一种控制砷化镓纳米微结构尺寸的方法与流程

本发明属于半导体集成技术领域，涉及一种控制砷化镓纳米微结构尺寸的方法。

背景技术：

半导体技术作为信息产业的核心和基础，是衡量一个国家科学技术进步和综合国力的重要标志。在过去的40多年中，硅基集成技术遵循摩尔定律通过缩小器件的特征尺寸来提高器件的工作速度、增加集成度以及降低成本，硅基CMOS器件的特征尺寸已经由微米尺度缩小到纳米尺度。然而当MOS器件的栅长缩小到90纳米以下，栅介质(二氧化硅)的厚度已经逐渐减小到接近1纳米，关态漏电增加、功耗密度增大、迁移率退化等物理极限使器件性能恶化，传统硅基微电子集成技术开始面临来自物理与技术方面的双重挑战。

从材料方面来说，采用高迁移率材料替代传统硅材料作为衬底材料将是半导体集成技术的重要发展方向。因为砷化镓(GaAs)的电子迁移率显著高于硅材料，所以砷化镓(GaAs)被认为有望取代硅材料以适应22纳米以下逻辑器件的需求。另一方面，从器件微结构上来说，为了进一步提高栅对沟道载流子浓度的控制能力，以鳍状栅、纳米线为代表的三维结构将取代传统的平面结构，成为22纳米节点以下的主流结构。基于以上两点，砷化镓纳米微结构将在未来发挥更加重要的作用。传统的衬底刻蚀技术往往需要依靠离子刻蚀或者溶液腐蚀的办法。前者通常成本较高且容易引入离子损伤导致的缺陷。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明目的在于通过控制氧气分压及反应温度，使砷化镓与氧气反应生成易挥发的三氧化二砷(As₂O₃)和一氧化二镓(Ga₂O)，从而提供一种控制砷化镓纳米微结构尺寸的方法。

(二)技术方案

本发明提供了一种控制砷化镓纳米微结构尺寸的方法，利用控制砷化镓纳米微结构尺寸的装置对砷化镓纳米微结构的尺寸进行控制，包括：把砷化镓纳米微结构置于腔体中；利用热氧化法对所述砷化镓纳米微结构的尺寸进行控制。

优选地，所述利用热氧化法对砷化镓纳米微结构的尺寸进行控制包括：将腔体抽真空；向所述腔体通入含氧混合气体；将所述腔体内的温度升至反应温度，所述砷化镓纳米微结构与氧气发生氧化反应，所述砷化镓纳米微结构的尺寸减小。

优选地，所述将腔体抽真空包括：利用分子泵将腔体抽真空，关闭分子泵。

优选地，所述向腔体通入含氧混合气体包括：打开混合气瓶和高纯气瓶，调节第一通气管线和第二通气管线的流量计，向腔体内充入含氧混合气体和高纯气体。

优选地，所述将腔体内的温度升至反应温度，砷化镓纳米微结构与氧气发生氧化反应包括：利用加热装置将腔体内的温度升温至反应温度并保温，氧化反应开始进行，砷化镓纳米微结构的外层部分和氧气发生反应生成三氧化二砷蒸汽和一氧化二镓，砷化镓纳米微结构的尺寸减小。

优选地，调节氧气分压至0.01-10帕斯卡区间，腔体内的反应温度至500-700摄氏度区间。

优选地，当氧气分压介于0.01-0.1帕斯卡之间，腔体内的反应温度调节至500-650摄氏度区间。

优选地，当氧气分压介于0.1-10帕斯卡之间，腔体内的反应温度应调节至550-700摄氏度区间。

优选地，所述砷化镓纳米微结构是单晶、多晶或者非晶砷化镓纳米线、纳米带、量子点、鳍状栅。

优选地，所述含氧混合气体是氮气、氩气、氦气、氖气的一种或多种与氧气的的混合气体；所述高纯气体是氮气、氩气、氦气、氖气的一种或多种。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的控制砷化镓纳米微结构尺寸的方法具有以下有益效果：

(1)通过加热氧化方法实现砷化镓纳米微结构尺寸的减小，一方面杜绝了引入杂质离子，另一方面避免了离子刻蚀造成的损伤，且兼具成本低廉的优势，具有非常重要的应用价值和经济价值；

(2)本方法的刻蚀速率在0.01纳米每分钟至30纳米每分钟之间，可以实现砷化镓纳米微结构尺寸在亚22纳米及以上节点上的精确控制，具有高精度的控制效果。

附图说明

图1为本发明实施例的控制砷化镓纳米微结构尺寸的装置结构示意图；

图2为本发明实施例的控制砷化镓纳米微结构尺寸的方法流程图；

图3为600摄氏度下砷化镓(100)单晶的平均热氧化刻蚀速率随氧分压的变化曲线；

图4为氧气分压为1帕斯卡条件下，砷化镓(100)单晶的平均热氧化刻蚀速率随温度变化曲线。

符号说明

101-砷化镓纳米线；102-外层部分；103-直径更细的砷化镓纳米线；104-腔体；105-加热装置；106-分子泵；107-第一通气管线；108-第二通气管线；109-混合气瓶；110-高纯气瓶。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明将砷化镓纳米微结构置于氧气和其它惰性气体的混合气体中，通过调节气体流量比进而控制氧气分压以及反应温度，实现砷化镓纳米微结构尺寸的控制。

参见图1，本发明实施例的控制砷化镓纳米微结构尺寸的方法，利用一控制砷化镓纳米微结构尺寸的装置，该装置的腔体104侧壁安装有加热装置105，混合气瓶109经第一通气管线107连通腔体104，高纯气瓶110经第二通气管线108连通腔体104，在第一通气管线107和第二通气管线108中均设置有流量计，腔体104还与分子泵106连通，腔体104用于放置砷化镓纳米微结构。

混合气体可以是氧气与氮气(N₂)、氩气(Ar)，氦气(He)、氖气(Ne)的其中一种或多种的混合气体，其中以氮气(N₂)成本最为低廉，当采用氮气时，混合气瓶109的氧气浓度为0.1％，高纯气瓶110的氮气纯度为99.99995％。

加热装置105为碘钨灯式光致加热装置，腔体104为厚壁石英腔体，第一通气管线107和第二通气管线108为耐氧化管线，分子泵106为转速75kRPM的分子泵，极限真空度为10^-4帕斯卡。

本实施例的控制砷化镓纳米微结构尺寸的方法，参见图2，首先，把砷化镓纳米线101置于腔体104中。

其次，利用分子泵106将腔体104抽真空至小于5x10^-3帕斯卡，关闭分子泵106。

接着，打开混合气瓶109和高纯气瓶110，调节第一通气管线107和第二通气管线108的流量计，使混合气瓶109的流量为0.25sccm，高纯气瓶110的流量为250sccm，向腔体104内充入两路气体，直到腔体的气体压强恒定在1个标准大气压。

然后，利用加热装置105将腔体104的反应温度以5度/秒的速度升温至600摄氏度，保温，氧化反应开始进行。随着氧化反应的进行，砷化镓纳米线的外层部分102逐渐和氧气发生反应形成三氧化二砷蒸汽和一氧化二镓，从而获得直径更细的砷化镓纳米线103。

在本发明中，砷化镓纳米线101是利用金属离子催化方法制备而成的单晶砷化镓纳米线。纳米线初始线宽度为50纳米，线长度为10微米。

进一步地，本发明的装置和方法还适用于其他砷化镓纳米微结构，砷化镓纳米微结构可以是物理方法或者化学方法制备的单晶、多晶或者非晶砷化镓纳米线、纳米带、量子点、鳍状栅等等。砷化镓纳米线、纳米带可以是独立的或团簇的依附于或者不依附于衬底材料的纳米线、纳米带。砷化镓纳米微结构的微观尺寸介于2纳米x2纳米x2纳米至200微米x200微米x200微米之间。

本发明针对不同的氧气分压区间对砷化镓纳米微结构进行加热处理，调节腔体104的气体压强以及各组分流量比，氧气分压应调节至0.01-10帕斯卡区间。当氧气分压介于0.01-0.1帕斯卡之间，腔体104内的反应温度应调节至500-650摄氏度区间。当氧气分压介于0.1-10帕斯卡之间，腔体104内的反应温度应调节至550-700摄氏度区间。

进一步，纳米微结构的尺寸的刻蚀速率具有如下趋势。刻蚀速率由氧气分压和反应温度以及砷化镓材料的晶态和取向决定。刻蚀速率随温度的升高而增加、随氧气分压的增加而增加。

图3为600摄氏度下砷化镓(100)单晶在不同氧气分压下热氧化刻蚀随时间变化的曲线。如图3所示，平均刻蚀速率随着氧气分压的升高而升高。从0.1帕斯卡下的1纳米每分钟到100帕斯卡下的9纳米每分钟。值得指出的是，该刻蚀速率的误差值也随着氧气分压的升高而增大。所以，对于刻蚀精度要求比较高的情况，如本例中的砷化镓纳米线，选择在低氧分压条件下进行比较合适。

图4为氧气分压为1帕斯卡条件下，砷化镓(100)单晶的平均热氧化刻蚀速率随温度变化曲线。如图4所示，平均刻蚀速率随着温度的升高而升高，从500摄氏度下的2纳米每分钟到800摄氏度下的约5纳米每分钟。

从材料的晶态和取向来说，对于刻蚀速率，单晶(110)＞单晶(100)＞单晶(111)。通过改变温度、氧气分压，对于不同的砷化镓材料，可以实现介于0.01-30纳米每分钟之间的刻蚀速率。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的控制砷化镓纳米微结构尺寸的方法和装置有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。