电极隔离方法及具有隔离电极对的基于纳米线的器件的制作方法

专利名称：电极隔离方法及具有隔离电极对的基于纳米线的器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及纳米技术。特别地，本发明涉及形成具有相同的晶体取 向的 一对隔离电极和具有互连该电极对的纳米线的器件。
背景技术：
自其开始以来，半导体技术的一贯趋势是趋于越来越小的器件尺寸 和越来越高的器件密度。结果，近来迅猛增长并引起相当关注的一个半 导体技术领域是纳米技术。纳米技术涉及制备及应用所谓的纳米级结
构，即有至少一个在lnm和200nm之间的线性尺寸的结构。这些纳米级 结构通常是常规半导体结构的5到IOO倍那么小。
纳米线是仅举几例如纳米级场效应晶体管(FET) 、 PN 二极管、发 光二极管(LED)和纳米传感器的许多纳米级器件的构建块。然而，将 纳米线集成到器件结构中的努力基本上一直被限制在研究环境中；这些 努力不利于和不适于在制造环境中可重复地大规模制备納米级器件。

发明内容
在本发明的 一些实施例中，提供了在基于纳米线的器件中形成隔离 电极的方法。形成隔离电极的方法包括提供包括具有晶体取向的半导体 层和在半导体层表面上的绝缘膜的基片。绝缘膜具有窗口来暴露所述表 面的一部分。形成隔离电极的方法还包括通过所述窗口从半导体层选择 性地外延生长半导体特征。该半导体特征包括具有所述半导体层的晶体 取向的垂直干和突出部分。垂直干通过窗口与半导体层接触，突出部分 是垂直干在绝缘膜上的横向外延过生长(LEO)。形成隔离电极的方法 还包括从所述半导体特征和所述半导体层形成一对隔离电极。
在本发明的其它实施例中，提供了在基于纳米线的器件的隔离电极 之间集成纳米线的方法。该集成纳米线的方法包括提供包括具有晶体取 向的半导体层和在半导体层表面上的绝缘膜的基片。该绝缘膜具有窗口 来暴露所述半导体层表面的一部分。该集成纳米线的方法还包括通过所 述窗口从半导体层选择性地外延生长半导体特征。该半导体特征包括具有所述半导体层的晶体取向的垂直干和突出部分。垂直干通过窗口与半 导体层接触，突出部分是垂直干在绝缘膜上的横向外延过生长。集成纳 米线的方法还包括从该半导体特征和该半导体层形成一对隔离电极。集 成纳米线的方法还包括生长纳米线以在该对的隔离电极的水平表面之 间自组装。
在本发明的其它实施例中，提供了基于纳米线的器件。该基于纳米
线的器件包括具有晶体取向的基片电极；和是具有基片电极的晶体取 向的外延半导体的突出部分电极。突出部分电极与基片电极电隔离并悬 臂状伸展在基片电极之上。该基于纳米线的器件还包括在基片电极和突 出部分电极的相应表面之间桥连的纳米线。
本发明的某些实施例具有上文说明的特征之外的和/或替代上文说 明的特征的其它特征。下面参照附图来具体说明本发明的 一些实施例的
这些和其它^NM正。


参照下面的结合附图的具体的说明，本发明的实施例的各种特征可 以更容易地理解，图中，类似的附图标记指类似的结构部件，其中
图1示出了根据本发明的一个实施例的在基于纳米线的器件中形成 隔离电极的方法的框图。
图2A示出了根据本发明的一个实施例的具有图1的方法的图案化 的绝缘膜的器件结构的剖面图。
图2B示出了根据本发明的一个实施例的还具有图1的方法的半导 体特征的图2A的器件结构的剖面图。
图3A-3B示出了根据本发明的一个实施例的在图1的方法的形成隔 离电极期间的图2B的器件结构的剖面图。
图4A-4B示出了根据本发明的另一实施例的在图1的方法的形成隔 离电极期间的图2B的器件结构的剖面图。
图5A-5C示出了根据本发明的另一实施例的在图1的方法的形成隔 离电极期间的图2B的器件结构的剖面图。
图6示出了根据本发明的一个实施例的在基于纳米线的器件的隔离 电极之间集成纳米线的方法的流程图。
图7A-7B示出了根据本发明的一个实施例的在图6的方法的集成納 米线期间的图3B的器件结构的剖面图。图8A-8C示出了根据本发明的各个实施例的基于纳米线的器件的剖面图。
具体实施例方式
本发明的实施例是针对以下的一个或多个形成一对具有相同的晶 体取向的隔离电^ l、在该对的隔离电才及之间集成纳米线、以及具有隔离 电极对和集成的纳米线的基于纳米线的器件。根据定义，该对的隔离电 极相互电隔离，在分离的水平面上垂直间隔开，而不是在同一水平面上 的电极。纳米线是从电极中的一个的水平表面向该对电极的另一个的相 面对的水平表面生长。在一些实施例中，该对的隔离电极有沿[lll]方 向的半导体晶格。在其它实施例中，该对的隔离电极具有例如但不限于 [110]方向和[100]方向的相同的晶体取向。
例如，如果纳米线从其生长的水平表面是沿[lll]方向的半导体晶 格的(lll)表面，那么，在纳米线生长期间，纳米线将优先接近垂直于 该(lll)表面生长。在水平取向的(lll)表面上，纳米线将基本从该(lll) 表面基本垂直生长。纳米线将生长至少直到它接触相面对的水平表面。 一旦接触，纳米线将附着或连接到该相面对的水平表面。纳米线将附着 到具有任何晶体取向的相面对的水平表面上，包括但不限于用于纳米附 着的[IIO]、 [111]和[100]晶格方向中的一个。例如，公布于2006年5 月ll号的M. Saiful Islam等的美国专利公开号2006-00977389A1和 公布于2006年5月11号的Shih-Yuan Wang等的美国CIP专利公开号 2006-0098705A1在这里作为参考并入，它们都描述了在起始表面是(111) 表面并且相面对的水平表面有任何晶体取向的电子器件结构的水平表 面之间互连的垂直纳米线柱("纳米列柱")。
相反，对本发明的各种实施例，通过使用在起始水平表面上的选择 性外延生长形成相面对的水平表面，相面对的水平表面具有与纳米线生 长开始的水平表面的晶体取向相同的晶体取向。相面对的表面和起始表 面是根据这里说明的实施例的隔离电极对的水平表面。为这里的讨论简 单而不是出于限制，作为示例，这里的隔离电极对说明为[lll]取向的 半导体晶体以得到垂直于电极的(lll)水平表面的沿(lll)方向的纳米
线的生长，应理解，此处可使用其它晶体取向而获得沿其它方向的纳米 线，而仍处于本发明的各种实施例的范围内。除其它外，本发明的各实 施例可以提供大规模并行自组装技术，来将纳米线互连集成到能够测量包括但不限于电导的可转换属性的器件中。
根据本发明的各种实施例，垂直纳米线被集成在电隔离的水平电极 之间，其中各电极从基片的半导体层(即在层上或层内)形成，并且电 极具有与半导体层相同的晶体取向。电极中的 一个使用在半导体层上选
择性横向外延过生长(LE0)半导体材料形成。另一电极在半导体层中 形成。LE0电极与基片电极电隔离。电隔离的水平电极是在包括但不限 于二极管、晶体管、传感器、光学器件和光电器件的电子器件结构内。 在 一 些实施例中，可以使用本发明的各种实施例来制备在前引的美国专 利7>开号2006-00977389A1和2006-0098705A1中公开的器件。
这里为简单起见，这里使用的结合诸如"111"和"110"的数字的 方括号"[]"表示晶格的方向或取向，并意在将多个方向"< >"包 括在其范围内。这里为简单起见，这里使用的对诸如"111"和"110" 的数字的圆括号"()"表示晶格的平面或平面表面，并意在将多个平 面"{ }，， 包括在其范围内。这种使用的目的是遵从本领域已知的通 常的结晶学命名方法。
的iv族、in-v族^ ii-'vi族的半导体材料，包括化合物半_导体°材料。
如下所述，隔离电极对(也分别称为"第一电极"和"第二电极"或"突 出部分电极"和"基片电极")的半导体材料可以是相同或不同的半导体 材料，但是有相同的半导体晶体取向。对本发明的各实施例有用的绝缘 材料是能够被制成绝缘的任何材料，包括但不限于上面列出的组中的半 导体材料或其它半导体材料或可以是本身绝缘的材料。此外，绝缘材料 可以是任何这些半导体材料的氧化物、碳化物、氮化物或氮氧化物，使 得促进材料的绝缘属性。根据本文的各个实施例，用来形成隔离电极的 半导体材料被掺杂来给予用于电极应用的目标量的电导率(和可能为了 期望目的的其它特征)。
在本发明的一些实施例中，提供在基于纳米线的器件中形成隔离电 极的方法100。图1示出了根据本发明的实施例的在基于纳米线的器件 中形成隔离电极的方法100的流程图。该方法100包括提供120包括具 有晶体取向的半导体层的基片。半导体层有水平平面表面。例如而不是
限制性的，半导体层的晶体取向可以是沿(lll)方向的半导体。根据定 义，沿(lll)方向的半导体晶格具有是(lll)面的水平面。其它的晶体取 向有与水平表面成其它角的{111}平面。在一些实施例中，半导体层是体半导体晶片。在其它一些实施例中， 半导体层是通常绝缘的支撑(如氧化的硅晶片)上的半导体层。在支撑 上的半导体层的 一 个例子是绝缘体上半导体
(Semiconductor-On-Insulator)晶片，包括承载晶片(Handle waf er )、 在承载晶片上的绝缘层和在绝缘层上的半导体层，其中半导体层有水平 的平面表面。下面，体半导体晶片和在支撑上的半导体层将统称为"半 导体层"以简化讨论，应理解，除非另有说明，如上定义，术语"半导 体层"是指体半导体晶片或在支撑上的半导体层。
形成任何晶体取向的其它半导体材料。例如而不是限制性的，取决于实
晶片或单一的一(二i;、硅的独立的晶°片:—、一'
根据形成隔离电极的方法100,提供120的基片还包括在半导体层 的水平表面上的图案化的绝缘膜。该图案化的绝缘膜有暴露半导体层的 水平表面的窗口。在一些实施例中，通过在表面上生长绝缘材料，诸如 利用热氧化形成绝缘氧化膜或层，在半导体层表面上形成绝缘膜。在其 它的实施例中，绝缘材料是用例如而非限制性的热化学气相淀积或等离 子增强化学气相淀积(PECVD )的化学气相淀积(CVD)淀积在表面上。
形成的绝缘膜被图案化，使得一个或多个窗口 (例如沟、洞和其它 形状的特征)被打开通过绝缘膜，来将下面的半导体层表面通过窗口暴 露。图2A示出了根据本发明的实施例的器件结构的剖面图，所述器件 结构包括在形成隔离电极的方法100中提供120的基片。在图2A中， 半导体层210被以示例性而不是限制性的方式作为绝缘体上半导体晶片 的半导体层而示出。如上所述，除非对实施例另有说明，半导体层210 可以是体半导体晶片或在支撑上的半导体层。在说明的实施例中，基片 进一步包括绝缘层220和由绝缘层220从半导体层210分隔开的承载晶 片230 (即支撑)。
提供120的基片进一步包括在半导体层210的水平表面上形成的图 案化的绝缘膜240。该图案化的绝缘膜240有窗口 242。在图2中，以 示例性而不是限制性的方式示出了两个窗口 242。该图案化的绝缘膜240 可以有仅一个窗口 242或两个以上的窗口 242而仍处于这里的各实施例 的范围内。
在一些实施例中，使用光刻和定向干刻蚀技术图案化绝缘膜240形成窗口 242。干刻蚀技术包括但不限于反应离子刻蚀(RIE)、离子研磨 (Ion Milling)和等离子体刻蚀。RIE是专门的等离子体干化学过程， 其各向异性地实现材料去除。离子研磨是内在地各向异性的离子束干物 理材料去除过程的一种形式。另一方面，等离子体刻蚀是一种去除材料 的各向同性技术。例如，定向刻蚀绝缘膜形成窗口给窗口侧壁提供了目 标形状或角度。
绝缘膜的绝缘材料包括但不限于上面对于绝缘材料提到的那些材 料，如上面所列任一半导体材料的氧化物、氮化物、碳化物或氮氧化物， 或本身或被使得绝缘的其它材料。此外，绝缘膜的绝缘材料针对其对于 外延生长的选择性而被选择。换言之，绝缘膜材料被选择为阻碍半导体 材料在选择性外延生长期间成核，以便使多晶硅材料不太可能在绝缘膜 上成核。在一些实施例中，绝缘膜材料被选择为避免多晶硅材料在选择 性外延生长半导体材料期间在绝缘膜表面上成核。下面关于按照形成隔 离电极的方法100生长140半导体特征说明半导体材料的选择性外延生 长。通过阻碍或在一些实施例中避免半导体材料在绝缘膜表面上的成 核，促进外延半导体材料的选择性淀积。
例如，在氮化硅(Si具)绝缘膜上的硅(Si)的成核比在二氧化硅 (Si02)绝缘膜上的硅的成核更容易发生。因此，对这里的各种实施例， 在二氧化硅绝缘材料上选择性外延生长Si比在Si3N4绝缘材料上选择性 外延生长Si更有选择性。在一些实施例中，可以带有某些进程限制的 将Si3N4绝缘材料用于绝缘膜，以补偿与二氧化硅绝缘膜比照的氮化硅 绝缘膜上的多晶Si的成核。例如，在例如使用氮化硅和二氧化硅绝缘 材料中的每个来作为绝缘膜时，用于硅的选择性外延生长的诸如气体的 硅/氯比、温度和压力中的一个或多个的工艺参数的范围将不同，但二 者都在本文的各实施例的范围内。这里，为了简单而不是出于限制，本 发明的一些实施例针对硅半导体层210和硅层表面上的二氧化硅绝缘膜 层240来描述。
形成隔离电极的方法100进一步包括使用半导体材料的选择性和横 向外延生长从(即，在)半导体层在窗口内生长140半导体特征，使得 该半导体特征延伸通过窗口到绝缘膜的相邻表面上。这样，该半导体特 征有与半导体层相同的晶体取向。根据定义，"选择性外延生长"是指 半导体材料仅在暴露的半导体材料上外延生长(即，随着半导体材料形 成在其本身上生长)，但不在绝缘膜上生长或成核。例如，如上所述，
10选择性外延生长避免了多晶半导体材料在绝缘膜表面淀积。图2B示出
了图2A的器件结构的剖面图，其中半导体特征250使用根据本发明的 实施例的图1的方法100生长140。图2B以示例的而不是限制性的方式 示出了与图2A所示的两个窗口 242符合的两个这样的半导体特征250。 半导体特征250包括在窗口 242中形成的垂直干部分"2和突出部 分254,突出部分254使用横向外延过生长(LEO)与垂直干252连续在 绝缘膜240表面上延伸。在一些实施例中，如图2B所示，半导体特征 250有"T"字形截面形状。在一些实施例中，热化学气相淀积;故用来选 择性外延生长140半导体特征250。外延的半导体材料在窗口 242中生 长140到超过绝缘膜层240的厚度的厚度。选择性外延生长140作为过 生长(即LEO)在绝缘膜240表面上横向地继续，直到达到半导体特征 250的突出部分254的目标尺寸为止。对相邻的半导体特征250,如图 2B所示，例如，突出部分254的目标尺寸有效地在相邻突出部分254之 间留下间隙。
形成隔离电极的方法100进一步包括从半导体特征和半导体层形成 160隔离的电^ l对，该对的电才及垂直地隔开并相互电隔离。形成160隔 离电极对包括将半导体特征的至少一部分与半导体层电隔离；从半导体 特征的突出部分形成第一电极，其中，突出部分与半导体层垂直隔开； 和从(即，在)半导体层形成第二电极。第一电极和第二电极形成基于 纳米线的器件的隔离电极对，其中，电极具有相同的晶体取向。图3A- 3B、 图4A-4B和图5A-5C示出了在采用根据本发明的各实施例的图1的方法 100从半导体特征和半导体层形成160隔离电极对期间的图2B的相应的 器件结构的剖面图。根据不同的实施例，第二电极是各相应电极对共用 的(例如，半导体层的互连的区域)，或者是半导体层中的与其它各相 应电极对的第二电极区电隔离的区域。
在形成隔离电极的方法10 0期间可以在任何时间使得该对的笫 一 电 极和笫二电极导电。例如，在根据实施例单独或同时形成160各隔离电 极之前使得半导体特征和半导体层导电。在一些实施例中，在半导体特 征被外延生长140之前使得半导体层导电。在其它的实施例中，在半导 体特征的选择性外延生长140期间使其导电。在另一个实施例中，在根 据实施例单独或同时形成160第一电极和第二电极后使其导电。根据本 发明的各种实施例可以使用掺杂技术使这些结构导电。
在形成160隔离电极对的一些实施例中，从突出部分形成第一电才及包括去除绝缘膜，使得半导体层在外延生长的半导体特征之间暴露。图
3A示出了根据本发明的实施例的去除绝缘膜240后剩下的半导体特征 250。半导体特征250的突出部分254在半导体层210表面之上一段距 离延伸超过垂直干252 (即从其突出或悬臂状伸展)。该距离基本上等 于去除前的绝缘膜240的厚度(或，即垂直干252的高度)。绝缘膜240 通过使用湿化学刻蚀技术或干法刻蚀技术选择性各向同性刻蚀绝缘膜 来去除。
形成第一电极还包括通过将一种物质注入到半导体特征形成隔离 层来相互隔离半导体特征的各部分。在一些实施例中，物质是氧，注入 与注入氧化物隔离(SIMOX)技术类似。图3B示出了根据本发明的实施例 的在半导体特征250的垂直干部分252中的注入的隔离层262。在半导 体特征250的垂直干部分252中的隔离层262将突出部分254从半导体 层210电隔离。突出部分254有效地是第一电极260。如图3B所示， 取决于在注入期间隔离层嵌入的位置，笫一电极260可包括在隔离层 262之上的垂直干252的邻近部分。
在一些实施例中，还可能作为通过注入将半导体特征的各部分相互 隔离的副产品，在半导体层中形成绝缘物质的小包。例如，在氧化物注 入期间，在隔离层262在垂直干部分252中形成的同时，氧化物的小包 形成在半导体层210的部分中。因此，半导体层210可包括作为形成隔 离层262的副产品在半导体层210内电隔离的多个区域。图3B还以示
210中的绝缘'J:包264: ' 、々、'' 一
如上所述，形成160隔离电极对还包括从半导体层形成第二电极。 形成第二电极包括提供对着第一电极的半导体层的至少一部分作为第 二电极。在图3B中，半导体层210还包括与半导体特征250的垂直干 部分252相邻的导电区266。该区266与突出部分254 (即，第一电极 260)电隔离并且区266的表面对着突出部分254 (即，笫一电极260)。 半导体层区266有效地是器件结构的第二电极270，其与第一电极260 电隔离。下文中，术语"第一电极"与术语"突出部分电极"可互换地使 用，术语"第二电极"和术语"基片电极"可互换地使用，并没有要加以 任何限制。
如图3B所示，根据隔离层262注入的位置，第二电极270可包括 低于隔离层262的相邻的垂直干252的部分以及半导体层的区266。在一些实施例中，形成相应的基片电极270的半导体层区266不相互电隔 离，使得第二电极270在效果上是在各隔离电极对260、 270之间共用， 而突出部分电极260相互隔离。在其它的实施例中，半导体层区266相 互电隔离，使各隔离电极对260 、 270每一个都有专门的第二电极270。 体半导体晶片或绝缘体上半导体晶片的半导体层都可以用作图3A-3B中
所示的实施例中的半导体层210。
在一些实施例中，图3B的器件结构被进一步刻蚀，来将相应的隔 离电极对260、 270的相邻的第二电极270相互分离。例如，半导体层 210的不包括成为电极270的区266的区;f支刻蚀直到绝缘体上半导体晶 片的绝缘层2 2 0暴露为止。被刻蚀的区在相邻的半导体特征2 5 0之间和 /或不在突出的突出部分254下面。湿法刻蚀和/或干法刻蚀可用来实现 这种分隔开的相邻隔离电极对。在本实施例中，隔离电极对260、 270 的第二电极270与相应的其它隔离电极对260、 270的半导体层中的相 邻的第二电极270在物理上和电上隔离。此外，在本实施例中，例如， 半导体层210是绝缘体上半导体晶片的半导体层，分开的第二电极270 类似于图5C中所示的第二电极270。
在形成160隔离电极对的另一实施例中，从突出部分形成第一电极 包括在与突出部分相邻的绝缘膜中打开窗口，其中该窗口暴露半导体层 表面。在一些实施例中，该窗口通过在相邻的半导体特征的突出部分之 间的间隙被打开。图4A示出了根据本发明的实施例的图2B的器件结构 的剖面图，其中在绝缘膜240中打开窗口 244以暴露半导体层210。
打开窗口包括选择性各向异性蚀刻绝缘膜，使得形成通过绝缘膜的 垂直侧壁。在绝缘膜中打开窗口还包括各向同性湿法化学刻蚀窗口中的 绝缘膜，以形成在相邻的半导体特征的突出部分之下的绝缘膜中的底 切。图4A进一步示出了本实施例中在突出部分254之下底切的绝缘膜 240。结果，突出部分254延伸越过绝缘膜240 (即从绝缘膜240突出) 并悬臂状伸展在半导体层210之上。在一些实施例中，垂直刻蚀和底切 刻蚀都可以采用湿化学刻蚀来进行，其中没有更多考虑在突出部分结构 下面的凹进的绝缘膜的形状的控制。
根据本实施例，从突出部分形成第一电极进一步包括在突出部分中 打开开口 ，该开口将突出部分的部分与垂直干和半导体层物理地隔离。
部分之上的部分，使剩余突出部分不再^垂直干连续但被绝缘膜支撑。剩余突出部分是既被绝缘膜支撑又从绝缘膜悬臂状伸展的物理上隔离
的突出部分，为讨论简单而将其称为"剩余突出部分"。图4B示出了根 据本发明的实施例的图4A的器件结构的剖面图，其中在突出部分中形 成的开口 258将剩余突出部分254与相应的垂直干252和半导体层210 分隔开。这样，剩余突出部分254是与垂直干252和半导体层210电(和 物理)隔离的第一电极260。
从半导体层形成第二电极包括提供与剩余突出部分(即第一电极)
的突出部分相面对的半导体层的至少一部分作为第二电极。图4B示出 了半导体层210是器件结构的相面对的第二电极270。在一些实施例中， 第二电极270效果上是在带有分开的隔离的突出部分电极260的各相应 的隔离电极对260、 270之间共用的。在一些实施例中，在剩余突出部 分的突出部分下面的半导体层的一部分是形成相面对的、第二电极的半 导体层210的特别掺杂区，其与半导体层的相邻特别掺杂区电隔离。体 半导体晶片或绝缘体上半导体晶片的半导体层都可在图4A-4B所示的实 施例中用作半导体层210。
在形成160隔离的电极对的另一实施例中，从突出部分形成第一电 极包括在与突出部分相邻的绝缘膜中打开第一窗口以暴露半导体层的 一部分。在一些实施例中，通过在相邻的半导体特征的突出部分之间的 间隙打开第 一 窗口 。打开第 一 窗口包括选择性各向异性干刻蚀绝缘膜， 在绝缘膜中形成带有垂直侧壁的第一窗口。图5A示出了根据本发明的 实施例的图2B的器件结构的剖面图，其中第一窗口 246在绝缘膜240 中被打开。在绝缘膜240中的笫一窗口 246暴露半导体层210的一部分。 在图5A-C示出的实施例中，半导体层210是在支撑上的半导体层210。 例如，如上文对绝缘体上半导体晶片所述的那样，该支撑包括承载晶片 230和在承载晶片230和半导体层210之间的绝缘层220。
根据本实施例形成第一电极还包括在半导体层中打开具有垂直侧 壁的第二窗口，直到下面的支撑的绝缘层的一部分暴露为止。打开第二 窗口包括使用光刻和选择性各向异性干刻蚀技术，来去除包括突出部分 的在垂直干之上的部分的半导体特征的垂直部分和垂直干两者，并去除 在去除的垂直干之下的半导体层和暴露在第一窗口中的半导体层。在一 些实施例中，打开第二窗口包括在突出部分的表面上使用暴露了在垂直 干之上的突出部分的第一图案化的掩模。暴露的突出部分和下面的垂直 干用定向干刻蚀去除。打开第二窗口进一步包括使用暴露半导体层的第二图案化掩模。同时或分开使用定向干刻蚀，从在被去除的垂直干之下 和第一窗口中去除半导体层。在其它的实施例中，用第一图案化的掩模
来去除暴露的突出部分和下面的垂直干以及下面的半导体层。用第二图 案化的掩模来去除暴露在笫一窗口中的半导体层。在这些实施例中，打 开第二窗口去除了外延生长半导体材料和半导体层的半导体材料，直到
绝缘层暴露在笫二窗口为止。图5B示出了根据本发明的实施例的图5A 的器件结构的剖面图，其中第二窗口 248被在半导体层210中打开。
如图5B所示，打开器件结构中的第一和第二窗口造成了器件结构 的隔开的柱。每一个柱包括与绝缘层220相邻的半导体层210的一部分、 突出部分254的一部分和在半导体层210部分和突出部分254部分之间 的绝缘膜240的一部分。绝缘膜240部分将突出部分254部分与每一个 柱的半导体层210部分物理分离和电隔离。
根据这一实施例，形成第 一电极进一步包括使用选择性的各向同性 的湿化学刻蚀来刻蚀分离的柱中的绝缘膜，以形成在突出部分和相应的 柱的半导体层之间的绝缘膜中的底切。结果，突出部分突出(即延伸超 过)绝缘膜，悬臂状伸展在该柱中的半导体层之上。由于底切的绝缘膜 而使每一柱的相应的突出部分和半导体层都有相面对的(即相对的)水 平表面。在效果上，在从突出部分形成第一电极期间，从半导体层形成 第二电极。在每一柱中的突出的突出部分是形成的第一电极；每一柱的 半导体层是基于纳米线的器件的形成的笫二电极。在每一柱中，电极垂 直间隔开并由绝缘膜电隔离。图5C示出了根据本发明的实施例的图5B 的器件结构的剖面图，笫一电极260和第二电极270由底切的绝缘膜240 支撑隔离。
在一些实施例中，形成隔离电极的方法IOO进一步包括生长纳米线 来在器件结构的隔离电极对之间互连。参考下面进一步说明的在基于纳 米线的器件中在隔离电极之间集成纳米线的方法说明生长纳米线。这里 使用冠词"一"旨在表示专利领域的普通含义，即"一个或多个"。例如， "一纳米线"是指"一个或多个纳米线"，因此，在这里"该納米线"是指 "该一个或多个纳米线"。在这个例子中，可以在一对隔离电极间生长 一个或多个纳米线来互连。
在本发明的另 一 实施例中，提供一种在基于纳米线的器件中在隔离 电极之间集成纳米线的方法。图6示出了根据本发明的实施例的在基于 纳米线的器件中的隔离电极之间集成纳米线的方法600的流程图。集成
15纳米线的该方法600包括提供120基片；生长140半导体特征；形成160 隔离的电极对，所有这些都如同上面对形成隔离电极的方法10 0所说明 的，以形成基于纳米线的器件的隔离电极对，其中电极对具有相同的晶 体取向。集成的方法600进一步包括生长680纳米线以在否则就隔离的 一对的器件电极之间自组装，使得该隔离电极对电连接。根据本发明的 一些实施例，可以生长680纳米线，使得纳米线的长度、直径、形状、 生长方向、位置之中的一个或多个得到控制。在一些实施例中，纳米线 生长提供了大规模并行方式的隔离电极对之间的纳米线自组装。
根据定义，"自组装"是指该纳米线的末端中的一个在生长期间起 源为被连接到一对的隔离电极中的一个的表面(即固有锚定的)，而另 一末端随后撞到该对的另一隔离电极的对着的表面并在撞到时连接到 该另一电极。换言之，纳米线在生长期间固有地锚定在一端，从表面延 伸直到它最终锚定在相对端，以在该对的隔离电极的相对表面之间自组 装。因此，这样是在实施例的范围之内纳米线源于电极对的第一电极 或第二电极的表面，并生长到它撞到并连接到该对的相应另一电极的相 面对的表面。下面仅为简化讨论起见，关于从第二电极的(lll)水平表 面沿垂直方向朝第一电极的相面对的(lll)水平表面生长的纳米线说明 实施例。
纳米线具有给予不同的电、量子、化学和/或物理结果的特征属性， 这促进基于纳米线的器件的功能。如上所述，例如，纳米线具有可在器 件的隔离电极测量的诸如电导的可转换属性。纳米线的材料与用于相应 的期望应用的器件电极的材料一致。
纳米线可以是金属材料或来自上面所列的组中的任一个或其它的 半导体材料的半导体材料。以举例而不是限制的方式，纳米线可由包括 但不限于钛(Ti )、钛硅化物(TiSi2)、铋(Bi )、碲(Te)、铅(Pb)、 铝(Al)、钇(Pd)、钼(Pt)和铜(Cu)的一个或多个的金属制造。在其 它例子中，纳米线可以是包括但不限于例如硅(Si)、锗(Ge)、磷化 铟(InP)和砷化镓(GaAs)的一个或多个半导体材料。此外，纳米线例 如可以是化合物或合金。在技术领域内知道有许多纳米线材料。本发明 的各实施例的范围.旨在包括所有的这些材料。此外，在一些实施例中， 可以生长诸如碳纳米管(CNT)的纳米管而不是納米线。
在一些实施例中，纳米线是单晶结构，而在另一些实施例中，纳米 线可以是非晶或多晶结构。此外，纳米线可以是均质的，或可以是通过沿其轴向长度包括一个或多个片段的不同纳米线材料而异质的。纳米线也可以有核-壳结构，其中 一种材料的壳包围另 一种材料的核纳米线。
在一些实施例中，可根据应用来掺杂半导体纳米线，以便给予目标量的电导率或其它性质。
纳米线利用各种技术生长，包括但不限于使用汽-液-固(VLS)生长的催化生长、使用汽-固(VS )生长的催化生长、使用溶液-液-固(SLS )生长的催化生长和使用气相外延的非催化生长。催化生长进一步由或者是金属催化或者是非金属催化表征。在一些实施例中，生长是使用引入到室中的包括纳米线前驱体材料的气体混合物，在受控环境中在化学气相淀积(CVD)室中进行。在其它一些实施例中，例如溶液生长或激光烧蚀的其它技术也可用于提供形成生长的纳米线的材料。
对催化生长，在半导体层的表面上的纳米线要生长的位置形成纳米粒子催化剂。纳米粒子催化剂加速气体混合物中的纳米线前驱体材料的
纳:粒子催化剂，并且这^原子沉淀在下面的半导^层表面上。、;内米线
材料的原子在纳米粒子催化剂和表面之间沉淀以开始纳米生长。此外，随着在纳米粒子-纳米线界面处的继续沉淀，納米线的催化生长继续。
这种持续的沉淀导致纳米粒子留在生长的纳米线的自由端的尖端。纳米线生长一直持续到自由端撞击第一电极的相面对的水平表面为止。
在最常见的生长条件下，納米线相对于晶格在〈111>方向生长，因此，生长主要是垂直于(晶格的)(lll)表面。对(lll)取向的水平表面，纳米线将主要相对水平表面垂直生长。在(lll)取向的垂直表面上，纳米线将主要相对垂直表面横向(即水平地)生长。
为了使用催化生长来生长680纳米线，在半导体层表面上在第二或基片电极上的一位置形成纳米粒子催化剂。在一些实施例中，形成纳米粒子催化剂包括例如使用有角度的电子束(e-beam)蒸发向半导体层表面施加催化剂材料，以在突出的突出部分之下沉积催化剂材料。在这些实施例中，形成纳米粒子催化剂还包括对催化剂材料退火来形成催化剂纳米粒子。在其它实施例中，形成纳米粒子催化剂包括使用有角度的电
子催化剂，以使退火是可选的。^例如、，退火去除可能存在于半导体层表面和隔离电极对的相面对的水平表面上的任何表面污染。可替换地，纳米粒子催化剂可以通过例如溶液淀积或气相淀积预成型的催化剂纳米
17粒子的其它方式添加到相应的电4及表面。
典型的催化剂材料是金属和非金属。金属催化剂材料包括但不限于
钛(Ti)、柏(Pt)、镍(Ni)、金(Au)、镓(Ga)及它们的合金。非金属催化剂材料包括但不限于氧化硅(S i0x),其中x的范围例如是从大约1到小于2。例如，相应于Ti和Au催化剂材料的典型的纳米粒子催化剂分别是硅化钛(TiSi2)和金-硅(Au-Si)合金。
图7A-7B示出了根据本发明的一个实施例的在图6的方法600的集成纳米线期间的图3B的器件结构的剖面图。在图7中，根据本发明的实施例纳米粒子催化剂282在第二或基片电极270上在突出的第一或突出部分电极260之下的位置形成。图7B示出了根据本发明的实施例的，从基片电极270的(lll)表面上的纳米粒子催化剂282的位置向突出部分电极260的相面对的水平表面垂直生长的纳米线280。纳米线280有效地自组装，以在基于纳米线的器件的隔离电极对260、 270之间互连。
在一些实施例中，额外的绝缘膜被从突出的突出部分电极和基片电极之间去除，以提供在自组装纳米线和底切的绝缘膜的侧壁之间的足够的间隔。额外的绝缘膜可选地使用短持续、选择性的湿化学刻蚀或各向同性干等离子体刻蚀去除，以打开在纳米线和绝缘膜之间的足够宽的间隙。足够的间距至少由基于纳米线的器件中的纳米线的功能来确定。例如而不是限制，在某些基于纳米线的传感器中的纳米线的灵敏度取决于纳米线表面的可及性。当底切的绝缘膜阻碍触及一些纳米线表面时，间隙是不足的，如上所述，额外的绝缘膜被可选地去除。在图8B示出了根据本发明的实施例的实施例的 一 个例子，其中可以通过上面提及的选择性刻蚀将在与生长的纳米线280相邻的底切的绝缘膜240之间的间隙284扩大，下面参考基于纳米线的器件800进行说明。
在一些实施例中，生长680纳米线还包括掺杂纳米线以赋予或加强诸如电导率、电荷载体耗尽和敏感性的目标特征或属性。納米线可在生长680期间和/或在纳米线在电极对之间生长之后掺杂。在一些实施例中，隔离电极在掺杂纳米线之前或结合掺杂纳米线掺杂。为了基于纳米线的器件的期望目的，掺杂隔离电极以赋予电极目标级别的电导。
在本发明的另一实施例中，提供一种基于纳米线的器件。该基于纳米线的器件包括具有晶体取向的基片电极。如本文所述，基片电极从(即，在)基片的半导体层形成。在一些实施例中，半导体层是体半导体晶片，基片电极是带有水平表面的体半导体晶片的区。在其它的实施例中，半导体层是绝缘体上半导体晶片的半导体层，基片电极是带有水平表面的半导体层的区。基片电极区通过掺杂该区而被使得导电。在一些实施例中，使用如上所述的形成隔离电极的方法ioo提供基片电极。因此，基片电极具有与半导体层的晶体取向相同的晶体取向，其中晶体取向可以是任何晶体取向。在一些实施例中，基片电极在(lll)取向的半导体层中形成，因此有[lll]晶体取向。在一些实施例中，基片电极是基于纳米线的器件包括的基片电极阵列中的一个电极。
基于纳米线的器件还包括突出部分电极，该突出部分电极是半导体层的外延半导体。突出部分电极与基片电极电隔离。此外，突出部分电极悬臂状伸展在上述基片电极之上。"外延半导体"是指突出部分电极的半导体材料是突出部分半导体材料在半导体层上的选择性和横向外延生长，其仿制该半导体层的晶格取向。因此，突出部分电极与基片电极具有相同的晶体取向。在一些实施例中，使用上文所述的形成隔离电
极的方法100形成突出部分电极。突出部分电极被掺杂以使突出部分电
极导电。突出部分电极与相应的(即，相面对的)基片电极形成隔离电极对。在一些实施例中，突出部分电极是基于纳米线的器件包括的突出部分电极阵列的一个电极，这样，在这些实施例中，相应阵列的突出部分电极和对应的基片电极形成隔离电极对的阵列。
基于纳米线的器件还包括在基片电极和突出部分电极之间垂直桥接的纳米线。生长纳米线以在隔离电极对的基片电极和突出部分电极之
间自组装。在一些实施例中，使用上文所述的集成纳米线的方法600来在隔离电极之间生长纳米线。例如，纳米线生长包括使用，在(lll)取向的基片电极的(lll)水平表面上的战略布置的纳米粒子催化剂，和包括纳米线前驱体材料的受控的环境。納米线将在(lll)取向的电极之间生长和自组装，其一端锚定在基片电极表面的纳米粒子催化剂的位置，另 一端锚定到突出部分电极的相面对的(111)水平表面。
图8A-8C示出了根据本发明的各个实施例的基于纳米线的器件800的剖面图。举例而不是限制性的，图8A的基于纳米线的器件800基本上是图7B中描绘的器件结构，但半导体层210是体半导体晶片而不是绝缘体上半导体晶片的半导体层。根据另一种实施例，图8B的基于纳米线的器件800基本上是在图4B中描绘的器件结构，其进一步包括了基本上以与上文对集成的方法600所述的相同的方式集成到器件结构中的纳米线280。举例而不是限制性的，在图8B中，基于纳米线的器件800包括在本实施例中是体半导体晶片的半导体层210而不是在图4B中描述的绝缘体上半导体晶片的半导体层。根据另一实施例，图8C的基于纳米线的器件800基本上是在图5C中描绘的器件结构，其进一步包括基本上以与上文对集成的方法600所述的相同的方式集成到器件结构的纳米线280。请注意，在图8C示出的器件800的实施例中，如图5C所示和上文对图5C所述，半导体层210是绝缘体上半导体晶片的半导体层。
纳米线280具有通过探测基片电极270和突出部分电极260来测量的可转换属性。在一些实施例中，基于纳米线的器件800是传感器器件，纳米线280是探测该纳米线280暴露的环境的手段。当纳米线280的可转换属性由于环境变化而变化时，传感器通过测量在基片电极270和突出部分电极260之间的纳米线280的可转换属性来检测该变化。该传感器包括但不限于纳米级化学传感器。在一些实施例中，基于纳米线的器件800是电子器件，纳米线280是用于沿基片电极270和突出部分电极260之间的路径传导电信号的手段。电子器件包括但不限于纳米级晶体管、纳米级二极管 和纳米级互连导体。在一些实施例中，基于纳米线的器件800是光电器件，纳米线280是在被基片电极270和突出部分电极260激励时将电信号转换成光信号的手段。光电器件包括但不限于纳米级激光器。在一些实施例中，基于纳米线的器件800是诸如含有PN结的光电二极管的光电探测器。
这样，说明了形成基于纳米线的器件的隔离电极的方法、在基于纳米线的器件的隔离电极之间集成纳米线的方法、以及具有一对隔离电极的基于纳米线的器件的各个实施例，其中在每一个实施例中，隔离电极对具有相同的晶体取向。应该理解，上述实施例只是说明众多体现本发明的原则的具体实施例中的一些。显然，本领域的技术人员可以4艮容易制定许多其它设置而不偏离由下面的权利要求所界定的本发明的范围。
权利要求
1.一种基于纳米线的器件800，具有隔离电极260、270，包括具有晶体取向的基片电极270；突出部分电极260，该突出部分电极260是具有基片电极270的晶体取向的外延半导体，该突出部分电极260与基片电极270电隔离并悬臂状伸展在基片电极270之上；和在基片电极270和突出部分电极260的相应表面之间桥连的纳米线280。
2. 如权利要求1所述的基于纳米线的器件800,还包括在基片电极 270和突出部分电极260之间的绝缘层240,该绝缘层240将基片电极 270与突出部分电极260电隔离。
3. 如权利要求1所述的基于纳米线的器件800,还包括隔离层262, 其嵌入在基片电极270和突出部分电极260之间来提供电隔离。
4. 如权利要求1-3中任一项所述的基于纳米线的器件800,其中形 成IOO、 600隔离电极260、 270包括提供120包括具有所述晶体取向的半导体层210和在半导体层210 的表面上的绝缘膜240的基片，绝缘膜240具有窗口 242来暴露所述表 面的一部分；通过窗口 242从所述表面选择性外延生长140半导体特征250，该 半导体特征250包括具有半导体层210的晶体取向的垂直干252和突出 部分254,垂直干252通过窗口 242与半导体层210接触，突出部分254 是垂直干252在绝缘膜240上的横向外延过生长；和从半导体特征250和半导体层210形成160—对隔离电才及260、 270。
5. 如权利要求4所述的基于纳米线的器件800,其中形成160—对 隔离电极260、 270包括从半导体层210电隔离突出部分254; 从突出部分254形成突出部分电极260;和 从面对着突出部分254的半导体层210的区形成基片电极270。
6. 如权利要求1-5中任一项所述的基于纳米线的器件800,其中通 过在隔离电才及260、 270之间垂直地生长680納米线280以在隔离电招_ 260、 27 0之间自组装，来在隔离电极260、 270之间集成600纳米线280, 其中生长680纳米线280包^":在隔离电极260、 270中的一个的水平表面上提供纳米粒子催化剂 282;和直到该纳米线280的自由端撞到该隔离电;及260、 270中的另一个的面对着的水平表面为止。
7. 如权利要求l、 3、 4-6中任一项所述的基于纳米线的器件800,其中形成160隔离电极260、 270的对包括去除绝缘膜240以暴露半导体特征250周围的半导体层210，突出 部分254从垂直干252延伸悬臂状伸展在半导体层210之上；和通过将一物质注入到半导体特征250形成隔离层262,来相互隔离 半导体特征250的各部分，包括突出部分254的第一隔离部分是该对的 突出部分电极260,包括面对着突出部分254的半导体层210的区266 的第二隔离部分是该对的基片电极270。
8. 如权利要求l、 2、 4-6中任一项所述的基于纳米线的器件800， 其中形成160隔离电极260、 270的对包括在与突出部分254相邻的绝缘膜240中打开窗口 244以暴露半导体 层210;刻蚀窗口 244中的绝缘膜240以底切在突出部分254之下的绝缘膜 240,以暴露半导体层210的区，使突出部分254突出于开口中的绝缘 膜240并悬臂状伸展在半导体层210的所述区之上；以及在突出部分254中打开开口 258,其将突出部分254与半导体层210 物理隔离，其中隔离的突出部分254是该对的突出部分电极260,面对 着隔离的突出部分254的半导体层210的所述区是该对的基片电极270。
9. 如权利要求l、 2、 4-6中任一项所述的基于纳米线的器件800, 其中形成160隔离电极260、 270的对包括在与突出部分254相邻的绝缘膜240中打开第一窗口 246以暴露半 导体层210的一部分；打开第二窗口 248,该第二窗口 248穿过半导体特征250、位于半导 体特征250之下的半导体层210的部分、以及在第一窗口 246中的半导 体层210的暴露部分中的每一个，直至位于半导体层210之下的绝缘层 220通过第二窗口 248暴露，第二窗口 248中的开口形成分离的柱，每 一个柱包括由绝缘膜240的一部分分离的半导体层210的一部分和突出 部分254的一部分；以及刻蚀在分离的柱中的绝缘膜240以底切在突出部分254和半导体层 210之间的绝缘膜240,突出部分254是该对的突出部分电极260,面对 着突出部分254的半导体层210的区是该对的基片电极270。
10.如权利要求9所述的基于纳米线的器件800,其中打开第二窗 口 248包括去除包括在垂直干252之上的突出部分254的部分的半导体特征 250的垂直部分和垂直千252;以及去除在被去除的垂直干252之下的以及暴露在第一窗口 246中的半 导体层210,其中去除半导体层210包括与刻蚀在被去除的垂直干252之下的半 导体层210同时或分开地刻蚀暴露在第一窗口 246中的半导体层210。
全文摘要
形成隔离电极的方法(100)和在隔离电极之间集成(600)纳米线，每一个都采用在半导体层(210)上横向外延过生长半导体材料以形成具有相同的晶体取向的隔离电极(260，270)。方法(100，600)包括通过在半导体层上的绝缘膜(240)中的窗口(242)来选择性外延生长(140)半导体特征(250)。垂直干(252)通过窗口与半导体层接触，突出部分(254)是垂直干在绝缘膜上的横向外延过生长。该方法还包括从半导体特征和半导体层形成(160)一对隔离电极(260，270)。基于纳米线的器件(800)包括该对隔离电极和在该对隔离电极的相应表面之间桥接的纳米线(280)。
文档编号H01L21/20GK101636818SQ200880008899
公开日2010年1月27日 申请日期2008年1月16日 优先权日2007年1月18日
发明者S·沙马, T·I·卡明斯 申请人:惠普开发有限公司