一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的制作方法

本实用新型涉及纳米材料的制备领域，特别是涉及一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管。

背景技术：

纳米技术是融合了许多学科的新兴高新科技，其中纳米材料是纳米技术非常重要的研究方向。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。

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。

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。

但现有技术采用普通(111)型硅片，由于在硅片上不同区域干法刻蚀速率不同，所以会导致不同区域硅槽的深度不同，如图1至图3所示，其中，图1为现有技术中通过干法刻蚀形成五个不同深度硅槽的结构示意图，图2为对图1所述硅槽进行湿法腐蚀后形成四个不同厚度硅墙壁的结构示意图，图3为对图2所述硅墙壁进行氧化，形成硅纳米线的结构示意图。如图1至图3所示，从左至右看，由于第一个硅墙壁太厚，导致氧化后仍然为硅墙壁；而由于第二个硅墙壁较厚，导致氧化后得到的硅纳米线3的直径较大；而对第三个硅墙壁氧化后得到正常的硅纳米线3；由于第五个硅槽太深，导致湿法腐蚀后未出现硅墙壁。可见，基于普通硅片1制备硅纳米线阵列时，由于干法刻蚀在硅片上不同位置的刻蚀速率不同，使得刻蚀的硅槽深度不同，导致硅薄壁的厚度不同，最终导致硅纳米线阵列中各硅纳米线的尺寸不同。

鉴于此，有必要提供一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管用以解决上述问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管，用于解决现有技术中基于硅片制备硅纳米线阵列时无法实现高可控性及高一致性的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种硅纳米线阵列场效应管，所述硅纳米线阵列场效应管包括：

一(111)型SOI硅片，所述(111)型SOI硅片包括底层硅、氧化层及顶层硅；

位于所述顶层硅上表面及氧化层上方的氮化硅掩膜层，其中，所述氮化硅掩膜层表面形成有暴露所述氧化层的六边形腐蚀槽阵列；

位于所述氮化硅掩膜层下表面的硅纳米线阵列；

位于所述氮化硅掩膜层上表面且与所述硅纳米线阵列位置对应的栅极；以及

位于所述氮化硅掩膜层上表面的源极和漏极，其中，所述源极和漏极之间设置有至少一条暴露所述氧化层的隔离沟道。

优选地，所述顶层硅的厚度为小于等于30um。

优选地，所述硅纳米线阵列中任一硅纳米线的宽度为70～110nm。

优选地，所述硅纳米线阵列为叉指结构，且所述栅极为叉指结构。

优选地，所述源极和漏极之间设置有2条隔离沟道。

优选地，所述栅极为金、铜、铝或多晶硅中的一种。

如上所述，本实用新型的一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管，具有以下有益效果：

1.本实用新型由于采用中间设有氧化层的SOI硅片，对顶层硅进行干法刻蚀时，由于氧化层的阻挡，所述凹槽阵列的深度都为顶层硅的厚度，且在湿法腐蚀时腐蚀溶液腐蚀(111)晶向的速率很低，能够精确控制硅薄壁的厚度，进而使得本实用新型所制备的硅纳米线具有高可控性及高一致性。

2.本实用新型通过在每条硅纳米线上设置栅极，使栅极覆盖了所有的硅纳米线，并通过隔离沟道有效地将源极和漏极进行物理隔离，保证了场效应管的器件性能。

3.本实用新型所述硅纳米线由于其整体贴在氮化硅掩膜层上，能够有效避免硅纳米线断裂，成品率高。

附图说明

图1显示为现有技术中通过干法刻蚀形成五个不同深度硅槽的结构示意图。

图2显示为对图1所述不同深度硅槽进行湿法腐蚀后形成四个不同厚度硅墙壁的结构示意图。

图3显示为对图2所述硅墙壁进行氧化，形成硅纳米线的结构示意图。

图4～图12b显示为本实用新型硅纳米线阵列场效应管的制备方法的结构示意图，其中，图6b是图6a沿AA’方向的截面图，图7b是图7a沿BB’方向的截面图，图8b是图8a沿CC’方向的截面图，图9b是图9a沿DD’方向的截面图，图12b是图12a沿EE’方向的截面图。

图13显示为本实用新型所述硅纳米线阵列场效应管的电镜图。

图14显示为通过本实用新型所述制备方法制备的硅纳米线放大图。

图15显示为通过本实用新型所述制备方法制备的硅纳米线阵列场效应管的扫描曲线。

图16a和图16b显示为表示硅纳米线阵列中各硅纳米线宽度一致性情况的示意图，其中，图16b为图16a中区域e的放大图。

元件标号说明

S1～S8 步骤

1 硅片

2 氮化硅掩膜层

3 硅纳米线

101 底层硅

102 氧化层

103 顶层硅

4 矩形窗口阵列

5 凹槽阵列

6 六边形腐蚀槽阵列

7 硅薄壁阵列

8 硅纳米线阵列

9 栅极

10 源极

11 漏极

12 隔离沟道

a～l 区域a～区域l

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图4至图16。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实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型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。

实施例一

本实施例提供一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管的方法，所述制备方法包括：

S1：提供一(111)型SOI硅片，所述(111)型SOI硅片包括底层硅101、氧化层102及顶层硅103；

S2：在所述顶层硅103表面形成氮化硅掩膜层2，并通过光刻工艺在所述氮化硅掩膜层2中形成倾斜的矩形窗口阵列4；

S3：通过所述矩形窗口阵列4对所述顶层硅103进行干法刻蚀，暴露出所述氧化层102，形成凹槽阵列5；

S4：通过所述凹槽阵列5对所述顶层硅103进行各向异性腐蚀，形成六边形腐蚀槽阵列6，且相邻两个六边形腐蚀槽之间形成预设宽度的硅薄壁；

S5：基于自限制热氧化工艺对所述(111)型SOI硅片进行氧化，在硅薄壁阵列7的顶部形成硅纳米线阵列8；

S6：以所述硅纳米线阵列8中每条硅纳米线表面的氮化硅掩膜层2作为栅介质层，在所述栅介质层表面制作栅极9；

S7：在所述硅纳米线阵列8两端的氮化硅掩膜层2中形成第一、第二窗口，然后分别在第一、第二窗口中制作源极10和漏极11，且所述源极10和漏极11之间设置有至少一条隔离沟道12，其中，所述隔离沟道12暴露出所述氧化层102；

S8：去除被氧化的硅薄壁阵列7，释放出所述硅纳米线阵列8。

下面结合具体附图对本实施例所述硅纳米线阵列场效应管的制备方法作详细的介绍。

如图4所示，提供一(111)型SOI硅片，所述(111)型SOI硅片包括底层硅101、氧化层102及顶层硅103。其中，所述顶层硅103的厚度为小于等于30um，以使硅纳米线直径的一致性更好。优选地，在本实施例中，所述顶层硅103的厚度为30um；当然，在其它实施例中，所述顶层硅103的厚度还可以为5um，8um，10um，13um，15um，18um，20um，23um，25um或28um等。

需要说明的是，SOI硅片从下到上依次包括底层硅101、氧化层102及顶层硅103，当后续对SOI硅片进行刻蚀时，由于中间氧化层102的阻挡，使得每处刻蚀都直接到氧化层102，即每处刻蚀的深度都相同，都为顶层硅103的厚度，由此保证了后续形成的硅纳米线阵列中每条硅纳米线形状、宽度等的一致性，并且由于每条硅纳米线的形状、宽度等参数均一，因此可以将硅纳米线做成阵列结构，最终实现硅纳米线阵列场效应管的制备。

需要说明的是，(111)型SOI硅片由于面密度大，其面间距也大，故其晶面间原子的吸引力就小，而后续进行各向异性腐蚀时，腐蚀液腐蚀(111)自停止面的速率很低，这样能够精确地控制硅薄壁的厚度，以实现硅纳米线阵列中任一硅纳米线形状、宽度等的高可控性和高一致性。

如图5至图6b所示，在所述顶层硅103表面形成氮化硅掩膜层2，并通过光刻工艺在所述氮化硅掩膜层2中形成倾斜的矩形窗口阵列4。

具体的，采用化学气相沉积法于所述顶层硅103表面形成所述低应力致密的氮化硅薄膜。

具体的，先在所述氮化硅掩膜层2表面涂覆光刻胶，然后在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掩膜层2上。

需要说明的是，所述矩形窗口阵列中任一矩形窗口的长和宽均相同，并依据后续硅薄壁阵列7的厚度定义其长、宽和间距。

如图7a和7b所示，通过所述矩形窗口阵列4对所述顶层硅103进行干法刻蚀，暴露出所述氧化层102，形成凹槽阵列5。

具体的，采用反应离子刻蚀法RIE对所述顶层硅103进行刻蚀，直至暴露出所述氧化层102，形成凹槽阵列5，其中，所述凹槽阵列5中凹槽的深度与所述顶层硅103的厚度相等，均为30um。

如图8a和8b所示，通过所述凹槽阵列5对所述顶层硅103进行各向异性腐蚀，形成六边形腐蚀槽阵列6，且相邻两个六边形腐蚀槽之间形成预设宽度的硅薄壁。

具体的，采用KOH溶液对所述顶层硅103进行各向异性腐蚀，形成六边形腐蚀槽阵列6，其中，所述六边形腐蚀槽阵列中任一六边形腐蚀槽的每个面都属于(111)晶面族。

具体的，硅薄壁的宽度为320～380nm。优选地，在本实施例中，所述硅薄壁的宽度为350nm；当然，在其它实施例中，所述硅薄壁的宽度还可以为320nm，325nm，330nm，335nm，340nm，345nm，355nm，360nm，365nm，370nm，375nm，或380nm等。

具体的，所述硅薄壁与所述氧化层的夹角为70.5°。

如图9a和9b所示，基于自限制热氧化工艺对所述(111)型SOI硅片进行氧化，在硅薄壁阵列7的顶部形成硅纳米线阵列8，其中，所述硅纳米线阵列为叉指结构。

需要说明的是，由于硅纳米线阵列8中任一硅纳米线整体贴在氮化硅掩膜层上，能够有效避免硅纳米线断裂。

需要说明的是，通过将所述硅纳米线阵列8设为叉指结构，有效地增大了硅纳米线的密度，进而提高了器件的灵敏性。

如图10所示，以所述硅纳米线阵列8中每条硅纳米线表面的氮化硅掩膜层2作为栅介质层，在所述栅介质层表面制作栅极9，其中，所述栅极形成为叉指结构。

需要说明的是，通过在每条硅纳米线表面制作栅极9覆盖所有的硅纳米线，以实现对硅纳米线的保护，避免硅纳米线断裂。

具体的，所述栅极的材料可以是金、铜、铝等金属，也可以采用多晶硅材料。

如图11所示，在所述硅纳米线阵列8两端的氮化硅掩膜层2中形成第一、第二窗口，然后分别在第一、第二窗口中制作源极10和漏极11，且所述源极10和漏极11之间设置有至少一条隔离沟道12，其中，所述隔离沟道12暴露出所述氧化层102。

需要说明的是，通过所述隔离沟道12将所述源极10和漏极11进行物理隔绝，避免了所述源极10和漏极11之间的干扰，以保证仅有硅纳米线阵列8连接所述源极10和漏极11，进而提高了器件的性能。

如图12a和12b所示，去除被氧化的硅薄壁阵列7，释放出所述硅纳米线阵列8。

实施例二

如图12a和12b所示，本实施例提供一种硅纳米线阵列场效应管，所述硅纳米线阵列场效应管包括：

一(111)型SOI硅片，所述(111)型SOI硅片包括底层硅101、氧化层102及顶层硅103；

位于所述顶层硅103上表面及氧化层102上方的氮化硅掩膜层2，其中，所述氮化硅掩膜层2表面形成有暴露所述氧化层102的六边形腐蚀槽阵列6；

位于所述氮化硅掩膜层2下表面的硅纳米线阵列8；

位于所述氮化硅掩膜层2上表面且与所述硅纳米线阵列8位置对应的栅极9；以及

位于所述氮化硅掩膜层2上表面的源极10和漏极11，其中，所述源极10和漏极11之间设置有至少一条暴露所述氧化层102的隔离沟道12。

具体的，所述顶层硅103的厚度为小于等于30um。

优选地，在本实施例中，所述顶层硅103的厚度为30um；当然，在其它实施例中，所述顶层硅103的厚度还可以为5um，8um，10um，13um，15um，18um，20um，23um，25um或28um等。

需要说明的是，当所述顶层硅103的厚度小于等于30um时，所述硅纳米线直径的一致性更好。

具体的，所述硅纳米线阵列8为叉指结构，且所述栅极9也形成为叉指结构。

需要说明的是，通过将所述硅纳米线阵列8设为叉指结构，有效地增大了硅纳米线的密度，进而提高了器件的灵敏性。而且，通过将硅纳米线阵列整体贴在氮化硅掩膜层上，并在其上覆盖栅极，以实现对硅纳米线阵列的保护，能够有效避免硅纳米线的断裂。

具体的，所述栅极为金、铜、铝或多晶硅中的一种。

具体的，所述源极10和漏极11之间设置有2条隔离沟道12。

需要说明的是，通过所述隔离沟道12将所述源极10和漏极11进行物理隔绝，避免了所述源极10和漏极11之间的干扰，以保证仅有硅纳米线阵列8连接所述源极10和漏极11，进而提高了器件的性能。

通过实施例一所述制备方法制备硅纳米线阵列场效应管，其电镜图如图13所示，硅纳米线的放大图如图14所示。其中，所述硅纳米线阵列中各硅纳米线的理论宽度为90nm，对所述场效应管进行测试，得到如图15和图16所示的测试结果。

如图15所示，图15为通过本实用新型所述制备方法制备的硅纳米线阵列场效应管的扫描曲线，从图15可以看出，本实用新型所制备的硅纳米线阵列场效应管的栅极的调制效果明显，器件性能优异。

如图16a和图16b所示，图16a和图16b表示硅纳米线阵列中各硅纳米线宽度一致性情况的示意图，其中，图16b为图16a中区域e的放大图。对图16a中各区域硅纳米线宽度的测量结果如下：区域a中硅纳米线的宽度为110nm，区域b中硅纳米线的宽度为106nm，区域c中硅纳米线的宽度为96nm，区域d中硅纳米线的宽度为79.4nm，区域e中硅纳米线的宽度为107nm，区域f中硅纳米线的宽度为89.3nm，区域g中硅纳米线的宽度为79.4nm，区域h中硅纳米线的宽度为75nm，区域i中硅纳米线的宽度为83.3nm，区域j中硅纳米线的宽度为103nm，区域k中硅纳米线的宽度为102nm，区域l中硅纳米线的宽度为107nm；可见，通过本实用新型所述制备方法制备的硅纳米线的宽度分布在70～110nm之间，由此实现将硅纳米线阵列中各硅纳米线宽度的精度控制在±20nm之内。

本实用新型所述制备方法首次实现了圆片级大批量制备高可控性、高一致性的硅纳米线阵列场效应管，其硅纳米线阵列的高一致性使得所述场效应管作为传感器等敏感元件时，硅纳米线阵列中所有硅纳米线同时检测到被测信号，在保证外界噪声大小不变的情况下，有效实现了被测信号的叠加，极大地提高了信噪比和器件性能，使得器件的电路部分极其容易实现，为硅纳米线的广泛应用打下基础。

综上所述，本实用新型的一种圆片级制备硅纳米线阵列场效应管，具有以下有益效果：

1.本实用新型由于采用中间设有氧化层的SOI硅片，对顶层硅进行干法刻蚀时，由于氧化层的阻挡，所述凹槽阵列的深度都为顶层硅的厚度，且在湿法腐蚀时腐蚀溶液腐蚀(111)晶向的速率很低，能够精确控制硅薄壁的厚度，进而使得本实用新型所制备的硅纳米线具有高可控性及高一致性。

2.本实用新型通过在每条硅纳米线上设置栅极，使栅极覆盖了所有的硅纳米线，并通过隔离沟道有效地将源极和漏极进行物理隔离，保证了场效应管的器件性能。

3.本实用新型所述硅纳米线由于其整体贴在氮化硅掩膜层上，能够有效避免硅纳米线断裂，成品率高。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，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实用新型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，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。