专利名称：一种控制锗纳米微结构尺寸的方法
技术领域：
本发明涉及一种控制锗纳米微结构尺寸的方法，属于半导体集成技术领域。
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。因为锗(Ge)的空穴迁移率1900 cm2/V*s和电子迁移率3900 cm2/ V · s都显著高于硅材料，所以锗(Ge)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，锗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。
发明内容
本发明目的在于提供一种控制锗纳米微结构尺寸的方法，通过控制氧气分压及反应温度，使锗与氧气反应生成易挥发的一氧化锗，达到控制锗纳米结构尺寸的目的。本发明解决上述技术问题的技术方案如下
一种控制锗纳米微结构尺寸的方法，通过热氧化法实现相应纳米微结构尺寸的减所述热氧化法，反应物为锗和氧气，反应生成物为气态的一氧化锗，反应不生成二氧化锗，反应气氛为纯氧气或者氧气和其它性质稳定的气体的混和气体，所述氧气分压控制在0.01帕斯卡 10帕斯卡。所述反应温度依赖于氧气分压决定，0. 01帕斯卡至0. 1帕斯卡之间时，温度应限定在500摄氏度至650摄氏度，0. 1帕斯卡至10帕斯卡之间时，温度应限定在550摄氏度至 700摄氏度。还包括刻蚀速率，所述刻蚀速率由氧分压和反应温度以及锗材料的晶态和取向决定，刻蚀速率随温度的升高而增加，刻蚀速率随氧分压的增加而增加，从刻蚀速率上讲，非晶〉多晶〉单晶(110) >单晶(100 ) >单晶(111)，通过改变温度、氧气分压，对于不同的锗材料，可以实现介于0. 01-30纳米每分钟之间的刻蚀速率。所述反应物锗可以是单晶、多晶或者非晶态锗，单晶锗可以是包括(100)，(110)和(111)等的各种取向的衬底，所述锗可以是平面衬底上的锗条或者独立或团簇状的纳米线、 纳米带。所述其它性质稳定的气体，在700摄氏度以下不会和锗或者氧气发生化学反应， 可以是氮气，氩气，氦气，氖气或者上述气体的混合气体。所述氧气分压，调节气体的总压强以及氧气和其它性质稳定的气体的压强比，使氧气的分压控制在0.01帕斯卡至10帕斯卡之间。将锗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，实现锗纳米微结构尺寸的控制。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进一步，所述锗纳微结构可以是物理方法或者化学方法制备的单晶、多晶或者非晶锗纳米线、纳米带、量子点、鳍状栅等等，所述锗纳米线、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。锗纳米结构微观尺寸介于2纳米x2纳米x2 纳米至200微米x200微米x200微米之间。进一步，所述混合气体氮气( )、氩气(Ar)、氦气(He)、氖气(Ne)或者上述气体的混合气体，其中以氮气( )成本最为低廉。进一步，通过调节整体的气体压强以及各组分流量比，调节氧气分压至0.01-10 帕斯卡区间，当氧气分压介于0.01-0. 1帕斯卡之间，反应温度调节至500-650摄氏度区间，当氧气分压介于0. 1-10帕斯卡之间，反应温度调节至550-700摄氏度区间。进一步，纳米微结构的尺寸的减小速率具有如下趋势，减小速率由氧气分压和反应温度以及锗材料的晶态和取向决定，此速率随温度的升高而增加、随氧分压的增加而增加。从材料的晶态和取向来说，反应速率非晶〉多晶〉单晶(110)>单晶(100)>单晶(111)。 通过改变温度、氧气分压，对于不同的锗材料，可以实现介于0. 01-30纳米每分钟之间的刻蚀速率。本发明所述的控制锗纳米微结构尺寸的方法中的热氧化的锗刻蚀方法，所述方法包括以下几个步骤
步骤1:将已经制备好的锗纳米微结构置于用于加热的腔体内部； 步骤2 先把加热腔体抽真空至真空度高于10_3帕斯卡，然后通过流量计控制向真空腔体内部通入氧气或惰性气体的混合气，使得氧气分压达到0. 01至10帕斯卡之间，惰性气体可以是氮气、氩气、氦气、氖气或者上述气体的混合气体；
步骤3 针对不同的氧气分压区间对锗纳米微结构进行加热处理，0. 01帕斯卡至0. 1帕斯卡之间时，温度应限定在500摄氏度至650摄氏度，0. 1帕斯卡至10帕斯卡之间时，温度应限定在550摄氏度至700摄氏度，氧气分子与纳米微结构表面的锗原子直接发生反应生成一氧化锗气体，实现纳米微结构尺寸的减小。所述步骤1中，真空室原始真空度应当高于0. 001帕斯卡，低氧分压气体的氧分压应控制在0. 01帕斯卡至10帕斯卡之间。所述步骤2中，反应温度依赖于充入氧气的分压，0. 01帕斯卡至0. 1帕斯卡之间时，温度应限定在500摄氏度至650摄氏度，0. 1帕斯卡至10帕斯卡之间时，温度应限定在 550摄氏度至700摄氏度。本发明的有益效果是对于湿法刻蚀来说，额外引入的离子以及水分子可能对器件性能造成不良影响，本发明通过简单的加热氧化方法实现锗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， 因而具有非常重要的应用价值和经济价值，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，可以实现锗纳米微结构尺寸在亚22纳米及以上节点上的精确控制，具有重
要意义。
图1为本发明实施例的结构示意图。图2为锗纳米线表面反应的微观示意图。图3为600摄氏度下锗(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，锗(100)单晶的平均热氧化刻蚀速率随温度变化曲线。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。如图1所示，一个带有加热装置105的腔体104，该腔体104与分子泵106、压力保护阀111以及两根高强度通气管线107连通，两个流量计108分别与通气管线107连通，氧气浓度为0. 1%的氧气氮气混合气瓶109与其中一个流量计108通过通气管线107连通，把氮气纯度99. 99995%的高纯氮气瓶110与另一个流量计108通过通气管线107连通。首先把锗纳米线101置于腔体104中，利用分子泵106将腔体104抽真空至小于 5xl0-3帕斯卡，关闭分子泵106，打开气瓶109和气瓶110，调节流量计108，使气瓶109的流量为0. 25sccm,气瓶110的流量为250sCCm。向腔体104内充入两路气体，直到腔体气体压强恒定在1个标准大气压，高于1个标准大气压的气体将从压强保护阀111自动排出，利用加热装置105将腔体温度以5度/秒的速度升温至600摄氏度，保温。氧化反应开始进行，随着反应的进行，锗纳米线的外层102部分逐渐和氧气发生反应形成一氧化锗蒸汽，从而获得直径更细的锗纳米线103。进一步，所述锗纳米线是利用金属离子催化方法制备而成的单晶锗纳米线，纳米线初始线宽度为50纳米，线长度为10微米。所述加热装置105为碘钨灯式光致加热装置， 所述腔体104为厚壁石英腔体，所述压强保护阀111具备当腔体压强高于室外压强时，腔体内部的气体会自动流出，所述管线107为耐氧化管线，所述分子泵为转速75kRPM的分子泵， 极限真空度为10_4帕斯卡。如图2所示，氧气分子203与锗纳米线表面的锗原子201结合生成易挥发的一氧化锗分子204，由于一氧化锗在本身在400摄氏度以下就会挥发，形成脱离的一氧化锗分子 205，从而使次外层锗原子202暴露，这样一个循环锗纳米线的直径减少了 2个锗原子直径长度。图3为600摄氏度下锗(100)单晶在不同氧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2纳米每分钟到 100帕斯卡下的10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，如本例中的锗纳米线，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，锗(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550摄氏度下的0. 2纳米每分钟到600摄氏度下的约4纳米每分钟。最后所应说明的是，以上具体实施方式
仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种控制锗纳米微结构尺寸的方法，其特征在于，通过热氧化法实现相应纳米微结构尺寸的减小。
2.根据权利要求1所述控制锗纳米微结构尺寸的方法，其特征在于，所述热氧化法，反应物为锗和氧气，反应生成物为气态的一氧化锗，反应气氛为纯氧气或者氧气和其它性质稳定的气体的混和气体，所述氧气分压控制在0. 01帕斯卡~10帕斯卡。
3.根据权利要求2所述控制锗纳米微结构尺寸的方法，其特征在于，所述反应温度依赖于氧气分压决定，0. 01帕斯卡至0. 1帕斯卡之间时，温度应限定在500摄氏度至650摄氏度，0. 1帕斯卡至10帕斯卡之间时，温度应限定在550摄氏度至700摄氏度。
4.根据权利要求1所述的控制锗纳米微结构尺寸的方法，其特征在于，包括刻蚀速率， 刻蚀速率由氧分压和反应温度以及锗材料的晶态和取向决定，刻蚀速率随温度的升高而增加，刻蚀速率随氧分压的增加而增加，从刻蚀速率上讲，非晶 > 多晶 > 单晶110>单晶100> 单晶111，通过改变温度、氧气分压，对于不同的锗材料，可以实现介于0. 01-30纳米每分钟之间的刻蚀速率。
5.根据权利要求2所述控制锗纳米微结构尺寸的方法，其特征在于，所述反应物锗是单晶、多晶或者非晶态锗，单晶锗是包括100，110和111的各种取向的衬底，所述锗是平面衬底上的锗条或者独立或团簇状的纳米线、纳米带。
6.根据权利要求2所述的控制锗纳米微结构尺寸的方法，其特征在于，所述其它性质稳定的气体，在700摄氏度以下不会和锗或者氧气发生化学反应，是氮气、氩气、氦气、氖气或者上述气体的混合气体。
7.根据权利要求3所述的控制锗纳米微结构尺寸的方法，其特征在于，所述氧气分压， 调节气体的总压强以及氧气和其它性质稳定的气体的压强比，使氧气的分压控制在0.01 帕斯卡至10帕斯卡之间。
8.如权利要求1所述的控制锗纳米微结构尺寸的方法中的热氧化的锗刻蚀方法，其特征在于，所述方法包括以下几个步骤步骤1:将已经制备好的表面清洁的锗纳米微结构置于用于加热的腔体内部；步骤2 先把加热腔体抽真空至氧分压小于10_3帕斯卡，然后通过流量计控制向真空腔体内部通入氧气或惰性气体的混合气，使得氧气分压达到0. 01至10 帕斯卡之间，惰性气体是氮气、氩气、氦气、氖气或者上述气体的混合气体；步骤3 针对不同的氧气分压区间对锗纳米微结构进行加热处理，0. 01帕斯卡至0. 1帕斯卡之间时，温度应限定在500摄氏度至650摄氏度，0. 1帕斯卡至10 帕斯卡之间时，温度应限定在550摄氏度至700摄氏度，氧气分子与纳米微结构表面的锗原子直接发生反应生成一氧化锗气体，实现纳米微结构尺寸的减小。
9.根据权利要求8所述的热氧化的锗刻蚀方法，其特征在于，所述步骤1中，真空室原始真空度应当高于0. 001帕斯卡，低氧分压气体的氧分压应控制在0. 01帕斯卡至10帕斯卡之间。
10.根据权利要求8所述的热氧化的锗刻蚀方法，其特征在于，所述步骤2中，反应温度依赖于充入氧气的分压，0.01帕斯卡至0. 1帕斯卡之间时，温度应限定在500摄氏度至650 摄氏度，0. 1帕斯卡至10帕斯卡之间时，温度应限定在550摄氏度至700摄氏度。
全文摘要
本发明涉及一种控制锗纳米微结构尺寸的方法，通过热氧化法实现相应纳米微结构尺寸的减小，通过控制氧气分压及反应温度，使锗与氧气反应生成易挥发的一氧化锗，达到控制锗纳米结构尺寸的目的。
文档编号B82Y40/00GK102569027SQ20111039943
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月5日 优先权日2011年12月5日
发明者刘洪刚, 卢力, 孙兵, 常虎东, 王盛凯, 王虹, 薛百清, 赵威 申请人:中国科学院微电子研究所