CN103715098A - 以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法，包括：提供一个半导体衬底；在半导体衬底上形成介质层，在介质层上平行排列一维碳纳米管阵列结构；利用碳纳米管平行阵列结构做掩膜层，在介质层中形成沟槽阵列结构；在沟槽阵列结构中填充硬掩膜材料，并对硬掩膜材料进行研磨，直至硬掩膜材料的顶部与介质层的表面齐平，以形成硬掩膜图形；以硬掩膜图形为模板，经过刻蚀工艺，依次刻蚀介质层和半导体衬底，在半导体衬底中形成鳍形结构。本发明的方法，可以有效控制鳍形结构的宽度，并能够制备出小尺寸的鳍形结构，从而降低了工艺难度，并且有利于有效地调制器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法。
背景技术
随着半导体工艺技术节点的不断缩小，传统的平面MOSFET遇到了越来越多的技术挑战，FinFET作为一种新型的三维器件结构，可以极大地提升MOSFET的器件特性，包括抑制短沟效应、减小器件漏电、提高驱动电流以及提升亚阈值特性等等。目前，FinFET已经成为业界所公认的可以延续硅基MOSFET尺寸减小趋势的新型器件结构，并将在20纳米以下工艺节点获得量产。
三维结构的硅鳍结构(Si Fin)是实现FinFET器件制备的关键工艺之一，而目前制备Si Fin的主流工艺仍然是基于传统的光刻技术并结合先进的半导体工艺技术来完成的，如自对准的侧墙工艺等，所制备的Si Fin的最小宽度通常只能实现10～20纳米量级，但是，对于FinFET器件而言，器件性能的提升与Si Fin的宽度有着密切关系，通常情况下，随着Si Fin的宽度减小，在栅压的控制下越容易形成全耗尽的Si Fin，从而可以显著提升器件的栅控性能，同时减小器件的漏致势垒降低效应，进而获得高性能的FinFET器件。目前，寻求FinFET器件性能的提升仍然是研究的热点之一，尤其是在改进FinFET器件的制备工艺、优化FinFET器件的结构参数等方面仍然是许多研究人员探索的方向。
碳纳米管作为一种新型的一维纳米材料，其独特的材料特性可潜在应用于纳米结构的制备和加工领域，已有研究表明利用碳纳米管做掩膜材料可制备小尺寸的SiO2沟槽结构(Hye R.,et.al.,Nature Nanotechnol.,vol.2,pp.267,2008;Liu H.T.,et.al.,J.Am.Chem.Soc.,vol.131,pp.17034,2009;Zhao H.B.,et.al.,Chin.Phys.B,vol.20,pp.108103,2011)，但是，目前缺乏将碳纳米管掩膜和FinFET相结合的技术，如何将这两者结合来制备高性能的FinFET器件成为需要解决的问题，其中，如何利用碳纳米管制备鳍形结构成为关键技术，因此研究利用碳纳米管制备鳍形结构的工艺具有重要意义。
发明内容
为了克服上述问题，本发明旨在提供一种以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法，从而达到减小鳍形结构的尺寸和提高器件性能的目的。
本发明的一种以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法包括以下步骤：
步骤S01：提供一个半导体衬底；
步骤S02：在半导体衬底上形成介质层，然后在介质层上形成水平排列的一维碳纳米管平行阵列结构；
步骤S03：利用碳纳米管平行阵列结构做掩膜层，在介质层中形成沟槽阵列结构；
步骤S04：在沟槽阵列结构中填充硬掩膜材料，并对硬掩膜材料进行研磨，直至硬掩膜材料的顶部与介质层的表面齐平，以形成硬掩膜图形；
步骤S05：以硬掩膜图形为模板，经过刻蚀工艺，依次刻蚀介质层和半导体衬底，在半导体衬底中形成鳍形结构。
优选地，步骤S05包括：
步骤A1：以硬掩膜图形为模板，利用选择性刻蚀工艺刻蚀去除所述介质层；
步骤A2：以所述硬掩膜图形为模板，采用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述半导体衬底，在所述半导体衬底中形成鳍形结构。
优选地，所述步骤S02中，形成水平排列的一维碳纳米管平行阵列结构的方法包括直接在所述介质层上制备一维碳纳米管平行阵列或将若干碳纳米管平行排布于所述介质层上。
优选地，所述直接在所述介质层上制备一维碳纳米管平行阵列的方法包括：
步骤B1：在所述介质层上形成催化剂图形；
步骤B2：采用化学气相沉积法，在气流的辅助作用下在所述介质层上直接生长出碳纳米管平行阵列结构。
优选地，所述将若干碳纳米管平行排布于所述介质层上的方法包括：
步骤C1：在另一个衬底上生长出碳纳米管平行阵列；
步骤C2：将所述碳纳米管平行阵列压印到一个柔性材料的表面；
步骤C3：将所述柔性材料表面的碳纳米管平行阵列压印并转移到所述介质层上。
优选地，所述将若干碳纳米管平行排布于所述介质层上的方法包括：
步骤D1：在所述介质层表面制备金属电极；
步骤D2：将分散有碳纳米管的溶液滴于所述介质层表面上且在所述金属电极之间；
步骤D3：利用交流电场的作用，所述碳纳米管在所述介质层上形成平行阵列结构；
步骤D4：刻蚀去除所述介质层表面的所述金属电极。
优选地，所述步骤S03中，所述沟槽阵列结构的形成包括：利用碳热反应刻蚀所述介质层、或利用酸性溶液刻蚀所述介质层。
优选地，所述碳热反应所采用的温度为700-1000℃；或所述酸性溶液为氢氟酸溶液，所采用温度为常温。
优选地，所述步骤S04中，采用化学机械抛光法对所述硬掩膜材料进行研磨。
优选地，所述介质层的形成采用热氧化法。
本发明的利用碳纳米管材料为掩膜制备鳍形结构的方法，在制备鳍形结构时充分利用了一维碳纳米管材料的小尺寸特征和独特的材料特性，即无需借助先进的半导体光刻技术即可制备宽度很小的鳍形结构，从而突破了传统光刻工艺的限制，为FinFET器件制备工艺的改进和器件性能的提升提供了一种全新的解决方法。此外，本发明所提出的利用碳纳米管掩膜制备鳍形结构的方法，其所制备的鳍形结构的宽度主要由碳纳米管掩膜材料的直径决定，而通常情况下，单壁碳纳米管的直径最小在1～2纳米范围，多壁碳纳米管的直径从10纳米至几十纳米不等，单壁碳纳米管管束的直径则根据单壁碳纳米管的数量不同从几纳米到十几纳米不等，由此可见，本发明中所制备的鳍形结构的宽度可根据选择不同的碳纳米管材料进行有效控制，从而给FinFET器件性能的调制提供了便捷的方法。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法的流程示意图
图2—8为本发明的上述较佳实施例的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法的各个制备步骤所对应的截面结构示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下结合具体实施例和附图1-8对本发明的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法作进一步详细说明。其中，图1为本发明的一个较佳实施例的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法的流程示意图，图2—8为本发明的上述较佳实施例的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法的各个制备步骤所对应的截面结构示意图。
请参阅图1，本发明的一个较佳实施例的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法，包括：
步骤S01：请参阅图2，提供一个半导体衬底1；
具体的，本发明中，半导体衬底1可以为任意半导体器件衬底，如锗衬底、锗硅衬底、硅衬底等等，在本实施例中，所采用的半导体衬底1为硅衬底，但这不用于限制本发明的范围。
步骤S02：请参阅图3，在半导体衬底1上形成介质层2，然后在介质层2上形成水平排列的一维碳纳米管平行阵列结构3；
具体的，本发明中的介质层2材料可以但不限于为二氧化硅，在本实施例中，采用二氧化硅介质层，介质层2的形成方法可以但不限于热氧化法。
在本发明中，形成水平排列的一维碳纳米管平行阵列结构3的方法可以在介质层上直接生长碳纳米管平行阵列结构，也可以将在其它衬底上生长的碳纳米管平行阵列转移到介质层上，也可以采用电泳法，在电场作用下将分散于溶液中的碳纳米管进行平行排列等等。在本实施例中，采用在介质层2上直接生长碳纳米管平行阵列结构3，具体步骤如下：
步骤B1：在介质层2上形成催化剂图形；
这里，本实施例中，在介质层2上采用光刻和剥离等工艺预先制备催化剂图形，催化剂图形的目的是用于促进碳纳米管的生成和定位碳纳米管的位置。当然，在其它实施例中，也可以不采用催化剂图形。
步骤B2：采用化学气相沉积法，在气流的辅助作用下在介质层2上直接生长出碳纳米管平行阵列结构3。
这里，本实施例中，采用化学气相沉积法在介质层2上生长出碳纳米管平行阵列结构，所采用的反应压强、气体流量、反应温度等根据实际工艺需要而设定即可。
在本发明的另一个较佳实施例中，采用将其它衬底上生长的碳纳米管平行阵列转移到介质层上，具体利用柔性材料，包括如下步骤：
步骤C1：在另一个衬底上生长出碳纳米管平行阵列；
这里所说的另一个衬底可以但不限于是石英衬底。
步骤C2：将碳纳米管平行阵列压印到一个柔性材料的表面；
步骤C3：将柔性材料表面的碳纳米管平行阵列压印并转移到介质层上。
在本发明的又另一个较佳实施例中，采用电泳法在介质层上形成水平排列的一维碳纳米管平行阵列结构，具体包括如下步骤：
步骤D1：在介质层表面制备金属电极；
步骤D2：将分散有碳纳米管的溶液滴于介质层表面上且在金属电极之间；
步骤D3：利用交流电场的作用，碳纳米管在介质层上形成平行阵列结构；
步骤D4：刻蚀去除介质层表面的金属电极。
需要说明的是，本发明中，碳纳米管可以但不限于为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或单壁碳纳米管束。
至此，碳纳米管平行阵列结构3制备完成，以下接着上述步骤S02继续描述后续制备过程：
步骤S03：请参阅图4，利用碳纳米管平行阵列结构3做掩膜层，在介质层2中形成沟槽阵列结构4；
具体的，本发明中，沟槽阵列结构4的形成可以但不限于包括：利用碳热反应刻蚀介质层2、或利用酸性溶液刻蚀介质层2等。在本实施例中，可以采用在700-1000℃的温度下，使碳纳米管阵列结构3与二氧化硅介质层发生进行碳热反应，碳纳米管作为载体或反应物可以加速二氧化硅的刻蚀，从而在二氧化硅介质层中刻蚀出沟槽阵列结构；在本发明的一个较佳实施例中，在常温下采用氢氟酸溶液刻蚀二氧化硅介质层，以碳纳米管阵列结构为掩膜，在二氧化硅介质层中形成沟槽阵列结构。本发明中，沟槽阵列结构4的形成利用了碳纳米管作为载体或反应物可以加速二氧化硅的刻蚀的原理。
需要说明的是，本发明中，在刻蚀介质层2的过程中，同时也将碳纳米管平行阵列结构3刻蚀掉。
步骤S04：请参阅图5，在沟槽阵列结构4中填充硬掩膜材料，并对硬掩膜材料进行研磨，直至硬掩膜材料的顶部与介质层的表面齐平，以形成硬掩膜图形5；
具体的，在本实施例中，在沟槽阵列结构4中填充硬掩膜材料可以但不限于为氮化硅材料，填充硬掩膜材料后，可以采用但不限于为化学机械抛光法对硬掩膜材料的顶部进行研磨，直至硬掩膜材料的顶部与二氧化硅介质层2的顶部齐平，从而形成了硬掩膜图形5。
步骤05：请参阅图6，以硬掩膜图形5为模板，利用选择性刻蚀工艺刻蚀去除介质层2；
这里，本实施例中，采用选择性刻蚀工艺，保留硬掩膜图形5，同时将二氧化硅介质层2刻蚀去除，从而在硅衬底上留下硬掩膜图形5。
步骤06：请参阅图7，以硬掩膜图形5为模板，采用各向异性刻蚀工艺刻蚀半导体衬底1，在半导体衬底1中形成鳍形结构6。
这里，本实施例中，采用各向异性刻蚀工艺，比如可以采用反应离子刻蚀工艺等，在硬掩膜图形5的保护下，在硅衬底中刻蚀出鳍形结构6。
需要说明的是，在本发明中，可以在一个刻蚀过程中或者多个过程中依次刻蚀介质层2和半导体衬底1，从而在半导体衬底1中形成鳍形结构6，例如，本实施例中，在选择性刻蚀去除介质层2后，再采用各向异性刻蚀半导体衬底1。
步骤S07：请参阅图8，将硬掩膜图形5去掉；这里，去掉的方法可以但不限于为湿化学腐蚀法。这里，本发明中，对去除硬掩膜图形5的步骤不作任何限制。
在本发明中，碳纳米管的直径决定着沟槽的宽度和硬掩膜图形的宽度，从而有效控制鳍形结构的宽度，并制备出宽度很小的鳍形结构，这为调制FinFET器件的性能提供了便捷的方法。
综上所述，通过本发明的利用碳纳米管材料做掩膜制备鳍形结构的方法，在制备鳍形结构时充分利用了一维碳纳米管材料的小尺寸特征和独特的材料特性，即无需借助先进的半导体光刻技术即可制备宽度很小的鳍形结构，从而突破了传统光刻工艺的限制，为FinFET器件制备工艺的改进和器件性能的提升提供了一种全新的解决方法。此外，所制备的鳍形结构的宽度主要由碳纳米管掩膜材料的直径决定，而通常情况下，单壁碳纳米管的直径最小在1～2纳米范围，多壁碳纳米管的直径从10纳米至几十纳米不等，单壁碳纳米管管束的直径则根据单壁碳纳米管的数量不同从几纳米到十几纳米不等，由此可见，本发明中所制备的鳍形结构的宽度可根据选择不同的碳纳米管材料进行有效控制，从而给FinFET器件性能的调制提供了非常便捷的方法。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (10)
1.一种以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：提供一个半导体衬底；
步骤S02：在所述半导体衬底上形成介质层，然后在所述介质层上形成水平排列的一维碳纳米管平行阵列结构；
步骤S03：利用碳纳米管平行阵列结构做掩膜层，在所述介质层中形成沟槽阵列结构；
步骤S04：在所述沟槽阵列结构中填充硬掩膜材料，并对所述硬掩膜材料进行研磨，直至所述硬掩膜材料的顶部与所述介质层的表面齐平，以形成硬掩膜图形；
步骤S05：以硬掩膜图形为模板，经过刻蚀工艺，依次刻蚀所述介质层和所述半导体衬底，在所述半导体衬底中形成鳍形结构。
2.根据权利要求1所述的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法，其特征在于，步骤S05具体包括：
步骤A1：以硬掩膜图形为模板，利用选择性刻蚀工艺刻蚀去除所述介质层；
步骤A2：以所述硬掩膜图形为模板，采用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述半导体衬底，在所述半导体衬底中形成所述鳍形结构。
3.根据权利要求1所述的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法，其特征在于，所述步骤S02中，形成水平排列的一维碳纳米管平行阵列结构的方法包括直接在所述介质层上制备一维碳纳米管平行阵列或将若干碳纳米管平行排布于所述介质层上。
4.根据权利要求3所述的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法，其特征在于，所述直接在所述介质层上制备一维碳纳米管平行阵列的方法包括：
步骤B1：在所述介质层上形成催化剂图形；
步骤B2：采用化学气相沉积法，在气流的辅助作用下在所述介质层上直接生长出碳纳米管平行阵列结构。
5.根据权利要求3所述的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法，其特征在于，所述将若干碳纳米管平行排布于所述介质层上的方法包括：
步骤C1：在另一个衬底上生长出碳纳米管平行阵列；
步骤C2：将所述碳纳米管平行阵列压印到一个柔性材料的表面；
步骤C3：将所述柔性材料表面的碳纳米管平行阵列压印并转移到所述介质层上。
6.根据权利要求3所述的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法，其特征在于，所述将若干碳纳米管平行排布于所述介质层上的方法包括：
步骤D1：在所述介质层表面制备金属电极；
步骤D2：将分散有碳纳米管的溶液滴于所述介质层表面上且在所述金属电极之间；
步骤D3：利用交流电场的作用，所述碳纳米管在所述介质层上形成平行阵列结构；
步骤D4：刻蚀去除所述介质层表面的所述金属电极。
7.根据权利要求1所述的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法，其特征在于，所述步骤S03中，所述沟槽阵列结构的形成包括：利用碳热反应刻蚀所述介质层、或利用酸性溶液刻蚀所述介质层。
8.根据权利要求7所述的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法，其特征在于，所述碳热反应所采用的温度为700-1000℃；或所述酸性溶液为氢氟酸溶液，所采用温度为室温。
9.根据权利要求1所述的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法，其特征在于，所述步骤S04中，采用化学机械抛光法对所述硬掩膜材料进行研磨。
10.根据权利要求1所述的以碳纳米管为掩膜制备鳍形结构的方法，其特征在于，所述介质层的形成采用热氧化法。
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