CN103794474A - 硅衬底上生长纳米线的衬底处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在Si衬底上生长纳米线的衬底处理方法，包括如下步骤：S1、将Si衬底进行退火；S2、将通过步骤S1退火后的衬底进行自然氧化；S3、将通过步骤S2自然氧化后的衬底进行腐蚀。本发明能改善在Si衬底上生长纳米线的形貌质量，包括提高纳米线的密度和均匀度，大幅减少寄生物的出现。

Description

硅衬底上生长纳米线的衬底处理方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子及微电子材料生长技术领域，具体地涉及一种用于硅(Si)衬底上生长纳米线的衬底处理方法。
背景技术
随着微电子技术突飞猛进式的发展，在摩尔定律的驱使下，芯片内单个器件的特征尺寸向着更小尺度不断刷新纪录的同时，也在逐渐达到极限和尽头。寻找延续摩尔定律、保持微电子工业继续前进的新方法、新途径，是目前需要占领的高科技领域至高点。III-V族材料普遍具有电子迁移率高，电子有效质量小的特点，在高速电子器件方面有重要且广泛的应用。目前国际上已经用单根InAs纳米线制作出了平面场效应晶体管，但是平面器件不利于与当代CMOS工艺集成。实现及优化在硅衬底上立式III-V族纳米线的制备工艺，对制造CMOS工艺兼容下的高速甚至超高速电子器件及芯片具有重要意义。目前该领域的热点是探索制造Si衬底上立式环栅阵列纳米线场效应晶体管的相关技术，而最基础层面的Si衬底上制备立式纳米线的材料生长技术是该领域的核心技术之一。
在应用广泛的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)及化学束外延(CBE)制备技术平台下，传统的衬底预处理方式多为有机溶液清洗衬底后，用HF溶液去除Si衬底表面部分或全部的自然氧化层，然后进行纳米线生长。这样制备出的纳米线材料，纳米线产出率不高，且衬底表面会有很多寄生体材料颗粒出现，对器件的后期工艺制作带来不利影响。
图1采用传统处理工艺对衬底进行处理后制备的立式InAs纳米线SEM形貌图。如图1所示，InAs纳米线分布不均匀，高矮差别较大，且有大量的寄生颗粒物出现。
由现有Si衬底表面测试表征的文献报道可知，普通的Si衬底表面有一定的起伏不平，衬底表面的自然氧化层厚度也不均一，且衬底会有一定的缺陷密度，这些因素都可能导致最终在Si表面制备出的立式纳米线分布不均匀，长度和直径分布范围较大，衬底表面出现大量颗粒寄生物。减少或消除寄生物在衬底表面的出现，有利于立式环栅纳米线场效应晶体管器件的工艺制作。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明意在解决Si衬底表面生长纳米线存在的分布不均匀，纳米线长度和直径分布范围较大，且有大量颗粒寄生物存在的形貌问题。通过改善并优化衬底表面特征，进而制备出寄生物少、分布均匀的立式纳米线。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种在Si衬底上生长纳米线的衬底处理方法，包括如下步骤：
S1、将Si衬底进行退火；
S2、将通过步骤S1退火后的衬底进行自然氧化；
S3、将通过步骤S2自然氧化后的衬底进行腐蚀。
根据本发明的一种实施方式，所述Si衬底晶向为(111)晶向。
根据本发明的一种实施方式，在所述步骤S1中，将所述Si衬底在700℃～1600℃温度下高纯气氛(包括氮气或氢气)中退火，并在该温度下保持8～12分钟。
根据本发明的一种实施方式，在所述步骤S2中，在环境超净度为千级的条件下自然氧化。
根据本发明的一种实施方式，在所述步骤S2中，所述自然氧化时间为12小时至72小时。
根据本发明的一种实施方式，在所述步骤S2结束后对所述Si衬底进行清洗再进行所述步骤S3。
根据本发明的一种实施方式，在所述步骤S3中，采用氢氟酸溶液进行腐蚀。
根据本发明的一种实施方式，所述氢氟酸质量百分浓度可以为0.5％～5％，腐蚀的时间为3～20秒钟。
根据本发明的一种实施方式，所述纳米线为III-V族纳米线。
(三)有益效果
本发明通过高温退火-自然氧化-腐蚀步骤的结合，对需要生成纳米线的Si衬底进行了表面处理，消除了衬底可能存在的缺陷，在其衬底上制备纳米线，可大幅提高纳米线的分布均匀性及长短一致性，较强的抑制寄生颗粒物的出现。
附图说明
为了进一步说明本发明的具体技术内容，下面结合实例及附图详细说明，其中：
图1为采用传统处理工艺对Si衬底进行处理后制备的立式InAs纳米线SEM形貌图；
图2为本发明的Si衬底处理方法的流程图；
图3为采用本发明的方法对Si衬底进行处理后制备的立式InAs纳米线SEM形貌图。
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的主要目的在于提供一种Si衬底表面处理的新技术，以此来改善在Si衬底上生长纳米线的形貌质量，包括提高纳米线的密度和均匀度，大幅减少寄生物的出现。
本发明的衬底表面处理方法包括如下步骤：
S1、将Si衬底进行退火。
对Si衬底进行退火是为了去除衬底表面原有不均匀的氧化层及形成晶体表面相再构。所使用的Si衬底晶向为(111)晶向，掺杂类型为P型或者N型均可。
需要说明的是，在实际应用中，衬底表面通常会有一些油污和附着的杂质，因此，在退火之前通常需要使用有机溶液对衬底进行清洗。例如可以使用丙酮或乙醇等有机溶剂，或者三氯乙烯。
在退火时，将清洗干净的Si衬底放在温度传导均匀的退火设备中，在高纯气氛(包括氮气或氢气)，700℃～1600℃下退火，例如1080℃，并在该温度下保持8～12分钟，例如10分钟。
S2、将通过步骤S1退火后的衬底进行自然氧化；
本发明中所述的自然氧化是指将衬底置于常温下并暴露于超净空气中进行氧化的过程。为了保证衬底表面的洁净度，本发明要求保待自然氧化的环境超净度为千级。该步骤理想的自然氧化时间可以控制在12小时至72小时内。
S3、将通过步骤S2自然氧化后的衬底进行腐蚀。
该步骤的目的是为了使Si衬底表面以氢键终结，活化衬底表面以及减薄自然氧化层。
通常，自然氧化后的Si衬底由于表面活性不够，未能以氢键终结，需要经过清洗过程后再进行腐蚀。清洗时可采用有机溶济和去离子水相结合的方式。例如先用丙酮溶液、乙醇溶液，再去离子水分别超声清洗。腐蚀溶液可采用氢氟酸溶液进行腐蚀，氢氟酸质量百分浓度可以为0.5％～5％，如2％，且对衬底腐蚀的时间可为3～20秒钟，例如5秒钟。在腐蚀完成之后可用去离子水清洗干净、氮气吹干表面。
步骤S3完成之后即可用于生长纳米线。本发明处理后的Si衬底可适用于生成纳米线，特别是III-V族纳米线。
实施例：
下面通过一个实施例进一步说明本发明的衬底处理方法。该实施例是在Si基MOCVD生长InAs纳米线的衬底的处理方法。
该实施例中，首先取一片晶向为(111)的P型Si衬底，用丙酮溶液，去离子水依次超声清洗干净后氮气吹干，放入热传导均匀，片内温差小，气氛洁净度较高的退火设备中，退火整个过程封闭，且采用氮气作为载气，设备升温使实际衬底表面监测到的退火温度达到1080℃，在此温度下保持10分钟。然后使衬底降温至室温。通过高温退火工艺，使得衬底表面平整度得到改善，减少表面缺陷密度并且在高温下除去原本厚度不均匀的氧化层。
将退火完毕的衬底取出退火炉，放置并暴露在超净工作间里使之自然氧化24小时。然后衬底分别经过丙酮溶液、乙醇溶液及去离子水超声清洗，用质量百分浓度为2％的MOS级氢氟酸溶液腐蚀衬底5秒钟，再用去离子水清洗一遍，氮气吹干衬底表面。
经过上述步骤的衬底开始进行MOCVD生长InAs纳米线。生长过程中使用氢气作为载气，三甲基铟(TMIn)和气态砷烷(AsH3)分别作为纳米线材料所需的III族源和V族源，流量分别为1.0x10-6mol/min和2.0x10-4mol/min，生长温度为565℃。
图3为采用本发明的方法，按上述实例，对衬底进行处理后制备的Si基立式InAs纳米线SEM形貌图。比较图1和图3，可见，两种处理方式下的衬底上制备出的纳米线，整体形貌，纳米线密度，长度均一性，分布均匀性以及颗粒物含量上都有明显的差异。由此可知，本发明不仅可以抑制寄生物颗粒的出现，提高纳米线的长度均一性，还可以极大程度上提高纳米线的密度，使片内纳米线均匀分布。
本发明的应用领域涵盖Si衬底上生长纳米线的所有适用范畴。特别适于Si衬底上生长III-V族纳米线。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，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 (9)

1.一种在Si衬底上生长纳米线的衬底处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将Si衬底进行退火；
S2、将通过步骤S1退火后的衬底进行自然氧化；
S3、将通过步骤S2自然氧化后的衬底进行腐蚀。
2.如权利要求1所述的在Si衬底上生长纳米线的衬底处理方法，其特征在于，所述Si衬底晶向为(111)晶向。
3.如权利要求1所述的在Si衬底上生长纳米线的衬底处理方法，其特征在于，在所述步骤S1中，将所述Si衬底在700℃～1600℃下高纯气氛中退火，并在该温度下保持8～12分钟。
4.如权利要求1所述的在Si衬底上生长纳米线的衬底处理方法，其特征在于，在所述步骤S2中，在环境超净度为千级的条件下自然氧化。
5.如权利要求1所述的在Si衬底上生长纳米线的衬底处理方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述自然氧化时间为12小时至72小时。
6.如权利要求1所述的在Si衬底上生长纳米线的衬底处理方法，其特征在于，在所述步骤S2结束后对所述Si衬底进行清洗再进行所述步骤S3。
7.如权利要求1所述的在Si衬底上生长纳米线的衬底处理方法，其特征在于，在所述步骤S3中，采用氢氟酸溶液进行腐蚀。
8.如权利要求7所述的在Si衬底上生长纳米线的衬底处理方法，其特征在于，所述氢氟酸质量百分浓度可以为0.5％～5％，腐蚀的时间为3～20秒钟。
9.如权利要求7所述的在Si衬底上生长纳米线的衬底处理方法，其特征在于，所述纳米线为III-V族纳米线。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105019027A (zh) * 2014-04-23 2015-11-04 长春理工大学 用分子束外延（MBE）在GaSb衬底上无催化制备GaSb纳米线的方法
CN105097452A (zh) * 2015-07-07 2015-11-25 中山大学 一种具有微米、亚微米和纳米多级结构的碳化硅薄膜的制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101331590A (zh) * 2005-12-29 2008-12-24 纳米系统公司 用于在有图案基底上取向生长纳米线的方法
US20110284820A1 (en) * 2008-11-21 2011-11-24 Istituto Italiano Di Tecnologia Nanowires on substrate surfaces, method for producing same and use thereof
CN102569034A (zh) * 2012-02-15 2012-07-11 中国科学院半导体研究所 在自然氧化的Si衬底上生长InAs纳米线的方法
CN103165418A (zh) * 2013-03-13 2013-06-19 中国科学院半导体研究所 在GaAs纳米线侧壁生长同质量子结构的MBE方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101331590A (zh) * 2005-12-29 2008-12-24 纳米系统公司 用于在有图案基底上取向生长纳米线的方法
US20110284820A1 (en) * 2008-11-21 2011-11-24 Istituto Italiano Di Tecnologia Nanowires on substrate surfaces, method for producing same and use thereof
CN102569034A (zh) * 2012-02-15 2012-07-11 中国科学院半导体研究所 在自然氧化的Si衬底上生长InAs纳米线的方法
CN103165418A (zh) * 2013-03-13 2013-06-19 中国科学院半导体研究所 在GaAs纳米线侧壁生长同质量子结构的MBE方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. CANTORO, ET AL: "Large-area, catalyst-free heteroepitaxy of InAs nanowires on Si by MOVPE", 《PHYS. STATUS SOLIDI A》 *
TIANFENG LI，ET AL: "Effect of growth temperature on the morphology and phonon properties of InAs nanowires on Si substrates", 《NANOSCALE RESEARCH LETTERS》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105019027A (zh) * 2014-04-23 2015-11-04 长春理工大学 用分子束外延（MBE）在GaSb衬底上无催化制备GaSb纳米线的方法
CN105019027B (zh) * 2014-04-23 2019-04-30 长春理工大学 用分子束外延（MBE）在GaSb衬底上无催化制备GaSb纳米线的方法
CN105097452A (zh) * 2015-07-07 2015-11-25 中山大学 一种具有微米、亚微米和纳米多级结构的碳化硅薄膜的制备方法
CN105097452B (zh) * 2015-07-07 2017-10-13 中山大学 一种具有微米、亚微米和纳米多级结构的碳化硅薄膜的制备方法

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