述利用化學腐蝕的方法去除二氧化鍺的步驟中，所述化學腐蝕方法是利用水溶液、鹽酸、硫酸、氨水或利用有機溶劑所稀釋的水溶液，腐蝕掉氧化形成的二氧化鍺。
10.根據權利要求9所述的鍺硅納米線疊層結構的制作方法，其特征在于，所述有機溶劑包括甲醇、乙醇或丙酮，與水能夠以任意比例混合；所述利用有機溶劑所稀釋的水溶液中，水的摩爾比介于0.1%?99%之間。
【文檔編號】H01L21/02GK103700578SQ201310740895
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權日:2013年12月27日
【發(fā)明者】王盛凱, 劉洪剛, 孫兵, ?；|, 趙威 申請人:中國科學院微電子研究所