专利名称：一种制作单晶硅纳米结构的方法
技术领域：
本发明涉及微纳机电系统领域，特别涉及一种制作单晶硅纳米结构的方法，这是一种利用传统MEMS的制造工艺，以低成本，大批量制作单晶硅纳米结构的简单方法，使制作的单晶硅纳米结构的尺寸基本可控。
背景技术：
单晶硅纳米结构作为纳米硅器件的重要组成部分，在量子限制和表面活性等方面有许多优异的性质，因此有着广泛的应用。例如，与MOSFET结合进行诸如蛋白质、DNA等生物大分子的检测；作为光子晶体研究或者纳米自旋器件研究的基本结构和器件等等。传统的硅纳米线(SiNWs)制作方法主要采用纳米加工工艺。纳米加工工艺是自下而上的“组装”纳米线，主要包括激光烧蚀法(Laserablation)、多孔氧化铝模板法等等。激光烧蚀法主要利用汽-液-固相方法(Vapor-liquid-solid method, VLS)，当饱和的气态硅不断扩散进入硅与金属催化剂的合金液滴时，固态的硅就会不断从液滴中析出，从而在液-固界面间生长出纳米线。多孔氧化铝模板法利用纳米多孔铝作为模板，硅烷气体在金 (Au)、银(Ag)等催化剂的作用下，在纳米孔隙中合成硅，最后除去多孔铝得到纳米线。这些纳米加工工艺虽然具有成本低、尺寸均勻等优点，但条件苛刻，难以操作，兼容性差，且易受催化剂污染。近年来随着光刻技术的进步，扫描探针光刻Scanning Probe Lithograph, SPL) 和电子束光刻(EBL)也越来越多的用于单晶硅纳米结构的制作。但是这些方法比较耗时， 投入的费用也比较昂贵，难以用于大规模制作单晶硅纳米结构。相对于以上几种方法，基于微机械加工工艺制备纳米结构的方法具有与IC工艺兼容、成本低廉、便于大规模生产等优点。已经报道的方法主要是侧墙掩膜技术(Sidewall Masking Technique)禾口光亥Ij胶灰化技术(Photoresist Ashing Technique)。这两种方法均是先利用淀积的材料或者硅化的光刻胶形成侧墙，再以此作为掩膜进行刻蚀，得到纳米线， 但是线宽可控程度不高。由此可知，在相关技术领域，需要一种能大规模、经济和有效的单晶硅纳米结构制作方法，而微机械加工工艺是关注的热点。
发明内容
本发明的目的是基于微机械加工工艺，提供一种低成本、大规模、线宽可控的制作单晶硅纳米结构的方法。进一步的，利用所制作的单晶硅纳米结构批量制作具有预定线宽的单晶硅纳米结构传感器、纳米量子器件等。本发明的技术方案如下一种制作单晶硅纳米结构的方法，包括下述步骤1)选择掺杂浓度在IO12CnT3以下的低掺杂浓度硅衬底；2)根据所要制作的单晶硅纳米结构的图形在硅衬底上光刻，定义微米级线宽的掩膜图形；3)进行离子注入，在微米级线宽的掩膜图形外形成重掺杂区域，掺杂浓度大于 IO19cm-3 ；4)对硅衬底进行高温退火，注入的离子将扩散进入掩膜图形下面的硅材料中，形成中度掺杂区域，掺杂浓度在IO17 1019cm_3，使掩膜图形下低掺杂浓度区域的线宽减小至纳米量级；5)用HNA溶液选择性腐蚀掉中度掺杂区域内的硅，得到低掺杂浓度的单晶硅纳米结构。进一步的，上述步骤幻之前可以先在硅衬底上用热氧化的方法形成一层SiO2层， 该SiO2层将作为后续注入的离子注入保护层；在步骤幻用HNA溶液选择性腐蚀硅之前，先用缓冲氢氟酸(BHF)溶液(HF NH4F= 1 4(体积比))腐蚀掉该SiO2层和退火时可能形成的自然氧化层。上述步骤1) 一般选用普通硅基片或SOI硅片作为衬底，硅衬底的掺杂浓度大约在 lOllcnT3。上述步骤2)掩膜图形的线宽小于2 μ m，优选小于1 μ m。上述步骤幻离子注入的种类一般与所使用的衬底的类型相当，即ρ型衬底注入 III族离子，η型衬底注入V族离子。离子注入浓度应尽量大，确保注入后形成的重掺杂区域的掺杂浓度高于1019cm_3。必要时，应该在注入前对光刻胶进行烘焙，以确保光刻胶不会在大剂量注入中开裂。上述步骤4)退火的温度在950°C 1050°C，退火的时间由掩膜图形尺寸和所需纳米结构尺寸决定，可以结合设计的尺寸和具体的工艺参数进行理论估算或者使用相关软件的模拟结果，一般为3-10小时。退火时，注入的离子将向衬底的各个方向发生扩散，包括平行于衬底表面的侧向扩散。利用注入离子的扩散，在硅衬底中形成的一些中度掺杂区域，上述步骤5)所用HNA溶液优选为HNO3 HF HAc = 3 1 8 (体积比)的溶液。由于HNA溶液对掺杂浓度在IO17CnT3以上的硅衬底腐蚀速率大约在1 2 μ m/min,远快于轻掺杂的硅衬底，腐蚀选择比大约在160 1。因此，利用HNA溶液选择性去除中度掺杂区域后，将留下轻掺杂的单晶硅纳米结构。在HNA溶液腐蚀硅衬底时，HNO3在腐蚀液中会被还原成HNO2。随着HNA溶液腐蚀硅衬底的进行，HNO2的浓度将增大。较高浓度的HNO2会影响HNA溶液的选择性。这种情况下，可以加入适量氧化剂(如H2O2),把HNO2氧化成HNO3, 来消除HNO2的影响；也可以加入适量还原剂妝队，来去除ΗΝ02。鉴于HNA溶液的腐蚀速率较快，并且在腐蚀过程中会生成影响选择比的HNO2，因此HNA溶液的腐蚀时间不宜过长。具体时间可根据所需制备的纳米结构的线宽，通过预实验确定。本发明采用HNA选择性腐蚀技术在硅衬底上制作单晶硅纳米结构，克服了采用纳米加工工艺的条件苛刻、难以操作、兼容性差且易受催化剂污染的问题，以及扫描探针光刻 (SPL)和电子束光刻(EBL)技术的耗时和高成本问题。本发明的方法不仅具备基于传统的 MEMS工艺的制备方法的优点，诸如兼容性好，操作方便，成本低廉，便于大规模生产等，同时相对于利用侧墙和光刻胶灰化技术的方法，拥有更好的线宽可控性。本发明通过采用简单、可重复的工序，可以制作高集成度的单晶硅纳米器件，并且不受光刻最小尺寸限制，可以取代耗时昂贵的电子束光刻法，以及不易控制、兼容性差的汽-液-固相法。通过本发明方法制作的单晶硅纳米结构，可应用于多种微纳机电器件的制备，例如，可以制作检测生物活性分子的Bio-MEMS传感器，以及研究纳米自旋电子学的重要器件等。
图l(a)_(d)为本发明实施例制作单晶硅纳米线的工艺流程示意图，其中(a)显示了在氧化硅缓冲层上形成光刻胶掩膜的步骤；(b)显示了高浓度离子注入步骤；(C)显示了退火形成中度离子掺杂区域的步骤；(d)显示了 HNA选择性腐蚀硅形成纳米结构的步骤。图2是两张利用本发明方法制作的单晶硅纳米结构的扫描电镜照片。
具体实施例方式下面结合附图，通过实施例进一步详细描述HNA选择性腐蚀法制作单晶硅纳米结构的方法。如图1所示，根据下述步骤制作单晶硅纳米结构1.选用普通硅片或SOI硅片作为衬底1，硅衬底的掺杂浓度大约在IO11CmA2.在硅衬底1上用热氧化的方法形成一层SiO2层2，该SW2层将作为离子注入的保护层；然后根据版图设计，光刻定义微米级线宽的掩膜图形，形成光刻胶离子注入掩膜 3，参见图1(a)。3.进行离子注入，在硅衬底上掩膜图形外形成重掺杂区域4，见图1(b)。4.高温退火，注入的离子在高温退火中将向衬底1的各个方向发生扩散，包括平行于衬底表面的侧向扩散，由于注入离子的扩散，在硅衬底1上将形成的一些中度掺杂区域5，掺杂浓度大约在IO17 1019cm_3，掩膜图形下低掺杂浓度区域的线宽也将减小至纳米量级，见图1(c)。退火的温度为1000°C，退火的时间为3小时以上。5.先用缓冲氢氟酸(BHF)溶液(HF NH4F = 1 4(体积比))腐蚀SW2离子注入保护层2，再用HNA溶液(HNO3 HF HAc = 3 1 8)进行选择性腐蚀掉中度掺杂区域5，在硅衬底上得到低掺杂浓度的单晶硅纳米结构6，见图1 (d)。上述方法利用HNA选择性腐蚀法制作单晶硅纳米结构，并且可以通过掩膜图形的版图设计和退火时间调整纳米结构的线宽。图2是利用本发明方法制作的单晶硅纳米线的扫描电镜照片，其中图2(a)版图设计线宽为2 μ m, HNA腐蚀后形成的纳米线的线宽约为1 μ m，图2 (b)为版图设计线宽为 0. 6 μ m，HNA腐蚀后形成的纳米线的线宽约为370nm。以上通过具体实施方式
描述了本发明利用HNA的选择性腐蚀制作单晶硅纳米结构的方法，本领域的技术人员应当理解，上述描述不应视为对本发明的限制。在不脱离本发明精神和实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改，本发明的保护范围视所附权利要求书而定。
权利要求
1.一种制作单晶硅纳米结构的方法，包括下述步骤1)选择掺杂浓度在1O12CnT3以下的低掺杂浓度硅衬底；2)根据单晶硅纳米结构的图形在硅衬底上光刻，定义微米级线宽的掩膜图形；3)进行离子注入，在微米级线宽的掩膜图形外形成重掺杂区域，掺杂浓度大于 1O19Cnr3 ；4)高温退火，注入的离子扩散进入掩膜图形下面的硅材料中，形成掺杂浓度在1O17 1O19CnT3的中度掺杂区域，使掩膜图形下低掺杂浓度区域的线宽减小至纳米量级；5)用HNA溶液选择性腐蚀掉中度掺杂区域内的硅，得到低掺杂浓度的单晶硅纳米结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)选用硅基片或SOI硅片作为衬底。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中掩膜图形的线宽小于2μ m。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤幻之前先在硅衬底上热氧化形成一层SiO2离子注入保护层；在步骤幻用HNA溶液选择性腐蚀硅之前，先用缓冲氢氟酸溶液腐蚀掉该SiO2层。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)在离子注入前对光刻胶离子注入掩膜进行烘焙。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)离子注入的种类与硅衬底的类型相当，对于P型衬底注入III族离子，而对于η型衬底注入V族离子。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)退火时间为3-10小时。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)所用HNA溶液是HNO3 HF HAc =3:1: 8(体积比)的溶液。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤幻在HNA溶液腐蚀过程中，加入适量氧化剂或还原剂去除HNO2。
全文摘要
本发明公开了一种制作单晶硅纳米结构的方法，首先根据单晶硅纳米结构的图形在硅衬底上光刻，定义微米级线宽的掩膜图形；然后通过离子注入在掩膜图形外形成重掺杂区域；接着高温退火使注入的离子扩散进入掩膜图形下面的硅材料中，形成中度掺杂区域，将掩膜图形下低掺杂浓度区域的线宽减小至纳米量级；最后用HNA溶液选择性腐蚀掉中度掺杂区域内的硅，得到低掺杂浓度的单晶硅纳米结构。本发明的方法不仅具备MEMS工艺与IC工艺兼容性好、操作方便、成本低廉、便于大规模生产等优点，而且相对于利用侧墙和光刻胶灰化技术的纳米结构制作方法，拥有更好的线宽可控性。
文档编号H01L21/306GK102157371SQ201110070920
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者于侃, 于晓梅, 王晓菲, 赵安迪 申请人:北京大学