CN105977145B - 一种应变量子点的制备方法及应变量子点 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应变量子点的制备方法及应变量子点。所述制备方法包括以下步骤：在标的材料上形成光刻胶，在所述光刻胶上形成多个注入窗口，进行H+离子或He离子注入，去除所述光刻胶，进行退火处理，使所述标的材料中的H+离子或He离子聚集成H2或He产生气泡凸起，从而得到标的材料的应变量子点。本发明的方法新颖，制备过程简单，可操作性强，应变量可观、可调；制备过程可控性强，注入窗口的大小、形状、间距，H+离子或He离子注入的能量、剂量，退火温度、时间等工艺参数均可调；且方法可用范围广，晶体材料均可使用该方法制备应变量子点。

Description

一种应变量子点的制备方法及应变量子点
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种应变量子点的制备方法及应变量子点。
背景技术
应变半导体材料利用应变引发材料的能带结构变型来改变电子或空穴的迁移率，相比于未应变的半导体材料具有更高的载流子迁移率，因此在MOS器件以及光学应用方面有卓越的表现。随着半导体技术的不断发展，半导体器件尺寸的持续缩小，通过提高载流子迁移率以提高器件性能的方法已经变得非常迫切，因此在半导体材料中引入适当的张应力具有非常重要的使用价值。
目前关于应变半导体材料的研究主要聚焦在应变薄膜或应变纳米线的制备上。中国专利申请号为CN200380100952.0的专利文献就公开了一种形成应变半导体层的方法。该方法包括在具有第一晶格常数的晶圆上生长具有渐变掺杂剂分布特性(profile)的应变第一半导体层。掺杂剂使第一半导体层具有第二晶格常数。在所述第一半导体层上生长具有第二晶格常数的应变全尺寸(boxed)第二半导体层，以及在所述第二半导体层上生长具有第一晶格常数的牺牲第三半导体层。对第三和第二半导体层进行蚀刻退火，去除第三半导体层，并且使第二半导体层被松弛。在当前被松弛的第二半导体层上生长具有第二晶格常数的第四半导体层，其中所述第四半导体层是松弛的，以及在第四半导体层上生长具有第一半导体晶格常数的应变第五半导体层。该方法制备的应变半导体薄膜具有减少半导体层中的位错的优点。中国专利申请号为CN201410708318.5的专利文献公开了一种应变半导体纳米线及其制备方法。该方法在绝缘体层之上形成半导体衬垫部的对所横向邻接的至少一条半导体纳米线，部分所述绝缘体层从所述至少一条半导体纳米线下方被蚀刻，以使所述至少一条半导体纳米线悬置，在所述至少一条半导体纳米线之上沉积临时填充材料，并且该临时填充材料被平面化以使所述半导体衬垫部的对的顶面物理暴露，在所述半导体衬垫部的对内形成沟槽，并且用应力产生材料填充所述沟槽，随后去除所述临时填充材料。得到的半导体纳米线以拉伸应变或压缩应变沿纵长方向发生应变。
目前这些改变半导体材料应力的方法多数工艺复杂，成本较高，引入的应力有限，且应力的大小也不好控制。并且目前应变材料多数均聚焦于应变薄膜或应变纳米线的制备，在应变量子点的制备上尚无有效且实用的制备方式。因此，实有必要寻求一种工艺简单、易于实施、可控性强的应变量子点的制备方法，以利于应变量子点的实际应用。
发明内容
鉴于以上所述现有技术，本发明的目的在于提供一种应变量子点的制备方法及应变量子点，用于解决现有技术中的种种问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种应变量子点的制备方法，包括以下步骤：
在标的材料上形成光刻胶；
在所述光刻胶上形成多个注入窗口；
对形成有所述注入窗口的标的材料进行H+离子或He离子注入；
去除所述光刻胶；
对去除所述光刻胶后的标的材料进行退火处理，使所述标的材料中的H+离子或He离子聚集成H2或He产生气泡凸起，得到应变量子点。
优选地，所述标的材料为晶体材料。
优选地，所述标的材料为半导体材料。
优选地，所述标的材料选自Si、Ge、SiGe、GaAs、GaN、SiC中的一种或多种。
优选地，形成的所述光刻胶的厚度大于1μm。
优选地，在所述光刻胶上形成多个注入窗口的方法为光刻或电子束曝光。
优选地，所述注入窗口在所述标的材料上的投影轮廓为圆形或多边形。
优选地，所述注入窗口的最大宽度小于10μm。
优选地，多个所述注入窗口周期性有序排列或随机分布。
优选地，进行H+离子或He离子注入时，注入能量为10～120keV，注入剂量大于2×1016。
优选地，采用丙酮浸泡的方法去除所述光刻胶。
优选地，进行退火处理时，退火温度为200℃～800℃。
优选地，进行退火处理时，退火时间为20～120min。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种通过上述制备方法得到的应变量子点。
如上所述，本发明的应变量子点的制备方法及应变量子点，具有以下有益效果：
本发明的应变量子点的制备方法，利用H+离子或He离子在退火后聚集形成H2或He的特点，通过设置适当大小的注入窗口，控制注入剂量及退火温度等工艺参数，使其在标的材料中产生气泡凸起，从而达到制备应变量子点的目的。本发明的制备方法新颖，制备过程简 单，可操作性强，应变量可观、可调。制备过程可控性强，注入窗口的大小、形状、间距，离子注入的能量、剂量，退火温度、时间等工艺参数均可调。方法可用范围广，理论上所有的晶体材料均可使用该方法制备应变量子点。利用该方法制备应变半导体材料量子点，应变量子点的直径小于5μm。
附图说明
图1显示为本发明提供的应变量子点的制备方法的示意图。
图2a-2e显示为本发明实施例提供的应变量子点的制备方法的流程示意图。
元件标号说明
1 标的材料
2 光刻胶
201 注入窗口
3 应变量子点
S1～S5 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种应变量子点的制备方法，包括以下步骤：
S1在标的材料上形成光刻胶；
S2在所述光刻胶上形成多个注入窗口；
S3对形成有所述注入窗口的标的材料进行H+离子或He离子注入；
S4去除所述光刻胶；
S5对去除所述光刻胶后的标的材料进行退火处理，使所述标的材料中的H+离子或He离子聚集成H2或He产生气泡凸起，得到应变量子点。
所述标的材料为晶体材料，本发明对标的材料的具体选材不作限制，理论上所有的晶体材料均可作为标的材料使用本发明方法制备应变量子点。作为本发明的优选方案，所述标的材料为半导体材料，例如，所述标的材料可以是Si、Ge、SiGe、GaAs、GaN、SiC中的一种或多种，或其他半导体材料。
在步骤S1中，形成的光刻胶将用于后续对H+离子或He离子注入的阻挡，即需要H+离子或He离子只能通过所述注入窗口注入所述标的材料，而在其他地方，H+离子或He离子将被光刻胶阻挡，从而使注入的H+离子或He离子仅在所述注入窗口下聚集。因此，为了起到有效的阻挡作用，光刻胶应提供足够厚度，作为本发明的优选方案，形成的所述光刻胶的厚度应当大于1μm。
在步骤S2中，在所述光刻胶上形成多个注入窗口的方法可以为光刻或电子束曝光，或其他适合实施的方法。所述注入窗口在所述标的材料上的投影轮廓优选为圆形或多边形，如方形、菱形等。多个所述注入窗口可以周期性有序排列或随机分布。作为本发明的优选方案，所述注入窗口的最大宽度应当小于10μm。因为太大的注入窗口会导致在一个窗口内出现多个气泡凸起，甚至会由于H2或He的聚集量太大导致气泡破裂。注入窗口间距的选择可随意设计。
在步骤S3中，进行H+离子或He离子注入时，注入能量优选为10～120keV，注入剂量优选为大于2×1016。注入能量的选择考虑所需气泡的高度，要保证足够的凸起高度空间。注入剂量更是一个重要的调控参数，大的注入剂量可以产生更高的气泡凸起，从而产生更大的应变量。但注入剂量不宜过大，以免造成气泡破裂。
在步骤S4中，去除所述光刻胶可以采用丙酮浸泡的方法，或其他适合的去胶方法。若光刻胶仍有残留，还可以采用等离子体打胶的方法打掉残余的光刻胶。
在步骤S5中，进行退火处理时，退火温度优选为200℃～800℃，退火时间优选为20～120min。退火温度要保证H+离子或He离子聚集成H2或He，过低的退火温度不会产生气泡凸起。较高的退火温度可以导致较高的气泡凸起，但退火温度过高则可能导致气泡破裂。标的材料中由于H2或He产生气泡凸起的部分即为应变的量子点。
本发明的应变量子点制备方法创新性的利用H+离子或He离子在退火后聚集形成H2或He的特点，通过设置适当大小的注入窗口，控制注入剂量及退火温度等工艺参数，使其在每个窗口中只有一个气泡凸起，从而达到制备应变量子点的目的。制备方法新颖，制备过程简 单，可操作性强，应变量可观。通过调整注入窗口的大小、形状、间距，离子注入的能量、剂量，退火温度、时间等工艺参数，可以实现应变大小的灵活调整。
利用该方法制备应变半导体材料量子点，应变量子点的直径小于5μm。
下面通过具体的实例来详细说明本发明的技术方案。
请参阅图2a-2e，本实施提供一种应变半导体材料量子点的制备方法。
首先，如图2a所示，提供标的材料1，并在标的材料1上旋涂光刻胶2。其中，标的材料1为半导体材料，包括但不限于Si、Ge、SiGe、GaAs、GaN、SiC中的一种或多种。形成的光刻胶2的厚度应当大于1μm，本实施例优选为1.5μm。
然后，如图2b所示，在光刻胶2上通过光刻或电子束曝光形成多个注入窗口201。注入窗口201在标的材料1上的投影轮廓优选为圆形或方形，注入窗口201的最大宽度优选小于10μm，例如可为6μm。多个注入窗口201可以根据实际需要周期性有序排列或随机分布，各个注入窗口之间的间距可随意设计，也可根据实际需要的应变量来调整，本实施例不作限制。
随后，如图2c所示，对形成有注入窗口201的标的材料1进行H+离子或He离子注入。其中，注入能量和注入剂量可以根据实际需要的应变量来灵活调控，调控时需注意，使注入能量介于10～120keV，注入剂量大于2×1016。
离子注入后，如图2d所示，采用丙酮浸泡的方法去除光刻胶2。若光刻胶2仍有残留，再采用等离子体打胶的方法打掉残余的光刻胶2。
最后，对去除光刻胶2后的标的材料1进行退火处理，使标的材料1中的H+离子或He离子聚集成H2或He产生气泡凸起，得到的凸起部分即为应变量子点3，如图2e所示。进行退火处理时，退火温度和退火时间可以根据实际需要的应变量来灵活调控，退火温度的调节范围是200℃～800℃，退火时间优选为1小时。
本实施例得到的应变量子点3的直径小于5μm。
综上所述，本发明的应变量子点的制备方法，工艺简单，易于实施，可操作性强，应变量可观、可调；制备过程可控性强，注入窗口的大小、形状、间距，离子注入的能量、剂量，退火温度、时间等工艺参数均可灵活调整；且该方法应用范围广，除了目前常用的半导体材料，理论上所有的晶体材料均可使用该方法制备应变量子点。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种应变量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在标的材料上形成光刻胶；
在所述光刻胶上形成多个注入窗口，其中，所述注入窗口的最大宽度小于10μm；
对形成有所述注入窗口的标的材料进行H+离子或He离子注入；
去除所述光刻胶；
对去除所述光刻胶后的标的材料进行退火处理，使所述标的材料中的H+离子或He离子聚集成H2或He产生气泡凸起，得到应变量子点。
2.根据权利要求1所述的应变量子点的制备方法，其特征在于：所述标的材料为晶体材料。
3.根据权利要求1所述的应变量子点的制备方法，其特征在于：所述标的材料为半导体材料。
4.根据权利要求1所述的应变量子点的制备方法，其特征在于：所述标的材料选自Si、Ge、SiGe、GaAs、GaN、SiC中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的应变量子点的制备方法，其特征在于：形成的所述光刻胶的厚度大于1μm。
6.根据权利要求1所述的应变量子点的制备方法，其特征在于：在所述光刻胶上形成多个注入窗口的方法为光刻或电子束曝光。
7.根据权利要求1所述的应变量子点的制备方法，其特征在于：所述注入窗口在所述标的材料上的投影轮廓为圆形或多边形。
8.根据权利要求1所述的应变量子点的制备方法，其特征在于：多个所述注入窗口周期性有序排列或随机分布。
9.根据权利要求1所述的应变量子点的制备方法，其特征在于：进行H+离子或He离子注入时，注入能量为10～120keV，注入剂量大于2×1016。
10.根据权利要求1所述的应变量子点的制备方法，其特征在于：采用丙酮浸泡的方法去除所述光刻胶。
11.根据权利要求1所述的应变量子点的制备方法，其特征在于：进行退火处理时，退火温度为200℃～800℃。
12.根据权利要求1所述的应变量子点的制备方法，其特征在于：进行退火处理时，退火时间为20～120min。
13.一种应变量子点，其特征在于：利用权利要求1-12中任一项所述的方法制备而得。
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