专利名称：超长半导体纳米线结构及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体工艺技术领域，尤其涉及一种超长半导体纳米线结构及其制备方法。
背景技术：
现阶段先进的半导体集成电路工艺已进入纳米领域，并且晶体管的特征尺寸还将持续按比例缩小，在提高器件性能并降低单个晶体管成本的同时，对半导体工艺条件也提出了更高的要求，并且受量子效应的影响，器件的特征尺寸不可能无限地持续缩小，传统的半导体材料、工艺将遭遇瓶颈，摩尔定律将失去对半导体工业的指导意义。研发新的材料、 新的工艺来替代现有的集成电路中材料和工艺已有迫切的需要。纳米线、纳米管等一维材料作为纳米器件中必不可少的功能组件，在纳米研究领域中的地位显得越发重要。此外，近十几年来，凝聚态物理领域中，人们对低维、小尺度材料的研究表现出浓厚的兴趣。纳米结构是当今科学技术发展前沿中，极具挑战性的研究领域。尤其是近年来， 纳米尺度的硅线越来越受到人们的重视。一方面，因为它潜在的应用前景，比如器件小型化，提高集成度，以及用于制作一些特殊器件等；另一方面，由于硅材料在微小尺度下表现出来的特殊的物理性质比如表面效应，力学效应，发光特性以及量子尺度效应等，越来越受到科学界的重视。目前，硅纳米线的制备主要采用纳米材料的常规的两种制备方法“自上而下 (Top-down)”和“自下而上(Bottom-up)”。其中，“自上而下”法是采用从大块晶体通过刻蚀、腐蚀或研磨的方式获得纳米材料；而“自下而上”法是从原子或分子出发来控制、 组装、反应生成各种纳米材料或纳米结构，一般采用化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)法。“自下而上”法除了本身的限制(如高温、高压等)之外，采用该方法制备的硅纳米线在后续的纳米电子器件的制备过程中存在一定的缺点，如难以定位移动、难以形成好的欧姆接触。相反，“自上而下”法利用了当前的微电子加工工艺，可以实现批量生产，使将来制备高密度和高质量的纳米集成传感器称为可能。因此，“自上而下”法称为目前制备硅纳米线的主流技术。并且，当前“自上而下”法主要是利用化学刻蚀技术来形成硅纳米线。请参考图1， 以及图2A至图2E，其中，图1为现有的“自上而下”法制备硅纳米线的步骤流程图，图2A至图2E为现有的“自上而下”法制备硅纳米线的各步骤对应的半导体衬底的结构示意图，如图1，以及图2A至图2E所示，现有的“自上而下”法制备硅纳米线包括如下步骤S101、准备半导体衬底110，其中所述半导体衬底110为绝缘层上硅(S0I，Silicon On Insulator)，即包括绝缘层111、位于所述绝缘层111上的氧化层112、以及位于所述氧化层112上的单晶硅113，所述半导体衬底110的剖面图如图2A所示；S102、上光阻120，并将所述光阻120图形化，带图形化光阻的半导体衬底的俯视图如图2B所示；其中，将所述光阻图形化的方法可为普通光刻、纳米压印光刻、电子束(e-beam)光刻或X射线(X-Ray)光刻中的任一种；S103、以所述图形化的光阻120为掩模，对所述单晶硅113进行干法刻蚀，形成初级硅纳米线114 ；形成初级纳米线后的半导体衬底的剖面图如图2C所示；其中，所述干法刻蚀采用的刻蚀气体为HCl ；S104、对所述初级硅纳米线114进行湿法刻蚀，使所述初级硅纳米线111的尺寸进一步缩小，形成最终的硅纳米线115 ；形成最终的硅纳米线后的半导体衬底的剖面图如图 2D所示；其中，湿法刻蚀所用的腐蚀剂为KOH或氢氧化四甲基胺(TMAH)；S105、去除剩余的光阻120 ；去除剩余的光阻后的半导体衬底的俯视图如图2E所示。当然，所述硅衬底110还可以为单晶硅。锗纳米线的制备方法与上述硅纳米线的制备方法类似，只需将硅衬底替换为锗衬底(单晶锗或绝缘层上锗(GOI, Gemanium On Insulator))即可。然而，由于上述方法中，硅的干法刻蚀及湿法刻蚀均存在各向异性，而硅纳米线的宽度非常小(通常为几纳米至几十纳米)，因此极易在刻蚀的过程中造成硅纳米线断裂，从而很难形成超长硅纳米线。而为了提高工艺集成度，希望硅纳米线的长度越长越好，从而可将大量器件集成于同一根硅纳米线上。因而，如何有效地制备超长硅纳米线或锗纳米线，已成为目前业界亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超长半导体纳米线结构及其制备方法，以解决现有技术在制备超长半导体纳米线的过程中容易造成超长半导体纳米线断裂的问题。为解决上述问题，本发明提出一种超长半导体纳米线结构，包括超长半导体纳米线以及凸块，所述凸块对称地设置在所述超长半导体纳米线两侧，增加所述超长半导体纳米线的宽度，且所述超长半导体纳米线同一侧的凸块间隔设置。可选的，所述凸块的宽度为2 lOOnm。可选的，所述超长半导体纳米线的长度为0. 5 500um。可选的，所述超长半导体纳米线的宽度为2 200nm。可选的，所述凸块与所述超长半导体纳米线为一体成型结构。可选的，所述超长半导体纳米线为超长硅纳米线或超长锗纳米线，所述凸块相应的为硅凸块或锗凸块。同时，为解决上述问题，本发明还提出一种上述超长半导体纳米线结构的制备方法，该方法包括如下步骤提供半导体衬底；上光阻，所述光阻覆盖所述半导体衬底，并将所述光阻图形化；所述图形化的光阻为宽度间隔加宽的长条状；以所述图形化的光阻为掩模，对所述半导体衬底进行刻蚀，形成上述的超长半导体纳米线结构；去除剩余的光阻。
可选的，所述将光阻图形化的方法为光刻、纳米压印光刻、电子束光刻或X射线光刻中的任一种。可选的，所述刻蚀为湿法刻蚀，或者先干法刻蚀再湿法刻蚀。可选的，所述湿法刻蚀的腐蚀剂为KOH或氢氧化四甲基胺。可选的，所述干法刻蚀的刻蚀气体至少包含CF4、SiF6、Cl2、HBr、HCl中的一种。可选的，在所述湿法刻蚀前，还包括将所述半导体衬底氧化的步骤。可选的，所述凸块的宽度为2 lOOnm。可选的，所述超长半导体纳米线的长度为0. 5 500um。可选的，所述超长半导体纳米线的宽度为2 200nm。可选的，所述凸块与所述超长半导体纳米线为一体成型结构。可选的，所述半导体衬底为单晶硅或绝缘层上硅，所述超长半导体纳米线为超长硅纳米线，所述凸块为硅凸块。可选的，所述半导体衬底为单晶锗或绝缘层上锗，所述超长半导体纳米线为超长锗纳米线，所述凸块为锗凸块。与现有技术相比，本发明提供的超长半导体纳米线结构通过在常规的超长半导体纳米线两侧对称地设置凸块，增加所述超长半导体纳米线的宽度，且所述超长半导体纳米线同一侧的凸块间隔设置，从而可防止所述超长半导体纳米线结构断裂。与现有技术相比，本发明提供的超长半导体纳米线结构的制备方法，通过光刻及刻蚀形成宽度间隔加宽的超长半导体纳米线结构，由于所述超长半导体纳米线结构的宽度间隔地加宽，从而可防止在刻蚀过程中造成所述超长半导体纳米线结构断裂，有利于形成超长超细的半导体纳米线结构。
图1为现有的“自上而下”法制备硅纳米线的步骤流程图；图2A至图2E为现有的“自上而下”法制备硅纳米线的各步骤对应的半导体衬底的结构示意图；图3为本发明实施例提供的超长半导体纳米线结构的示意图；图4为本发明第一个实施例提供的超长半导体纳米线结构的制备方法的步骤流程图；图5A至图5C为本发明第一个实施例提供的超长半导体纳米线结构的制备方法的各步骤对应的半导体衬底的结构示意图；图6为本发明第二个实施例提供的超长半导体纳米线结构的制备方法的步骤流程图；图7为本发明第三个实施例提供的超长半导体纳米线结构的制备方法的步骤流程图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明提出的超长半导体纳米线结构及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。本发明的核心思想在于，提供一种超长半导体纳米线结构，所述超长半导体纳米线结构的宽度间隔地加宽，从而可防止所述超长半导体纳米线结构断裂；同时，本发明还提供一种超长半导体纳米线结构的制备方法，该方法通过光刻及刻蚀，形成宽度间隔加宽的超长半导体纳米线结构，由于所述超长半导体纳米线结构的宽度间隔地加宽，从而可防止在刻蚀过程中造成所述超长半导体纳米线结构断裂，有利于形成超长超细的半导体纳米线结构。请参考图3，图3为本发明实施例提供的超长半导体纳米线结构的示意图，如图3 所示，本发明实施例提供的超长半导体纳米线结构200，包括超长半导体纳米线201以及凸块202，所述凸块202对称地设置在所述超长半导体纳米线201两侧，增加所述超长半导体纳米线201的宽度，且所述超长半导体纳米线201同一侧的凸块202间隔设置；由于所述超长半导体纳米线结构200的宽度间隔地加宽，从而可防止所述超长半导体纳米线结构200
断裂。
进--步地，所述凸块202的宽度为2 lOOnm。
进--步地，所述超长半导体纳米线201的长度为0. 5 500um。
进--步地，所述超长半导体纳米线201的宽度为2 200nm。
进--步地，所述凸块202与所述超长半导体纳米线201为一体成型结构。
进--步地，所述超长半导体纳米线201为超长硅纳米线或超长锗纳米线，所述凸
块202相应的为硅凸块或锗凸块。关于超长半导体纳米线结构的制备方法通过以下实施例进行具体说明。实施例1请参考图4，以及图5A至图5C，其中，图4为本发明第一个实施例提供的超长半导体纳米线结构的制备方法的步骤流程图，图5A至图5C为本发明第一个实施例提供的超长半导体纳米线结构的制备方法的各步骤对应的半导体衬底的结构示意图，如图4，以及图 5A至图5C所示，本发明第一个实施例提供的超长半导体纳米线结构的制备方法包括如下步骤S201、提供半导体衬底210，如图5A所示；S202、上光阻220，所述光阻220覆盖所述半导体衬底210，并将所述光阻220图形化；所述图形化的光阻220为宽度间隔加宽的长条状；所述图形化的光阻220的俯视图如图5B所示；S203、以所述图形化的光阻220为掩模，对所述半导体衬底210进行湿法刻蚀，形成超长半导体纳米线结构230 ；S204、去除剩余的光阻220 ；去除剩余的光阻后的半导体衬底的俯视图如图5C所示，所述超长半导体纳米线结构230包括超长半导体纳米线231以及凸块232，所述凸块 232对称地设置在所述超长半导体纳米线231两侧，增加所述超长半导体纳米线231的宽度，且所述超长半导体纳米线231同一侧的凸块232间隔设置；进一步地，所述将光阻图形化的方法为光刻、纳米压印光刻、电子束光刻或X射线光刻中的任一种。
进一步地，所述湿法刻蚀的腐蚀剂为KOH或氢氧化四甲基胺；从而可对所述半导体衬底210进行各向异性腐蚀。进一步地，所述凸块232的宽度为2 lOOnm。进一步地，所述超长半导体纳米线231的长度为0. 5 500um。进一步地，所述超长半导体纳米线231的宽度为2 200nm。进一步地，所述凸块232与所述超长半导体纳米线231为一体成型结构。进一步地，所述半导体衬底210为单晶硅或绝缘层上硅，所述超长半导体纳米线 231为超长硅纳米线，所述凸块232为硅凸块。进一步地，所述半导体衬底210为单晶锗或绝缘层上锗，所述超长半导体纳米线 231为超长锗纳米线，所述凸块232为锗凸块。实施例2请参考图6，图6为本发明第二个实施例提供的超长半导体纳米线结构的制备方法的步骤流程图，如图6所示，本发明第二个实施例提供的超长半导体纳米线结构的制备方法包括如下步骤S301、提供半导体衬；S302、上光阻，所述光阻覆盖所述半导体衬底，并将所述光阻图形化；所述图形化的光阻为宽度间隔加宽的长条状；S303、以所述图形化的光阻为掩模，对所述半导体衬底进行干法刻蚀；S304、以所述图形化的光阻为掩模，对所述半导体衬底进行湿法刻蚀，形成超长半导体纳米线结构；S305、去除剩余的光阻。需说明的是，实施例2与实施例1除了对半导体衬底进行刻蚀的步骤不同之外，其它的均类似，因此，不做重复说明。实施例2在对所述半导体衬底进行湿法刻蚀前，增加了干法刻蚀的步骤，这是因为干法刻蚀的方向性好，形成图形的垂直度好；然而由于干法刻蚀形成的图形的尺寸仍然太大，因此在干法刻蚀后进行湿法刻蚀，进一步缩小图形的尺寸，有利于形成超细超长的半导体纳米线结构。进一步地，所述干法刻蚀的刻蚀气体至少包含CF4、SiF6、Cl2、HBr、HCl中的一种。实施例3请参考图7，图7为本发明第三个实施例提供的超长半导体纳米线结构的制备方法的步骤流程图，如图7所示，本发明第三个实施例提供的超长半导体纳米线结构的制备方法包括如下步骤S401、提供半导体衬；S402、上光阻，所述光阻覆盖所述半导体衬底，并将所述光阻图形化；所述图形化的光阻为宽度间隔加宽的长条状；S403、以所述图形化的光阻为掩模，对所述半导体衬底进行干法刻蚀；S404、对所述干法刻蚀后的半导体衬底进行氧化，形成氧化层，并将所述氧化层去除；具体地，所述氧化层可通过HF去除；S405、以所述图形化的光阻为掩模，对所述半导体衬底进行湿法刻蚀，形成超长半导体纳米线结构；
S406、去除剩余的光阻。需说明的是，实施例3与实施例2除了对半导体衬底进行刻蚀的步骤不同之外，其它的均类似，因此，不做重复说明。实施例3在对所述半导体衬底进行干法刻蚀后，湿法刻蚀前，增加了将所述半导体衬底进行氧化的步骤，通过将所述半导体衬底进行氧化，在干法刻蚀后形成的图形的两侧形成氧化层，将所述氧化层去除后，干法刻蚀后形成的图形的宽度减小，从而有利于形成超细超长的半导体纳米线结构。综上所述，本发明提供了一种超长半导体纳米线结构，所述超长半导体纳米线结构的宽度间隔地加宽，从而可防止所述超长半导体纳米线结构断裂；同时，本发明还提供了一种超长半导体纳米线结构的制备方法，该方法通过光刻及刻蚀，形成宽度间隔加宽的超长半导体纳米线结构，由于所述超长半导体纳米线结构的宽度间隔地加宽，从而可防止在刻蚀过程中造成所述超长半导体纳米线结构断裂，有利于形成超长超细的半导体纳米线结构。显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种超长半导体纳米线结构，其特征在于，包括超长半导体纳米线以及凸块，所述凸块对称地设置在所述超长半导体纳米线两侧，增加所述超长半导体纳米线的宽度，且所述超长半导体纳米线同一侧的凸块间隔设置。
2.如权利要求1所述的超长半导体纳米线结构，其特征在于，所述凸块的宽度为2 IOOnm0
3.如权利要求2所述的超长半导体纳米线结构，其特征在于，所述超长半导体纳米线的长度为0. 5 500um。
4.如权利要求3所述的超长半导体纳米线结构，其特征在于，所述超长半导体纳米线的宽度为2 200nm。
5.如权利要求1至4任一项所述的超长半导体纳米线结构，其特征在于，所述凸块与所述超长半导体纳米线为一体成型结构。
6.如权利要求5所述的超长半导体纳米线结构，其特征在于，所述超长半导体纳米线为超长硅纳米线或超长锗纳米线，所述凸块相应的为硅凸块或锗凸块。
7.一种超长半导体纳米线结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤提供半导体衬底；上光阻，所述光阻覆盖所述半导体衬底，并将所述光阻图形化；所述图形化的光阻为宽度间隔加宽的长条状；以所述图形化的光阻为掩模，对所述半导体衬底进行刻蚀，形成如权利要求1所述的超长半导体纳米线结构；去除剩余的光阻。
8.如权利要求7所述的超长半导体纳米线结构的制备方法，其特征在于，所述将光阻图形化的方法为光刻、纳米压印光刻、电子束光刻或X射线光刻中的任一种。
9.如权利要求7所述的超长半导体纳米线结构的制备方法，其特征在于，所述刻蚀为湿法刻蚀，或者先干法刻蚀再湿法刻蚀。
10.如权利要求9所述的超长半导体纳米线结构的制备方法，其特征在于，所述湿法刻蚀的腐蚀剂为KOH或氢氧化四甲基胺。
11.如权利要求9所述的超长半导体纳米线结构的制备方法，其特征在于，所述干法刻蚀的刻蚀气体至少包含CF4、SiF6, Cl2, HBr, HCl中的一种。
12.如权利要求9所述的超长半导体纳米线结构的制备方法，其特征在于，在所述湿法刻蚀前，还包括将所述半导体衬底氧化的步骤。
13.如权利要求7所述的超长半导体纳米线结构的制备方法，其特征在于，所述凸块的宽度为2 lOOnm。
14.如权利要求13所述的超长半导体纳米线结构的制备方法，其特征在于，所述超长半导体纳米线的长度为0. 5 500um。
15.如权利要求14所述的超长半导体纳米线结构的制备方法，其特征在于，所述超长半导体纳米线的宽度为2 200nm。
16.如权利要求7至15任一项所述的超长半导体纳米线结构的制备方法，其特征在于， 所述凸块与所述超长半导体纳米线为一体成型结构。
17.如权利要求16所述的超长半导体纳米线结构的制备方法，其特征在于，所述半导体衬底为单晶硅或绝缘层上硅，所述超长半导体纳米线为超长硅纳米线，所述凸块为硅凸块。
18.如权利要求16所述的超长半导体纳米线结构的制备方法，其特征在于，所述半导体衬底为单晶锗或绝缘层上锗，所述超长半导体纳米线为超长锗纳米线，所述凸块为锗凸块。
全文摘要
本发明公开了一种超长半导体纳米线结构，所述超长半导体纳米线结构的宽度间隔地加宽，从而可防止所述超长半导体纳米线结构断裂；同时，本发明还公开了一种超长半导体纳米线结构的制备方法，该方法通过光刻及刻蚀，形成宽度间隔加宽的超长半导体纳米线结构，由于所述超长半导体纳米线结构的宽度间隔地加宽，从而可防止在刻蚀过程中造成所述超长半导体纳米线结构断裂，有利于形成超长超细的半导体纳米线结构。
文档编号B82Y40/00GK102169889SQ201110064599
公开日2011年8月31日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者吴东平, 张世理, 张卫, 朱志炜 申请人:复旦大学