CN107331611A - 一种三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，包括以下步骤：1）Si表面自我限制氧化层的形成；2）多余O气氛去除；3）选择性化学刻蚀掉SiO层；4）重复步骤1）~3），实现精确控制刻蚀量。本发明的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，既具有原子层级的自我限制能力，又可以实现三维（横向与纵向加工）加工，还对设备本身控制能力不需要现有技术方案那么高。
Description
技术领域
本发明属于半导体芯片或纳米微结构制造技术领域，具体涉及一种三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法。
背景技术
集成电路（integrated circuit）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克•基尔比（基于锗（Ge）的集成电路）和罗伯特•诺伊思（基于硅（Si）的集成电路）。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。
随着技术的不断发展，晶体管的特征尺寸不断缩小，目前正在由5nm向更小的技术迈进，沟道也由平面发展到鳍形（FinFet）再到纳米线（nanowire），所以对其制造技术提出了更高的要求，尤其是三维加工能力。
原子层刻蚀技术（Atomic layer etching）是一项新兴的刻蚀技术，目前有设备厂商及研究机构推出一种刻蚀硅的原子层刻蚀技术，基本原理及过程如下：
1）采用Cl2去改性（modification）硅表面：将Si-Si悬挂键改性成Si-Cl键Cl2 (气)+Si (固)→SiClx (固)；由于形成的物质在常温下为固体，所以该步具有自我限制特性，只影响约一个原子层；
2）去除多余Cl2；
3）采用合适能量的Ar离子去除SiClx (固)且不能伤到Si，Si-Si键能为Si-Si 3.4eV，Si-Cl 键能为4.2 eV。
Cl的引入会将Si与下层Si之间的键能降低到2.3eV，所以Ar离子能量要精确敲击掉Si-Cl物质而不够敲击Si-Si的阈值即可自我限制地刻蚀掉SiClx；然后重复以上过程完成刻蚀。
目前有机构报道该技术可用于鳍形栅刻蚀的过刻刻蚀中，较传统刻蚀，可以用更小的过刻量（25%）达到去除硅残留的目的。
这些现有技术，存在以下缺点：
1)对设备控制提出了极高的要求：需要对离子能量提出了极高的要求，只 有当离子能量适当才能实现，离子能量低了达不到去除改性层目的，离子能量高 了将会造成Si表面损伤或者刻蚀掉硅达不到原子层自我限制刻蚀的目的(self limited etching)。
2）该方法因去除离子具有方向性，无法实现三维（横向加工），在未来需要三维加工领域如纳米线加工领域将会受到局限。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，既具有原子层级的自我限制能力，又可以实现三维（横向与纵向加工）加工，还对设备本身控制能力不需要现有技术方案那么高。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，包括以下步骤：
1）Si表面自我限制氧化层的形成；
2）多余O气氛去除；
3）选择性化学刻蚀掉SiO层；
4）重复步骤1）~3），实现精确控制刻蚀量。
步骤1）中，Si在常温下与O2反应形成SiO2，厚度为1至几个原子厚度。
步骤3）中，使用气态HF刻蚀SiO2，选择性化学刻蚀掉SiO层。
所述的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，制备之前：用长膜和光刻及刻蚀技术，生长出阻挡层HfO2，Si厚度50~100nm，硬掩蔽层Al2O3；光刻出90nm~45nm尺寸的线或柱出来，去除光刻胶。阻挡层HfO2厚度1~10nm。硬掩蔽层Al2O3厚度1~10nm。
所述的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，在真空反应腔内，控制衬底温度0~200℃，用O2处理1~10s，SiO2厚度3A；然后抽空腔体残余O2。
所述的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，通入HF气体，处理1~10s，使用HF选择性腐蚀掉SiO2。
所述的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，循环刻蚀，控制最终留下的硅线柱宽3~10nm。
所述的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，采用稀释的HCl选择性去除掩蔽层Al2O3，获得纳米尺度的硅线柱。
该方法中没有涉及离子定向刻蚀过程，具有明显的各向同性的特点，同时每步又具有自我限制的特点：
（1）Si-O键的形成是公知的非常容易而且厚度非常好控制，Si在常温下与O2就很容易形成SiO2层并且具有良好的自我限制特性，厚度仅为1至几个原子厚度。所以第一步热反应非常容易实现且具有良好的自我限制特性；
（2）气态的氟化氢（Vapor HF）可以刻蚀SiO2，反应为：SiO2+4HF（气态）=SiF4（气态）+2H2O（气态），且不和Si反应，所以该步也有良好的自我限制特性。
所以从步骤1）到步骤3）可以实现自我限制的Si刻蚀，重复这些步骤即可实现精确控制刻蚀量。
有益效果：与现有技术相比，本发明的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法具有以下优点：
1）既具有原子层级的自我限制能力，又可以实现三维加工，弥补了目前原子层刻蚀技术不具备横向刻蚀能力的缺陷；
2）设备本身控制能力不需要现有技术方案那么高，现有技术需要从精确控制离子轰击能量，本发明利用化学反应的自限制来实现，采用传统的刻蚀的精度即可。
3）因为反应过程以化学为主，所以设备可以设计成批处理，比现有原子层刻蚀的单片处理具有更高的生产效率（throughput）。
附图说明
图1是三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，包括以下步骤：
1）Si表面自我限制氧化层（Si-O）的形成；Si-O键的形成非常容易且厚度非常好控制，Si在常温下与O2就很容易形成SiO2层并且具有良好的自我限制特性，厚度仅为1至几个原子厚度，所以该热反应非常容易实现且具有良好的自我限制特性；
2）多余O气氛去除；
3）选择性化学刻蚀掉SiO层；气态的氟化氢（Vapor HF）可以刻蚀SiO2，反应为：SiO2+4HF（气态）=SiF4（气态）+2H2O（气态）且不和Si反应，所以该步也有良好的自我限制特性；
4）重复步骤1）~3），即可实现精确控制刻蚀量。
实施例2
一种三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，同实施例1，如图1所示，其中：用当前常规的长膜和光刻及刻蚀技术，生长出阻挡层3（HfO2），厚度1~10nm，硅2（Si），厚度50~100nm，硬掩蔽层1（Al2O3），厚度1~10nm；采用常规光刻出90nm~45nm尺寸的线或柱出来，去除光刻胶；
1）然后在真空反应腔内控制衬底温度（0~200℃），用O2处理1~10s，SiO2厚度约3A；然后抽空腔体残余O2；
2）通入HF气体，处理1~10s，让HF将SiO2选择性腐蚀掉，因为Hf和Al的氟化物具有非常高的沸点，所以在其氟化物的自钝化下，HF不会腐蚀掩蔽层和阻挡层。然后抽空腔体内残余HF及生成气体。
3）循环以上步骤并根据每次循环精确的刻蚀量控制最终留下的硅柱（线）宽约3nm~10nm。
4）采用稀释的HCl即可选择性去除掉掩蔽Al2O3获得纳米尺度的硅柱（线），且不需要先进光刻技术。
Claims (10)
1.一种三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）Si表面自我限制氧化层的形成；
2）多余O气氛去除；
3）选择性化学刻蚀掉SiO层；
4）重复步骤1）~3），实现精确控制刻蚀量。
2.根据权利要求1所述的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，其特征在于，步骤1）中，Si在常温下与O2反应形成SiO2，厚度为1至几个原子厚度。
3.根据权利要求1所述的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，其特征在于，步骤3）中，使用气态HF刻蚀SiO2，选择性化学刻蚀掉SiO层。
4.根据权利要求1所述的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，其特征在于，制备之前：用长膜和光刻及刻蚀技术，生长出阻挡层HfO2，Si厚度50~100nm，硬掩蔽层Al2O3；光刻出90nm~45nm尺寸的线或柱出来，去除光刻胶。
5.根据权利要求4所述的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，其特征在于，阻挡层HfO2厚度1~10nm。
6.根据权利要求4所述的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，其特征在于，硬掩蔽层Al2O3厚度1~10nm。
7.根据权利要求4所述的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，其特征在于，在真空反应腔内，控制衬底温度0~200℃，用O2处理1~10s，SiO2厚度3A；然后抽空腔体残余O2。
8.根据权利要求4所述的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，其特征在于，通入HF气体，处理1~10s，使用HF选择性腐蚀掉SiO2。
9.根据权利要求4所述的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，其特征在于，循环刻蚀，控制最终留下的硅线柱宽3~10nm。
10.根据权利要求4所述的三维自限制精确制造硅纳米线柱的方法，其特征在于，采用稀释的HCl选择性去除掩蔽层Al2O3，获得纳米尺度的硅线柱。
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| CN107424923A (zh) * | 2017-07-06 | 2017-12-01 | 鲁汶仪器有限公司（比利时） | 一种自限制精确刻蚀硅的方法 |
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