一种具有密贴悬空栅极的硅纳米线场效应管的制备方法
【专利摘要】本发明提供一种具有密贴悬空栅极的硅纳米线场效应管的制备方法，包括步骤：通过至上而下的工艺在（111）型硅片上制备出特定尺寸的硅纳米线,保留氮化硅掩膜层，并以此为绝缘层在其上制作栅极，同时在硅纳米线两端的体硅上通过离子注入制备漏极和源极，构成了基于硅纳米线的场效应管，由于硅纳米线整体贴在氮化硅薄层上，成品率得到很大提高。所制备的纳米线直径和长度可控，比表面积大，活性强，可作为气体传感器和生化传感器的敏感元件，具有广阔的应用前景。
【专利说明】一种具有密贴悬空栅极的硅纳米线场效应管的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于MEMS【技术领域】，特别是涉及一种硅纳米线场效应管的制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，纳米技术的研究和新纳米材料的开发都取得了长足的发展，并且在生物、医疗、环境等行业得到了应用。当物质的特征尺寸减小到纳米尺度时，相关力学、热学、光学和电学等性能会发生明显变化，出现了表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等新颖的物理现象。
[0003]由于传感器领域对灵敏度要求的不断提高，人们纷纷将目光投向纳米【技术领域】，硅纳米线作为一种新型一维纳米材料，具有优异力、热、光、电等性能，其比表面积大，外界环境能够引起材料本身性质发生很大改变，所以该材料具有极大的潜力提升传感器灵敏度，具有广阔的应用前景。
[0004]基于硅纳米线的场效应管既能保留硅纳米线的优异性能，同时还能通过控制外设电路让器件工作在稳定的工作点，得到更加准确的反馈，所以基于硅纳米线的场效应管在传感器领域具有巨大的应用优势。IC工艺在制备线宽在纳米尺度的场效应管时所采用的方法包括电子束直写、深紫外光刻，纳米压印等技术，其工艺原理简单，但设备十分昂贵。同时目前IC工艺正处在22nm节点，14nm工艺尚处于研发阶段，直接通过图形转移制备出1nm以下线宽的硅纳米线，在技术上存在比较大的难度。
[0005]因此，发展可控精度高、成本低廉的硅纳米线场效应管的制备方法具有重要的价值。
【发明内容】
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有密贴悬空栅极的硅纳米线场效应管的制备方法，有助于解决现有技术中硅纳米线场效应管的制备方法可控精度低且成本高昂的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅纳米线场效应管的制备方法，包括以下步骤:
[0008]I)提供一(111)型的硅片，于硅片表面形成介质掩膜层，通过光刻工艺于所述介质掩膜层中形成间隔排列的倾斜的矩形窗口；
[0009]2)通过所述矩形窗口对所述硅片进行刻蚀，形成预设深度的凹槽；
[0010]3)通过所述凹槽对硅片进行各向异性腐蚀，形成六边形腐蚀槽，且相邻两个六边形腐蚀槽之间形成预设宽度的单晶硅薄壁结构；
[0011]4)基于自限制热氧化工艺对硅片进行氧化，于单晶硅薄壁的顶部中央位置形成单晶娃纳米线；
[0012]5)于所述介质掩膜层中形成第一窗口，并通过该第一窗口于娃片中形成重掺杂的欧姆接触区域；
[0013]6)于所述单晶硅纳米线两端的介质掩膜层中分别形成第二窗口，并通过该第二窗口于娃片中形成源区和漏区；
[0014]7)以所述单晶硅纳米线表面的介质掩膜层作为栅介质层，于所述栅介质层表面制作栅电极；
[0015]8)去除被氧化的单晶硅薄壁，释放出所述单晶硅纳米线。
[0016]作为本发明的硅纳米线场效应管的制备方法一种优选方案，步骤I)所述介质掩膜层为氮化硅薄膜，采用低压化学气相沉积法于所述硅片表面形成所述氮化硅薄膜。
[0017]作为本发明的硅纳米线场效应管的制备方法一种优选方案，步骤I)所述矩形窗口的一边与所述硅片的I] U3日向呈20度?40度倾斜。
[0018]作为本发明的硅纳米线场效应管的制备方法一种优选方案，步骤2)采用反应离子刻蚀法于所述硅片中形成凹槽，所述凹槽的深度为Ium?3um。
[0019]作为本发明的硅纳米线场效应管的制备方法一种优选方案，步骤3)采用KOH溶液对所述硅片进行各向异性腐蚀。
[0020]作为本发明的硅纳米线场效应管的制备方法一种优选方案，步骤3)所述单晶硅薄壁结构的宽度为300nm?500nm。
[0021]作为本发明的硅纳米线场效应管的制备方法一种优选方案，步骤4)所述的单晶硅纳米线的截面为倒三角形。
[0022]如上所述，本发明提供一种硅纳米线场效应管的制备方法，包括步骤:1)提供一(111)型的硅片，于硅片表面形成介质掩膜层，通过光刻工艺于所述介质掩膜层中形成间隔排列的倾斜的矩形窗口 ；2)通过所述矩形窗口对所述硅片进行刻蚀，形成预设深度的凹槽；3)通过所述凹槽对硅片进行各向异性腐蚀，形成六边形腐蚀槽，且相邻两个六边形腐蚀槽之间形成预设宽度的单晶硅薄壁结构；4)基于自限制热氧化工艺对硅片进行氧化，于单晶硅薄壁的顶部中央位置形成单晶硅纳米线；5)于所述介质掩膜层中形成第一窗口，并通过该第一窗口于硅片中形成重掺杂的欧姆接触区域；6)于所述单晶硅纳米线两端的介质掩膜层中分别形成第二窗口，并通过该第二窗口于硅片中形成源区和漏区；7)以所述单晶硅纳米线表面的介质掩膜层作为栅介质层，于所述栅介质层表面制作栅电极；8)去除被氧化的单晶硅薄壁，释放出所述单晶硅纳米线。本发明具有以下优点:
[0023]I)本发明的制作成本低廉，所涉及到的步骤仅为常规的光刻、干法刻蚀和湿法腐蚀工艺。本发明工艺实现容易，所有光刻图形都是基于单面工艺。
[0024]2)本发明成品率高，由于保留了氮化硅掩膜层，同时巧妙的以其为绝缘层在其上制作栅极，所以在对硅纳米线进行释放时，由于硅纳米线顶端贴在氮化硅薄层上，所以很少出现断裂的情况，成品率极高。
[0025]3)本发明制备的硅纳米线直径和长度可控，通过控制硅纳米线形貌可以有效控制器件的灵敏度。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1a?图1b显示为本发明的硅纳米线场效应管的制备方法步骤I)所呈现的俯视结构及截面结构示意图，其中，图1b为图1a中的A-A’截面结构示意图。
[0027]图2a?图2b显示为本发明的硅纳米线场效应管的制备方法步骤2)所呈现的俯视结构及截面结构示意图，其中，图2b为图2a中的B-B’截面结构示意图。
[0028]图3a~图3b显示为本发明的硅纳米线场效应管的制备方法步骤3)所呈现的俯视结构及截面结构示意图，其中，图3b为图3a中的C-C’截面结构示意图。
[0029]图4a~图4b显示为本发明的硅纳米线场效应管的制备方法步骤4)所呈现的俯视结构及截面结构示意图，其中，图4b为图4a中的D-D’截面结构示意图。
[0030]图5显示为本发明的硅纳米线场效应管的制备方法步骤5)所呈现的俯视结构示意图。
[0031]图6显示为本发明的硅纳米线场效应管的制备方法步骤6)所呈现的俯视结构示意图。
[0032]图7显示为本发明的硅纳米线场效应管的制备方法步骤7)所呈现的俯视结构示意图。
[0033]图8a~图Sb显示为本发明的硅纳米线场效应管的制备方法步骤8)所呈现的俯视结构及截面结构示意图，其中，图8b为图8a中的E-E’截面结构示意图。
[0034]元件标号说明
[0035]101硅片
[0036]102介质掩膜层
[0037]103矩形窗口
[0038]104凹槽
[0039]105六边形腐蚀槽
[0040]106单晶硅薄壁结构
[0041]107氧化硅层
[0042]108单晶硅纳米线
[0043]109欧姆接触区域
[0044]110源区
[0045]111漏区
[0046]112栅电极
【具体实施方式】
[0047]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0048]请参阅图1a~图8b。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0049]如图1a~图8b所示，本实施例提供一种硅纳米线场效应管的制备方法，包括以下步骤:
[0050] 如图1a~图1b所示，首先进行步骤I)，提供一(111)型的硅片101，于硅片101表面形成介质掩膜层102，通过光刻工艺于所述介质掩膜层102中形成间隔排列的倾斜的矩形窗口 103。
[0051]作为示例，所述(111)型的硅片101的掺杂类型为P型掺杂。
[0052]作为示例，所述介质掩膜层102为低应力致密的氮化硅薄膜，采用低压化学气相沉积法于所述硅片101表面形成所述低应力致密的氮化硅薄膜。在本实施例中，所述氮化硅薄膜的厚度为80~120nm。
[0053]作为示例，所述矩形窗口 103的一边与所述硅片101的丨[?11] !晶向呈20度~40度倾斜。具体地，先于所述氮化硅薄膜表面形成光刻胶，然后于光刻胶中形成窗口图形后，采用反应离子刻蚀法RIE将该窗口图形转移至所述氮化硅薄膜上。
[0054]作为示例，所述矩形窗口 103的数量为至少两个，且依据后续单晶硅薄壁结构106的厚度定义其尺寸和间距。
[0055]如图2a~图2b所示，然后进行步骤2)，通过所述矩形窗口 103对所述硅片101进行刻蚀，形成预设深度的凹槽104。
[0056]作为示例 ，采用反应离子刻蚀法RIE于所述硅片101中形成凹槽104，所述凹槽104的深度为Ium~3um。在本实施例中，采用深反应离子刻蚀法DRIE刻蚀出所述凹槽104，所述凹槽104的深度为2um。
[0057]如图3a~图3b所示,接着进行步骤3),通过所述凹槽104对娃片101进行各向异性腐蚀,形成六边形腐蚀槽105，且相邻两个六边形腐蚀槽105之间形成预设宽度的单晶硅薄壁结构106。
[0058]作为示例，采用KOH溶液对所述硅片101进行各向异性腐蚀，形成每个面都属于{111}晶面族的六边形腐蚀槽105。
[0059]作为示例，在所述各向异性腐蚀后，所述单晶硅薄壁结构106的宽度为300nm~500nm，在本实施例中，所述单晶硅薄壁结构106的宽度为400nm。
[0060]如图4a~图4b所示，然后进行步骤4)，基于自限制热氧化工艺对硅片101进行氧化，于单晶硅薄壁的顶部中央位置形成单晶硅纳米线108。
[0061]作为示例，所述的单晶硅纳米线108的截面为倒三角形。需要说明的是，所述自限制氧化工艺是指，在氧化过程中，于单晶硅薄壁的顶部中央位置会形成高密度的氧化硅层107，氧化剂无法进一步对单晶硅薄壁进行氧化，所以形成截面为倒三角形的单晶硅纳米线 108。
[0062]如图5所示，接着进行步骤5)，于所述介质掩膜层102中形成第一窗口，并通过该第一窗口于硅片101中形成重掺杂的欧姆接触区域109。
[0063]作为示例，所述的欧姆接触区域109的掺杂离子为磷，掺杂浓度为不小于lE19cm3o
[0064]另外需要说明的是，本步骤在氮化硅上打开窗口进行重掺杂离子注入，以实现电极与硅衬底欧姆接触，在器件工作时，可以通过该欧姆接触区域109给硅片101提供偏置电压，达到器件与硅片101绝缘的目的。
[0065]如图6所示，然后进行步骤6)，于所述单晶硅纳米线108两端的介质掩膜层102中分别形成第二窗口，并通过该第二窗口于硅片101中形成源区110和漏区111。
[0066]作为示例，所述源区110及漏区111的掺杂离子为硼，掺杂浓度均为不小于lE18cm3。
[0067]如图7所示，接着进行步骤7)，以所述单晶硅纳米线108表面的介质掩膜层102作为栅介质层，于所述栅介质层表面制作栅电极112。
[0068]作为示例，所述栅电极112的材料可以是金、铜、铝等金属，也可以采用多晶硅材料，栅电极112的位置刚好处在整根单晶硅硅纳米线的上端，同时制作源极和漏极引线。
[0069]如图8a?图Sb所示，最后进行步骤8)，去除被氧化的单晶硅薄壁，释放出所述单晶娃纳米线108。
[0070]如上所述，本发明提供一种硅纳米线场效应管的制备方法，包括步骤:1)提供一
(111)型的硅片101，于硅片101表面形成介质掩膜层102，通过光刻工艺于所述介质掩膜层102中形成间隔排列的倾斜的矩形窗口 103 ；2)通过所述矩形窗口 103对所述硅片101进行刻蚀，形成预设深度的凹槽104 ；3)通过所述凹槽104对硅片101进行各向异性腐蚀，形成六边形腐蚀槽105，且相邻两个六边形腐蚀槽105之间形成预设宽度的单晶硅薄壁结构106 ；4)基于自限制热氧化工艺对硅片101进行氧化，于单晶硅薄壁的顶部中央位置形成单晶硅纳米线108 ；5)于所述介质掩膜层102中形成第一窗口，并通过该第一窗口于硅片101中形成重掺杂的欧姆接触区域109 ；6)于所述单晶硅纳米线108两端的介质掩膜层102中分别形成第二窗口，并通过该第二窗口于硅片101中形成源区110和漏区111 ；7)以所述单晶硅纳米线108表面的介质掩膜层102作为栅介质层，于所述栅介质层表面制作栅电极112 ；8)去除被氧化的单晶硅薄壁，释放出所述单晶硅纳米线108。本发明由于硅纳米线整体贴在氮化硅薄层上，所以在对硅纳米线进行释放时，硅纳米线极少出现断裂的情况，成品率得到很大提高。所制备的纳米线直径和长度可控，且比表面积大，活性强，对水蒸汽、氨气等化学环境灵敏度高，可以作为气体传感器和生化传感器的敏感元件，具有广阔的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0071]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种具有悬空栅极的硅纳米线场效应管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)提供一(111)型的硅片，于硅片表面形成介质掩膜层，通过光刻工艺于所述介质掩膜层中形成间隔排列的倾斜的矩形窗口； 2)通过所述矩形窗口对所述硅片进行刻蚀，形成预设深度的凹槽； 3)通过所述凹槽对硅片进行各向异性腐蚀，形成六边形腐蚀槽，且相邻两个六边形腐蚀槽之间形成预设宽度的单晶硅薄壁结构； 4)基于自限制热氧化工艺对硅片进行氧化，于单晶硅薄壁的顶部中央位置形成单晶硅纳米线； 5)于所述介质掩膜层中形成第一窗口，并通过该第一窗口于娃片中形成重掺杂的欧姆接触区域； 6)于所述单晶硅纳米线两端的介质掩膜层中分别形成第二窗口，并通过该第二窗口于娃片中形成源区和漏区； 7)以所述单晶硅纳米线表面的介质掩膜层作为栅介质层，于所述栅介质层表面制作栅电极； 8)去除被氧化的单晶硅薄壁，释放出所述单晶硅纳米线。
2.根据权利要求1所述的硅纳米线场效应管的制备方法，其特征在于:步骤I)所述介质掩膜层为氮化硅薄膜，采用低压化学气相沉积法于所述硅片表面形成所述氮化硅薄膜。
3.根据权利要求1所述的硅纳米线场效应管的制备方法，其特征在于:步骤I)所述矩形窗口的一边与所述硅片的[丑1]晶向呈20度?40度倾斜。
4.根据权利要求1所述的硅纳米线场效应管的制备方法，其特征在于:步骤2)采用反应离子刻蚀法于所述硅片中形成凹槽，所述凹槽的深度为Ium?3um。
5.根据权利要求1所述的硅纳米线场效应管的制备方法，其特征在于:步骤3)采用KOH溶液对所述硅片进行各向异性腐蚀。
6.根据权利要求1所述的硅纳米线场效应管的制备方法，其特征在于:步骤3)所述单晶娃薄壁结构的宽度为300nm?500nm。
7.根据权利要求1所述的硅纳米线场效应管的制备方法，其特征在于:步骤4)所述的单晶硅纳米线的截面为倒三角形。
【文档编号】B81C1/00GK104071745SQ201410312619
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】杨勋, 李铁, 张啸, 戴鹏飞, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所