CN102354669A - 硅纳米线器件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅纳米线器件的制作方法，包括以下步骤：在衬底上形成硅纳米线；依次沉积无定形碳层和绝缘抗反射涂层；干法刻蚀去除部分硅纳米线上方的绝缘抗反射涂层和无定形碳层暴露硅纳米线器件区；在上述结构表面沉积氧化膜；在硅纳米线器件区内形成连通至硅纳米线的金属焊垫；在上述结构表面沉积钝化层；采用光刻刻蚀工艺，在金属焊垫上形成接触孔，去除硅纳米线器件区外的硅纳米线上方的钝化层、氧化膜和绝缘抗反射涂层，停留在无定形碳层上；采用灰化工艺，去除硅纳米线器件区外的硅纳米线上方的无定形碳层，暴露出硅纳米线。本发明利用无定形碳层的各向同性刻蚀和各向异性刻蚀的特性，消除了硅纳米线器件中器件区以外的硅纳米线的侧墙。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物芯片，特别涉及一种硅纳米线器件的制作方法。
背景技术
近年来，伴随着人们对纳米技术领域的不断探索和研究，具有一维纳米结构的材料，如硅纳米线(SiNW，Silicon Nanowire)，吸引了越来越多人的眼球。硅纳米线具有显著的量子效应、超大面容比等特性，在MOS器件、传感器等领域有着良好的应用前景。
硅纳米线器件，作为一种生物芯片基本单元，正被越来越广泛地应用于生物探测领域。如图1a、图1b所示，现有技术中的硅纳米线器件，通常是在多晶硅或单晶硅表面2021上覆盖一层氧化层2022而形成硅纳米线202以及两端的器件区B，其主要的工作原理类似于MOSFET，利用多晶硅或者单晶硅上的氧化层作为栅氧，由于吸附其上的生物分子集团通常都带有电荷，该电荷会对硅纳米线进行类似于MOSFET的电势调节，进而影响硅纳米线的导电特性，通过对这种导电特性的监控可识别特定的生物分子集团。
现有技术的硅纳米线器件的结构，如图2所示，极细的多晶硅线外包覆均匀厚度的氧化膜裸露在外界环境下，而其器件区B则必须覆盖绝缘层。目前在常规的半导体工艺中，形成上述结构通常选择光刻、刻蚀工艺，但由于各向异性刻蚀的特点，会在器件区B以外的硅纳米线上形成小侧墙211(mini spacer)，同时等离子体刻蚀会造成硅纳米线的损伤。
发明内容
本发明的目的是提供一种硅纳米线器件的制作方法，以消除硅纳米线器件中器件区以外的硅纳米线的侧墙，降低成本。
本发明的技术解决方案是一种硅纳米线器件的制作方法，包括以下步骤：在衬底上形成硅纳米线；
沉积无定形碳层以覆盖所述硅纳米线，在无定形碳层上沉积绝缘抗反射涂层；
干法刻蚀去除部分硅纳米线上方的绝缘抗反射涂层和无定形碳层暴露出硅纳米线器件区；
在上述结构表面沉积氧化膜；
在硅纳米线器件区内形成连通至硅纳米线的金属焊垫；
在上述结构表面沉积钝化层；
采用光刻刻蚀工艺，在金属焊垫上形成接触孔，去除硅纳米线器件区以外的硅纳米线上方的钝化层、氧化膜和绝缘抗反射涂层，停留在无定形碳层上；
采用灰化工艺，去除硅纳米线器件区以外的硅纳米线上方的无定形碳层，暴露出硅纳米线。
作为优选：所述在衬底上形成硅纳米线的步骤具体包括：
采用热氧化方法，在衬底上形成二氧化硅层，在二氧化硅层上沉积多晶硅层，对所述多晶硅层进行轻掺杂；
对所述多晶硅层采用光刻、刻蚀工艺，形成多晶硅线；
采用热氧化方法，在多晶硅线表面上生长氧化层以形成硅纳米线。
作为优选：所述干法刻蚀去除部分硅纳米线上方的绝缘抗反射涂层和无定形碳层暴露硅纳米线器件区的步骤包括在绝缘抗反射涂层上涂敷光刻胶并通过光刻定义出对应于硅纳米线器件区的刻蚀窗口，在所述刻蚀窗口内干法刻蚀去除绝缘抗反射涂层和无定形碳层，暴露出硅纳米线器件区；接着，去除光刻胶。
作为优选：所述在硅纳米线器件区内形成连通至硅纳米线的金属焊垫的步骤包括采用光刻、刻蚀形成贯穿氧化膜并连通多晶硅线顶部的通孔，在通孔内和氧化膜表面上沉积金属形成金属层，对氧化膜表面上的金属层进行光刻、刻蚀形成金属焊垫。
作为优选：所述采用光刻、刻蚀工艺，在金属焊垫上形成接触孔，去除硅纳米线器件区区域外的硅纳米线上方的钝化层、绝缘抗反射涂层和氧化膜，停留在无定形碳层上的步骤包括在钝化层上涂覆光刻胶，并光刻形成第一刻蚀窗口和第二刻蚀窗口；刻蚀第一刻蚀窗口内的钝化层，停留在金属焊垫上，形成接触孔，刻蚀第二刻蚀窗口内的钝化层、氧化膜和绝缘抗反射涂层，停留在无定形碳层上。
作为优选：所述采用灰化工艺，去除硅纳米线器件区区域外的硅纳米线上方的无定形碳层，暴露出硅纳米线步骤中，同时去除硅纳米线器件区的光刻胶。
作为优选：所述绝缘抗反射涂层的厚度为200-600埃。
作为优选：所述金属焊垫为铝焊垫。
作为优选：所述钝化层的材料为氮化硅和二氧化硅。
与现有技术相比，本发明采用无定形碳层来制作硅纳米线器件，由于无定形碳层具有各向同性刻蚀和各向异性刻蚀的特性，先利用无定形碳层各向异性刻蚀的特性做阻挡层，在完成后续低温图形化(如金属连线)工程后，再各向同性刻蚀剥离无定形碳层，来暴露硅纳米线，所述无定形碳层具有高刻蚀比且低等离子体破坏性的优点，使得硅纳米线器件的硅纳米线没有小侧墙，同时制造成本低。
附图说明
图1a是一种硅纳米线器件的俯视示意图。
图1b是图1a的A-A剖视示意图。
图2是现有技术的硅纳米线器件的剖面图。
图3是本发明硅纳米线器件制作工艺的流程图。
图4a-4h是本发明硅纳米线器件制作中各工艺步骤的剖面图。
具体实施方式
本发明下面将结合附图作进一步详述：
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸，本发明中硅纳米线器件剖面图以简化的方式只画出了部分硅纳米线和一个器件区，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。
请参阅图3所示，在本实施例中，本发明硅纳米线器件的制作方法包括以下步骤：
在步骤101中，如图4a所示，在衬底上形成硅纳米线；所述步骤包括以下步骤：采用热氧化方法，在衬底200上形成二氧化硅层201，在二氧化硅层201上沉积多晶硅层2021，对所述多晶硅层2021进行轻掺杂；
对所述多晶硅层采用光刻、刻蚀工艺，形成多晶硅线2021；
采用热氧化方法，在多晶硅线2021表面上生长氧化层2022，形成硅纳米线202。
在步骤102中，如图4b所示，沉积无定形碳层203以覆盖所述硅纳米线202，在无定形碳层203上沉积绝缘抗反射涂层204(DARC，dielectricanti-reflective coating)，所述无定形碳层203可采用应用材料公司的APF薄膜(Advanced Pattening Film)，所述绝缘抗反射涂层204的厚度为200-600埃；
在步骤103中，如图4c所示，干法刻蚀去除部分硅纳米线上方的绝缘抗反射涂层和无定形碳层暴露硅纳米线器件区，该步骤包括在绝缘抗反射涂层204上涂敷光刻胶205并通过光刻定义出对应于硅纳米线器件区的刻蚀窗口，在所述刻蚀窗口内干法刻蚀去除绝缘抗反射涂层204和无定形碳层203，暴露出硅纳米线器件区B。硅纳米线器件区B以外的硅纳米线202上依旧覆盖着无定形碳层203、绝缘抗反射涂层204和光刻胶205。接着，去除光刻胶205。
在步骤104中，如图4d所示，在上述结构表面沉积氧化膜206；
在步骤105中，如图4e所示，在硅纳米线器件区B形成连通至硅纳米线的金属焊垫207，该步骤包括采用光刻、刻蚀形成贯穿氧化膜206连通多晶硅线2021顶部的通孔，在通孔内和氧化膜206表面上沉积金属形成金属层，对氧化膜206表面上的金属层进行光刻、刻蚀形成金属焊垫207，所述金属焊垫207为铝焊垫；
在步骤106中，如图4f所示，在上述结构表面沉积钝化层208，所述钝化层208为氮化硅和二氧化硅；
在步骤107中，如图4g所示，采用光刻刻蚀工艺，在金属焊垫207上形成接触孔210，去除硅纳米线器件区B区域外的硅纳米线上方的钝化层208、氧化膜206和绝缘抗反射涂层204，停留在无定形碳层203上，该步骤具体包括：在钝化层上涂覆光刻胶209，并光刻形成第一刻蚀窗口(图中未示)和第二刻蚀窗口(图中未示)；刻蚀第一刻蚀窗口内的钝化层208，停留在金属焊垫207上，形成接触孔210，刻蚀第二刻蚀窗口内的钝化层208、氧化膜206和绝缘抗反射涂层204，停留在无定形碳层203上；
在步骤108中，如图4h所示，采用灰化工艺，去除硅纳米线器件区B区域外硅纳米线202上方的无定形碳层203，暴露出硅纳米线202，同时除去硅纳米线器件区B上的光刻胶209，由于灰化工艺对于无定形碳层的去除是各项同性的，可避免在硅纳米线202上形成侧墙，所述无定形碳层203相对氧化膜、多晶硅、氮化硅有较高的刻蚀选择比，无定形碳层：氧化膜为10∶1，无定形碳层：多晶硅为6∶1，无定形碳层：氮化硅为4∶1，由于无定形碳层具有各向同性刻蚀和各向异性刻蚀的特性，先利用无定形碳层各向异性刻蚀的特性做阻挡层，在完成后续低温图形化(如金属连线)工艺后，再各向同性刻蚀剥离无定形碳层，来暴露硅纳米线，所述无定形碳层具有高刻蚀比且低等离子体破坏性的优点，使得硅纳米线器件的硅纳米线没有小侧墙，同时制造成本低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种硅纳米线器件的制作方法，包括以下步骤：
在衬底上形成硅纳米线；
沉积无定形碳层以覆盖所述硅纳米线，在无定形碳层上沉积绝缘抗反射涂层；
干法刻蚀去除部分硅纳米线上方的绝缘抗反射涂层和无定形碳层暴露出硅纳米线器件区；
在上述结构表面沉积氧化膜；
在硅纳米线器件区内形成连通至硅纳米线的金属焊垫；
在上述结构表面沉积钝化层；
采用光刻刻蚀工艺，在金属焊垫上形成接触孔，去除硅纳米线器件区以外的硅纳米线上方的钝化层、氧化膜和绝缘抗反射涂层，停留在无定形碳层上；
采用灰化工艺，去除硅纳米线器件区以外的硅纳米线上方的无定形碳层，暴露出硅纳米线。
2.根据权利要求1所述的硅纳米线器件的制作方法，其特征在于：所述在衬底上形成硅纳米线的步骤具体包括：
采用热氧化方法，在衬底上形成二氧化硅层，在二氧化硅层上沉积多晶硅层，对所述多晶硅层进行轻掺杂；
对所述多晶硅层采用光刻、刻蚀工艺，形成多晶硅线；
采用热氧化方法，在多晶硅线表面上生长氧化层形成以硅纳米线。
3.根据权利要求1所述的硅纳米线器件的制作方法，其特征在于：所述干法刻蚀去除部分硅纳米线上方的绝缘抗反射涂层和无定形碳层暴露出硅纳米线器件区的步骤包括在绝缘抗反射涂层上涂敷光刻胶并通过光刻定义出对应于硅纳米线器件区的刻蚀窗口，在所述刻蚀窗口内干法刻蚀去除绝缘抗反射涂层和无定形碳层，暴露出硅纳米线器件区；接着，去除光刻胶。
4.根据权利要求2所述的硅纳米线器件的制作方法，其特征在于：所述在硅纳米线器件区内形成连通至硅纳米线的金属焊垫的步骤包括采用光刻、刻蚀形成贯穿氧化膜并连通多晶硅线顶部的通孔，在通孔内和氧化膜表面上沉积金属形成金属层，对氧化膜表面上的金属层进行光刻、刻蚀形成金属焊垫。
5.根据权利要求1所述的硅纳米线器件的制作方法，其特征在于：所述采用光刻、刻蚀工艺，在金属焊垫上形成接触孔，去除硅纳米线器件区区域外的硅纳米线上方的钝化层、绝缘抗反射涂层和氧化膜，停留在无定形碳层上的步骤包括在钝化层上涂覆光刻胶，并光刻形成第一刻蚀窗口和第二刻蚀窗口；刻蚀第一刻蚀窗口内的钝化层，停留在金属焊垫上，形成接触孔，刻蚀第二刻蚀窗口内的钝化层、氧化膜和绝缘抗反射涂层，停留在无定形碳层上。
6.根据权利要求5所述的硅纳米线器件的制作方法，其特征在于：所述采用灰化工艺，去除硅纳米线器件区区域外的硅纳米线上方的无定形碳层，暴露出硅纳米线步骤中，同时去除硅纳米线器件区的光刻胶。
7.根据权利要求1所述的硅纳米线器件的制作方法，其特征在于：所述绝缘抗反射涂层的厚度为200-600埃。
8.根据权利要求1所述的硅纳米线器件的制作方法，其特征在于：所述金属焊垫为铝焊垫。
9.根据权利要求1所述的硅纳米线器件的制作方法，其特征在于：所述钝化层的材料为氮化硅和二氧化硅。
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