CN103346070A - 硅基iii-v族纳米线选区横向外延生长的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法。该方法包括：步骤A，在(110)晶面SOI衬底的顶硅薄层上制备整段硅纳米线；步骤B，去除整段硅纳米线的中段部分，在保留的左段硅纳米线和右段硅纳米线朝向内侧的端面形成硅(111)晶面；以及步骤C，在左段硅纳米线和右段硅纳米线朝向内侧的，具有硅(111)晶面的两端面之间横向选区生长III-V族材料纳米线，形成异质结桥接结构。本发明利用硅(111)晶面有较高的悬挂键密度和较低的表面自由能的特性，可以低成本实现在两段硅纳米线之间硅(111)晶面侧壁上III-V族纳米线的选区横向生长。

Description

硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法。

背景技术

III-V族材料不仅具有极为突出的光电性能，而且在载流子迁移率方面具有明显的优势。与纯硅相比，GaAs材料的载流子迁移率比纯硅高8倍左右，InGaAs材料的载流子迁移率高13倍左右，InAs材料的载流子迁移率可高达33倍左右，InSb化合物材料的载流子迁移率则可达到50倍以上。其中，InGaAs材料的表面导带存在钉扎能级，使表面形成一层二维电子气，较小带隙的InGaAs能够与硅材料形成电子透过率非常好的异质结接触。将III-V族半导体材料集成到大面积的硅衬底上制备晶体管，并实现硅工艺兼容，对于低成本低功耗快速高效的器件发展方向具有重要意义。

高质量的III-V族纳米线不需要缓冲层就可以无位错生长在晶格失配较高的硅衬底上。这是因为III-V族纳米线结构与硅衬底接触面积小，而且可以从纳米线上表面和侧面两个维度释放晶格失配应力和热失配。利用金纳米颗粒催化剂辅助的气-液-固相(VLS)生长技术可以在硅衬底上获得小晶格失配的III-V族纳米线。VLS技术将气体反应物溶于金属颗粒催化剂(如Au)液滴，在液固界面生长为固体纳米线。金属颗粒降低了反应活化能，促使液滴在纳米颗粒的某个方向上生长速度大大提高，液滴的直径决定了纳米线的最小直径。

然而，虽然Au颗粒催化剂可以控制纳米线生长速度和尺寸，但熔化的Au液滴会在III-V族纳米线材料内形成深能级并在表面迁移，从而极大影响纳米线的电学性能。同时，Au颗粒对生长设备腔体造成一定污染。因此，寻求一种新型的选区外延生长方法成为业内亟待解决的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法，以实现在硅基底水平方向上无金属催化有序生长高晶体质量的III-V族纳米线，提升纳米线的电学性能。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法。该方法包括：步骤A，在(110)晶面SOI衬底的顶硅薄层上制备整段硅纳米线；步骤B，去除整段硅纳米线的中段部分，在保留的左段硅纳米线和右段硅纳米线朝向内侧的端面形成硅(111)晶面；以及步骤C，在左段硅纳米线和右段硅纳米线朝向内侧的，具有硅(111)晶面的两端面之间横向选区生长III-V族材料纳米线，形成异质结桥接结构。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法具有以下有益效果：

(1)利用硅(111)晶面有较高的悬挂键密度和较低的表面自由能的特性，可以低成本实现III-V族纳米线在两段硅纳米线之间硅(111)晶面侧壁上的选区横向生长；

(2)通过控制左段硅纳米线和右段硅纳米线朝向内侧端面的硅(111)晶面的选择生长区直径，还可以实现III-V族纳米线的无位错生长。

附图说明

图1为本发明实施例硅基III-V族纳米线选区横向外延生长方法的流程图；

图2A至图2C为图1所示方法中执行各步骤之后器件的结构示意图，其中：

图2A为执行步骤A之后器件的结构示意图；

图2B为执行步骤B之后器件的结构示意图；

图2C为执行步骤C之后器件的结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

10-左硅电导平台；

20-右硅电导平台；

30-硅纳米线；

31-左段硅纳米线；          32-右段硅纳米线；

33-III-V族材料纳米线；     34-Al₂O₃介质膜。

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。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下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。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明利用硅(111)晶面有较高的悬挂键密度和较低的表面自由能的特性，在SOI衬底上实现了III-V族纳米线的生长。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法。如图1所示，本实施例硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法包括：

步骤A，在(110)晶面SOI衬底的顶硅薄层上制备整段硅纳米线；

该制备整段硅纳米线的步骤A又可以包括：

子步骤A1，选取(110)晶面SOI衬底；

在该SOI衬底中，背衬底厚度为300μm，背衬底上面的SiO₂绝缘层厚度为300nm，SiO₂绝缘层上的顶硅薄层厚度为100nm。

子步骤A2，用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术在SOI衬底顶硅薄层上制作20nm的SiO₂掩模层；

子步骤A3，在SiO₂掩模层上涂100nm厚的HSQ光刻胶，用电子束光刻技术曝光出100nm线宽、2μm长的光刻胶掩模图形；

子步骤A4，用等离子体刻蚀技术将光刻胶掩模图形转移到SiO₂掩模层上，再将SiO₂掩模层图形转移到顶硅薄层上，形成整段硅纳米线；

子步骤A5，将整段硅纳米线上残余的SiO₂掩模层去掉，通过热氧化处理，形成覆盖SiO₂绝缘保护层的左硅电导平台10、右硅电导平台20和连接于两者之间的整段硅纳米线30，如图2A所示。

本子步骤中，左硅电导平台10和右硅电导平台为制作晶体管所必须的。而在本发明其他实施例中，该两部分可以省略。

步骤B，去除整段硅纳米线中段部分，在保留下来的左段硅纳米线31和右段硅纳米线32朝向内侧的端面形成硅(111)晶面；

该化学腐蚀硅纳米线中段部分，形成硅(111)晶面的步骤B又可以包括：

子步骤B1，在覆盖SiO₂绝缘保护层的左电导平台10、右电导平台20和整段硅纳米线30上旋涂光刻胶，通过光学光刻技术在覆盖SiO₂绝缘保护层的整段硅纳米线30中部开出光刻胶窗口；

子步骤B2，利用缓冲氢氟酸(BHF)溶液化学腐蚀去除光刻胶窗口的整段硅纳米线上的SiO₂层；

本子步骤中，BHF溶液为质量浓度96％的分析纯NH₄F、质量浓度40％的HF和水混合，使之体积比为3∶6∶10而制备的。

子步骤B3，利用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液化学腐蚀去除光刻胶窗口内整段硅纳米线中段部分，在左段硅纳米线和右段硅纳米线朝向内侧的端面形成硅(111)晶面，如图2B所示。

在本子步骤中，TMAH溶液的浓度为10％～25％。

本步骤中，还可以通过控制硅(111)晶面生长区的纳米尺度直径，来控制III-V族材料纳米线的晶格失配应力，实现无失配位错横向生长。

步骤C，在左段硅纳米线31和右段硅纳米线32朝向内侧的，具有硅(111)晶面的两端面之间横向选区生长III-V族材料纳米线，形成异质结桥接结构；

本步骤中，III-V族材料可以为In_xGa_1-xAs(0≤x≤1)、GaP、GaN或InP等材料。而III-V族材料纳米线的方法优选为MOCVD外延生长技术.

步骤D，在III-V族材料纳米线33的表面淀积Al₂O₃保护层34，钝化其表面态。

本步骤中，Al₂O₃介质膜34也可以为其他材料的绝缘保护层，例如SiO₂、HfO₂等。

至此，已经结合附图对本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硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

综上所述，本发明在SOI衬底的顶硅薄层上制备硅纳米线的截面为(111)晶面，可以实现III-V族纳米线选区横向生长并形成桥接结构，便于多面金属栅在平面上实现逻辑集成，为低成本、低功耗、高速的集成电路芯片提供了一种新的构造途径。

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进一步详细说明，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。

Claims (10)

1.一种硅基III-V族纳米线选区横向外延生长的方法，其特征在于，包括：

步骤A，在(110)晶面SOI衬底的顶硅薄层上制备整段硅纳米线；

步骤B，去除所述整段硅纳米线的中段部分，在保留的左段硅纳米线和右段硅纳米线朝向内侧的端面形成硅(111)晶面；以及

步骤C，在所述左段硅纳米线和右段硅纳米线朝向内侧的，具有硅(111)晶面的两端面之间横向选区生长III-V族材料纳米线，形成异质结桥接结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括：

子步骤B1，在所述整段硅纳米线上旋涂光刻胶，在其中部开光刻胶窗口；

子步骤B3，通过化学腐蚀去除所述光刻胶窗口内整段硅纳米线中段部分，在左段硅纳米线和右段硅纳米线朝向内侧的端面所述形成硅(111)晶面。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述子步骤B3中，利用四甲基氢氧化铵溶液化学腐蚀去除所述光刻胶窗口内整段硅纳米线中段部分，在所述左段硅纳米线和右段硅纳米线朝向内侧的端面形成硅(111)晶面。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，利用MOCVD外延生长技术，在所述左段硅纳米线和右段硅纳米线朝向内侧的，具有硅(111)晶面的两端面之间横向定位生长所述III-V族材料纳米线。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤C之后还包括：

步骤D，在所述III-V族材料纳米线的表面淀积绝缘保护层，钝化其表面态。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述绝缘保护层的材料为Al₂O₃、SiO₂或HfO₂。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括：

子步骤A1，选取所述(110)表面的SOI衬底；

子步骤A2，在所述SOI衬底的顶硅薄层上制作SiO₂掩模层；

子步骤A3，在所述SiO₂掩模层上涂光刻胶，用电子束光刻技术曝光出光刻胶掩模图形；

子步骤A4，将所述光刻胶掩模图形转移到所述SiO₂掩模层上，再将SiO₂掩模层图形转移到所述顶硅薄层上，形成所述整段硅纳米线；以及

子步骤A5，将所述整段硅纳米线上残余的SiO₂掩模层去掉，通过热氧化处理，形成覆盖SiO₂绝缘保护层的所述整段硅纳米线。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤B1之后还包括：

利用缓冲氢氟酸溶液化学腐蚀去除所述光刻胶窗口内整段硅纳米线上的SiO₂层。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，所述整段硅纳米线两侧还具有同该整段硅纳米线同时形成的左硅电导平台和右硅电导平台。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述III-V族材料纳米线的材料为In_xGa_1-xAs、GaP、GaN或InP，其中0≤x≤1。

Images