一種具有密貼懸空柵極的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具有密貼懸空柵極的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法，包括步驟：通過至上而下的工藝在（111）型硅片上制備出特定尺寸的硅納米線,保留氮化硅掩膜層，并以此為絕緣層在其上制作柵極，同時在硅納米線兩端的體硅上通過離子注入制備漏極和源極，構(gòu)成了基于硅納米線的場效應(yīng)管，由于硅納米線整體貼在氮化硅薄層上，成品率得到很大提高。所制備的納米線直徑和長度可控，比表面積大，活性強(qiáng)，可作為氣體傳感器和生化傳感器的敏感元件，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種具有密貼懸空柵極的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于MEMS【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種硅納米線場效應(yīng)管的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，納米技術(shù)的研究和新納米材料的開發(fā)都取得了長足的發(fā)展，并且在生物、醫(yī)療、環(huán)境等行業(yè)得到了應(yīng)用。當(dāng)物質(zhì)的特征尺寸減小到納米尺度時，相關(guān)力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電學(xué)等性能會發(fā)生明顯變化，出現(xiàn)了表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等新穎的物理現(xiàn)象。
[0003]由于傳感器領(lǐng)域?qū)`敏度要求的不斷提高，人們紛紛將目光投向納米【技術(shù)領(lǐng)域】，硅納米線作為一種新型一維納米材料，具有優(yōu)異力、熱、光、電等性能，其比表面積大，外界環(huán)境能夠引起材料本身性質(zhì)發(fā)生很大改變，所以該材料具有極大的潛力提升傳感器靈敏度，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]基于硅納米線的場效應(yīng)管既能保留硅納米線的優(yōu)異性能，同時還能通過控制外設(shè)電路讓器件工作在穩(wěn)定的工作點(diǎn)，得到更加準(zhǔn)確的反饋，所以基于硅納米線的場效應(yīng)管在傳感器領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用優(yōu)勢。IC工藝在制備線寬在納米尺度的場效應(yīng)管時所采用的方法包括電子束直寫、深紫外光刻，納米壓印等技術(shù)，其工藝原理簡單，但設(shè)備十分昂貴。同時目前IC工藝正處在22nm節(jié)點(diǎn)，14nm工藝尚處于研發(fā)階段，直接通過圖形轉(zhuǎn)移制備出1nm以下線寬的硅納米線，在技術(shù)上存在比較大的難度。
[0005]因此，發(fā)展可控精度高、成本低廉的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法具有重要的價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種具有密貼懸空柵極的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法，有助于解決現(xiàn)有技術(shù)中硅納米線場效應(yīng)管的制備方法可控精度低且成本高昂的問題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種硅納米線場效應(yīng)管的制備方法，包括以下步驟:
[0008]I)提供一(111)型的硅片，于硅片表面形成介質(zhì)掩膜層，通過光刻工藝于所述介質(zhì)掩膜層中形成間隔排列的傾斜的矩形窗口；
[0009]2)通過所述矩形窗口對所述硅片進(jìn)行刻蝕，形成預(yù)設(shè)深度的凹槽；
[0010]3)通過所述凹槽對硅片進(jìn)行各向異性腐蝕，形成六邊形腐蝕槽，且相鄰兩個六邊形腐蝕槽之間形成預(yù)設(shè)寬度的單晶硅薄壁結(jié)構(gòu)；
[0011]4)基于自限制熱氧化工藝對硅片進(jìn)行氧化，于單晶硅薄壁的頂部中央位置形成單晶娃納米線；
[0012]5)于所述介質(zhì)掩膜層中形成第一窗口，并通過該第一窗口于娃片中形成重?fù)诫s的歐姆接觸區(qū)域；
[0013]6)于所述單晶硅納米線兩端的介質(zhì)掩膜層中分別形成第二窗口，并通過該第二窗口于娃片中形成源區(qū)和漏區(qū)；
[0014]7)以所述單晶硅納米線表面的介質(zhì)掩膜層作為柵介質(zhì)層，于所述柵介質(zhì)層表面制作柵電極；
[0015]8)去除被氧化的單晶硅薄壁，釋放出所述單晶硅納米線。
[0016]作為本發(fā)明的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法一種優(yōu)選方案，步驟I)所述介質(zhì)掩膜層為氮化硅薄膜，采用低壓化學(xué)氣相沉積法于所述硅片表面形成所述氮化硅薄膜。
[0017]作為本發(fā)明的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法一種優(yōu)選方案，步驟I)所述矩形窗口的一邊與所述硅片的I] U3日向呈20度?40度傾斜。
[0018]作為本發(fā)明的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法一種優(yōu)選方案，步驟2)采用反應(yīng)離子刻蝕法于所述硅片中形成凹槽，所述凹槽的深度為Ium?3um。
[0019]作為本發(fā)明的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法一種優(yōu)選方案，步驟3)采用KOH溶液對所述硅片進(jìn)行各向異性腐蝕。
[0020]作為本發(fā)明的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法一種優(yōu)選方案，步驟3)所述單晶硅薄壁結(jié)構(gòu)的寬度為300nm?500nm。
[0021]作為本發(fā)明的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法一種優(yōu)選方案，步驟4)所述的單晶硅納米線的截面為倒三角形。
[0022]如上所述，本發(fā)明提供一種硅納米線場效應(yīng)管的制備方法，包括步驟:1)提供一(111)型的硅片，于硅片表面形成介質(zhì)掩膜層，通過光刻工藝于所述介質(zhì)掩膜層中形成間隔排列的傾斜的矩形窗口 ；2)通過所述矩形窗口對所述硅片進(jìn)行刻蝕，形成預(yù)設(shè)深度的凹槽；3)通過所述凹槽對硅片進(jìn)行各向異性腐蝕，形成六邊形腐蝕槽，且相鄰兩個六邊形腐蝕槽之間形成預(yù)設(shè)寬度的單晶硅薄壁結(jié)構(gòu)；4)基于自限制熱氧化工藝對硅片進(jìn)行氧化，于單晶硅薄壁的頂部中央位置形成單晶硅納米線；5)于所述介質(zhì)掩膜層中形成第一窗口，并通過該第一窗口于硅片中形成重?fù)诫s的歐姆接觸區(qū)域；6)于所述單晶硅納米線兩端的介質(zhì)掩膜層中分別形成第二窗口，并通過該第二窗口于硅片中形成源區(qū)和漏區(qū)；7)以所述單晶硅納米線表面的介質(zhì)掩膜層作為柵介質(zhì)層，于所述柵介質(zhì)層表面制作柵電極；8)去除被氧化的單晶硅薄壁，釋放出所述單晶硅納米線。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0023]I)本發(fā)明的制作成本低廉，所涉及到的步驟僅為常規(guī)的光刻、干法刻蝕和濕法腐蝕工藝。本發(fā)明工藝實(shí)現(xiàn)容易，所有光刻圖形都是基于單面工藝。
[0024]2)本發(fā)明成品率高，由于保留了氮化硅掩膜層，同時巧妙的以其為絕緣層在其上制作柵極，所以在對硅納米線進(jìn)行釋放時，由于硅納米線頂端貼在氮化硅薄層上，所以很少出現(xiàn)斷裂的情況，成品率極高。
[0025]3)本發(fā)明制備的硅納米線直徑和長度可控，通過控制硅納米線形貌可以有效控制器件的靈敏度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1a?圖1b顯示為本發(fā)明的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法步驟I)所呈現(xiàn)的俯視結(jié)構(gòu)及截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖1b為圖1a中的A-A’截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2a?圖2b顯示為本發(fā)明的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法步驟2)所呈現(xiàn)的俯視結(jié)構(gòu)及截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖2b為圖2a中的B-B’截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖3a~圖3b顯示為本發(fā)明的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法步驟3)所呈現(xiàn)的俯視結(jié)構(gòu)及截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖3b為圖3a中的C-C’截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖4a~圖4b顯示為本發(fā)明的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法步驟4)所呈現(xiàn)的俯視結(jié)構(gòu)及截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖4b為圖4a中的D-D’截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖5顯示為本發(fā)明的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法步驟5)所呈現(xiàn)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖6顯示為本發(fā)明的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法步驟6)所呈現(xiàn)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖7顯示為本發(fā)明的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法步驟7)所呈現(xiàn)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖8a~圖Sb顯示為本發(fā)明的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法步驟8)所呈現(xiàn)的俯視結(jié)構(gòu)及截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖8b為圖8a中的E-E’截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]元件標(biāo)號說明
[0035]101硅片
[0036]102介質(zhì)掩膜層
[0037]103矩形窗口
[0038]104凹槽
[0039]105六邊形腐蝕槽
[0040]106單晶硅薄壁結(jié)構(gòu)
[0041]107氧化硅層
[0042]108單晶硅納米線
[0043]109歐姆接觸區(qū)域
[0044]110源區(qū)
[0045]111漏區(qū)
[0046]112柵電極

【具體實(shí)施方式】
[0047]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0048]請參閱圖1a~圖8b。需要說明的是,本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0049]如圖1a~圖8b所示，本實(shí)施例提供一種硅納米線場效應(yīng)管的制備方法，包括以下步驟:
[0050] 如圖1a~圖1b所示，首先進(jìn)行步驟I)，提供一(111)型的硅片101，于硅片101表面形成介質(zhì)掩膜層102，通過光刻工藝于所述介質(zhì)掩膜層102中形成間隔排列的傾斜的矩形窗口 103。
[0051]作為示例，所述(111)型的硅片101的摻雜類型為P型摻雜。
[0052]作為示例，所述介質(zhì)掩膜層102為低應(yīng)力致密的氮化硅薄膜，采用低壓化學(xué)氣相沉積法于所述硅片101表面形成所述低應(yīng)力致密的氮化硅薄膜。在本實(shí)施例中，所述氮化硅薄膜的厚度為80~120nm。
[0053]作為示例，所述矩形窗口 103的一邊與所述硅片101的丨[?11] !晶向呈20度~40度傾斜。具體地，先于所述氮化硅薄膜表面形成光刻膠，然后于光刻膠中形成窗口圖形后，采用反應(yīng)離子刻蝕法RIE將該窗口圖形轉(zhuǎn)移至所述氮化硅薄膜上。
[0054]作為示例，所述矩形窗口 103的數(shù)量為至少兩個，且依據(jù)后續(xù)單晶硅薄壁結(jié)構(gòu)106的厚度定義其尺寸和間距。
[0055]如圖2a~圖2b所示，然后進(jìn)行步驟2)，通過所述矩形窗口 103對所述硅片101進(jìn)行刻蝕，形成預(yù)設(shè)深度的凹槽104。
[0056]作為示例 ，采用反應(yīng)離子刻蝕法RIE于所述硅片101中形成凹槽104，所述凹槽104的深度為Ium~3um。在本實(shí)施例中，采用深反應(yīng)離子刻蝕法DRIE刻蝕出所述凹槽104，所述凹槽104的深度為2um。
[0057]如圖3a~圖3b所示,接著進(jìn)行步驟3),通過所述凹槽104對娃片101進(jìn)行各向異性腐蝕,形成六邊形腐蝕槽105，且相鄰兩個六邊形腐蝕槽105之間形成預(yù)設(shè)寬度的單晶硅薄壁結(jié)構(gòu)106。
[0058]作為示例，采用KOH溶液對所述硅片101進(jìn)行各向異性腐蝕，形成每個面都屬于{111}晶面族的六邊形腐蝕槽105。
[0059]作為示例，在所述各向異性腐蝕后，所述單晶硅薄壁結(jié)構(gòu)106的寬度為300nm~500nm，在本實(shí)施例中，所述單晶硅薄壁結(jié)構(gòu)106的寬度為400nm。
[0060]如圖4a~圖4b所示，然后進(jìn)行步驟4)，基于自限制熱氧化工藝對硅片101進(jìn)行氧化，于單晶硅薄壁的頂部中央位置形成單晶硅納米線108。
[0061]作為示例，所述的單晶硅納米線108的截面為倒三角形。需要說明的是，所述自限制氧化工藝是指，在氧化過程中，于單晶硅薄壁的頂部中央位置會形成高密度的氧化硅層107，氧化劑無法進(jìn)一步對單晶硅薄壁進(jìn)行氧化，所以形成截面為倒三角形的單晶硅納米線 108。
[0062]如圖5所示，接著進(jìn)行步驟5)，于所述介質(zhì)掩膜層102中形成第一窗口，并通過該第一窗口于硅片101中形成重?fù)诫s的歐姆接觸區(qū)域109。
[0063]作為示例，所述的歐姆接觸區(qū)域109的摻雜離子為磷，摻雜濃度為不小于lE19cm3o
[0064]另外需要說明的是，本步驟在氮化硅上打開窗口進(jìn)行重?fù)诫s離子注入，以實(shí)現(xiàn)電極與硅襯底歐姆接觸，在器件工作時，可以通過該歐姆接觸區(qū)域109給硅片101提供偏置電壓，達(dá)到器件與硅片101絕緣的目的。
[0065]如圖6所示，然后進(jìn)行步驟6)，于所述單晶硅納米線108兩端的介質(zhì)掩膜層102中分別形成第二窗口，并通過該第二窗口于硅片101中形成源區(qū)110和漏區(qū)111。
[0066]作為示例，所述源區(qū)110及漏區(qū)111的摻雜離子為硼，摻雜濃度均為不小于lE18cm3。
[0067]如圖7所示，接著進(jìn)行步驟7)，以所述單晶硅納米線108表面的介質(zhì)掩膜層102作為柵介質(zhì)層，于所述柵介質(zhì)層表面制作柵電極112。
[0068]作為示例，所述柵電極112的材料可以是金、銅、鋁等金屬，也可以采用多晶硅材料，柵電極112的位置剛好處在整根單晶硅硅納米線的上端，同時制作源極和漏極引線。
[0069]如圖8a?圖Sb所示，最后進(jìn)行步驟8)，去除被氧化的單晶硅薄壁，釋放出所述單晶娃納米線108。
[0070]如上所述，本發(fā)明提供一種硅納米線場效應(yīng)管的制備方法，包括步驟:1)提供一
(111)型的硅片101，于硅片101表面形成介質(zhì)掩膜層102，通過光刻工藝于所述介質(zhì)掩膜層102中形成間隔排列的傾斜的矩形窗口 103 ；2)通過所述矩形窗口 103對所述硅片101進(jìn)行刻蝕，形成預(yù)設(shè)深度的凹槽104 ；3)通過所述凹槽104對硅片101進(jìn)行各向異性腐蝕，形成六邊形腐蝕槽105，且相鄰兩個六邊形腐蝕槽105之間形成預(yù)設(shè)寬度的單晶硅薄壁結(jié)構(gòu)106 ；4)基于自限制熱氧化工藝對硅片101進(jìn)行氧化，于單晶硅薄壁的頂部中央位置形成單晶硅納米線108 ；5)于所述介質(zhì)掩膜層102中形成第一窗口，并通過該第一窗口于硅片101中形成重?fù)诫s的歐姆接觸區(qū)域109 ；6)于所述單晶硅納米線108兩端的介質(zhì)掩膜層102中分別形成第二窗口，并通過該第二窗口于硅片101中形成源區(qū)110和漏區(qū)111 ；7)以所述單晶硅納米線108表面的介質(zhì)掩膜層102作為柵介質(zhì)層，于所述柵介質(zhì)層表面制作柵電極112 ；8)去除被氧化的單晶硅薄壁，釋放出所述單晶硅納米線108。本發(fā)明由于硅納米線整體貼在氮化硅薄層上，所以在對硅納米線進(jìn)行釋放時，硅納米線極少出現(xiàn)斷裂的情況，成品率得到很大提高。所制備的納米線直徑和長度可控，且比表面積大，活性強(qiáng)，對水蒸汽、氨氣等化學(xué)環(huán)境靈敏度高，可以作為氣體傳感器和生化傳感器的敏感元件，具有廣闊的應(yīng)用前景。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
[0071]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種具有懸空柵極的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)提供一(111)型的硅片，于硅片表面形成介質(zhì)掩膜層，通過光刻工藝于所述介質(zhì)掩膜層中形成間隔排列的傾斜的矩形窗口； 2)通過所述矩形窗口對所述硅片進(jìn)行刻蝕，形成預(yù)設(shè)深度的凹槽； 3)通過所述凹槽對硅片進(jìn)行各向異性腐蝕，形成六邊形腐蝕槽，且相鄰兩個六邊形腐蝕槽之間形成預(yù)設(shè)寬度的單晶硅薄壁結(jié)構(gòu)； 4)基于自限制熱氧化工藝對硅片進(jìn)行氧化，于單晶硅薄壁的頂部中央位置形成單晶硅納米線； 5)于所述介質(zhì)掩膜層中形成第一窗口，并通過該第一窗口于娃片中形成重?fù)诫s的歐姆接觸區(qū)域； 6)于所述單晶硅納米線兩端的介質(zhì)掩膜層中分別形成第二窗口，并通過該第二窗口于娃片中形成源區(qū)和漏區(qū)； 7)以所述單晶硅納米線表面的介質(zhì)掩膜層作為柵介質(zhì)層，于所述柵介質(zhì)層表面制作柵電極； 8)去除被氧化的單晶硅薄壁，釋放出所述單晶硅納米線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于:步驟I)所述介質(zhì)掩膜層為氮化硅薄膜，采用低壓化學(xué)氣相沉積法于所述硅片表面形成所述氮化硅薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于:步驟I)所述矩形窗口的一邊與所述硅片的[丑1]晶向呈20度?40度傾斜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于:步驟2)采用反應(yīng)離子刻蝕法于所述硅片中形成凹槽，所述凹槽的深度為Ium?3um。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于:步驟3)采用KOH溶液對所述硅片進(jìn)行各向異性腐蝕。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于:步驟3)所述單晶娃薄壁結(jié)構(gòu)的寬度為300nm?500nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于:步驟4)所述的單晶硅納米線的截面為倒三角形。
【文檔編號】B81C1/00GK104071745SQ201410312619
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】楊勛, 李鐵, 張嘯, 戴鵬飛, 王躍林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所