CN108054086B - 一种基于聚苯乙烯小球的超短沟道及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于聚苯乙烯小球的超短沟道及制备方法，纳米科技领域和半导体技术领域。本发明利用单层自组装的聚苯乙烯小球,原子层沉积可控制生长厚度的氧化铝，可获得亚十纳米长度的超短沟道。工艺步骤简单、成本低廉、易于大面积制备超短沟道，具有较好的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及纳米科技领域和半导体技术领域，尤其涉及一种基于聚苯乙烯小球的新型超短沟道及制备方法，可以实现具有亚十纳米的沟道长度。
背景技术
随着半导体技术的发展，半导体构件的临界尺寸或最小特征尺寸也变得比以前更小。英特尔的创始人中戈登.摩尔曾经对半导体行业的发展做出预测，集成电路上可容纳的微器件越来越多，性能也会提升。而摩尔定律能够生效的前提就是器件能够持续小型化，即器件的沟道长度不断缩小。
对于目前光刻是半导体器件制造工艺中的一个重要技术，该技术利用曝光和显影在光刻胶上转移图形，然后通过刻蚀工艺将掩模版上的图形转移到单晶表面或介质层上，形成有效图形。随着半导体技术的发展，光刻技术传递图形的尺寸限度缩小了2～3个数量级(从毫米级到亚微米级)，但是图形尺寸和形状受到自然掩蔽层的限制，可重复性不好，图形转移需要重新铺设自然掩蔽层，会对衬底带来污染，因此远远满足不了芯片行业发展的趋势，难以达到现在超短沟道晶体管的需求。随着一系列新材料、新技术的迅速发展，尤其是纳米技术和微纳加工技术的发展，解决短沟道效应的办法越来越多，快速制备出超短沟道已经成为当今基础科学与应用科学的热门研究方向，同时也避免光刻铺设自然掩蔽层的不便。克服上述不足，提供一种简单易行的、可重复使用大面积制备超短沟道就成了本领域技术研究人员的研究重点。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提出一种基于聚苯乙烯小球的新型超短沟道制备方法。利用单层自组装的聚苯乙烯小球,原子层沉积可控制生长厚度的氧化铝，可获得亚十纳米长度的超短沟道。
一种基于聚苯乙烯小球的超短沟道，其特征在于，包括基底，基底上表面为一图案化Ti/Au金属层，在图案化Ti/Au金属层的上表面为Al2O3形成的超短沟道，Al2O3超短沟道的上面为Ti/Au金属电极层，超短沟道之间的沟道宽度为聚苯乙烯小球竖直预留宽度进行刻蚀的宽度，为纳微米级。参见图4。优选超短沟道的沟道宽度大于沟道高度。
上述一种基于聚苯乙烯小球的新型超短沟道制备方法，其特征在于，按下述步骤进行：
(1)表面洁净带有氧化层的单晶硅片衬底上，采用机械掩膜版和电子束蒸镀沉积法蒸镀一层Ti/Au金属层图案；
(2)在Ti/Au金属层图案上表面，采用原子层沉积(ALD)氧化铝层；
(3)氧化铝层的上表面，铺上单层自组装聚苯乙烯(PS)密排小球层；然后将单层自组装聚苯乙烯小球刻蚀拉开，形成具有间隙的非密排小球；
(4)在聚苯乙烯小球的上面继续采用与步骤(1)相同的机械掩膜版进行电子束蒸镀沉积Ti/Au金属电极层，步骤(1)的机械掩膜版和步骤(4)的机械掩膜版的图像上下正相对，然后去除聚苯乙烯小球及其球上Ti/Au金属电极层；
(5)继续刻蚀掉步骤(2)Ti/Au金属层图案之间的氧化铝和步骤(4)去掉聚苯乙烯小球后竖直预留的氧化铝，制备出超短沟道。
前述的基于聚苯乙烯小球的新型超短沟道制备方法中，所述步骤(1)中单晶硅片衬底采用的是氧化层厚度在285～300nm，厚度400μm的P型高掺杂硅片。
前述的基于聚苯乙烯小球的新型超短沟道制备方法中，所述步骤(1)中采用电子束蒸镀沉积10nm厚度的金属Ti和80nm金属Au。
前述的基于聚苯乙烯小球的新型超短沟道制备方法中，所述步骤(2)中采用原子层沉积5nm～30nm厚度的氧化铝。
前述的基于聚苯乙烯小球的新型超短沟道制备方法中，所述步骤(3)中单层自组装聚苯乙烯小球直径为纳微米级，如500nm，刻蚀拉开单层自组装聚苯乙烯小球的方法为反应离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀或其他刻蚀技术，优选氧等离子体刻蚀，刻蚀拉开小球的球间距离范围要根据刻蚀功率、氧气流量、刻蚀时间来确定。
前述的基于聚苯乙烯小球的新型超短沟道制备方法中，所述步骤(4)中采用电子束蒸镀沉积10nm厚度的金属Ti和80nm金属Au。
前述的基于聚苯乙烯小球的新型超短沟道制备方法中，所述步骤(4)中去除聚苯乙烯小球及其球上金属层，采用丙酮超声去除聚苯乙烯小球，或直接用蓝膜或者其他具有粘附性的胶带机械剥离聚苯乙烯小球及其球上金属层，然后在80℃下空气退火1h-2h，去除残留的聚苯乙烯小球。
前述的基于聚苯乙烯小球的新型超短沟道制备方法中，所述步骤(5)中刻蚀氧化铝的方法为干法刻蚀或者湿法腐蚀。
前述的基于聚苯乙烯小球的新型超短沟道制备方法中，所述步骤(5)中新型超短沟道的高度为氧化铝的厚度，以此获得超短沟道。
综上所述，由于采取了上述技术方案，本发明的优点在于：
一、本发明工艺步骤简单、成本低廉、易于大面积制备超短沟道，具有较好的实用价值。
二、原子层沉积生长可控制厚度的氧化铝，实现可控超短沟道长度的技术效果，可以达到亚十纳米精度的沟道。
附图说明
为进一步了解本发明的结构、特征及其目的，以下结合附图及较佳具体实施例的详细说明如下，其中：
图1为实施例中本发明所述的在氧化铝格栅上铺上单层自组装密排的聚苯乙烯小球示意图；
图2为实施例中本发明所述的用氧等离子体刻蚀将聚苯乙烯小球拉开成非密排小球的示意图；
图3为实施例中本发明所述的基于聚苯乙烯小球制备的新型超短沟道结构示意图；
图4为实施例中本发明所述的基于聚苯乙烯小球制备的新型超短沟道总体结构剖面示意图。
图中标记为：1-高掺杂P型单晶硅片，2-300nm的二氧化硅层,3-Ti/Au金属层，4-30nm的氧化铝层，5-直径500nm的单层自组装密排聚苯乙烯小球，6-非密排聚苯乙烯小球，7-Ti/Au金属电极层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1，一种基于聚苯乙烯小球的新型超短沟道制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
(1)在表面洁净带有300nm氧化层的单晶硅片衬底上，用高温胶带固定好机械掩膜版，采用电子束依次蒸镀沉积10nm厚度的金属Ti和80nm的金属Au，得到Ti/Au金属层图案，得到栅格长度和宽度分别为150um的图案；取下模板；
(2)在Ti/Au金属层上面，采用原子层沉积30nm厚度的氧化铝；
(3)首先用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声10min清洗载玻片，氮气吹干，采用氧等离子体刻蚀载玻片做亲水处理，功率为70W,氧气气流量为20sccm，刻蚀时间为2min，按5％PS小球：酒精：去离子水＝1:2:2的比例各取10ml、20ml、20ml配制稀释的聚苯乙烯小球，超声10min，使聚苯乙烯小球均匀散开，然后在载玻片上滴水，铺单层自组装的聚苯乙烯小球使其成为薄膜，等待8h，直至晾干，再放入去离子水里面，将上述带有30nm厚的氧化铝的单晶硅片衬底，捞取单层自组装的聚苯乙烯小球，使得聚苯乙烯小球铺放到氧化铝表面，放在实验台上30min，直至晾干，采用氧等离子体刻蚀拉开聚苯乙烯小球，形成非密排小球，非密排小球之间的距离由刻蚀功率、气流量和时间决定，我们采用等离子体刻蚀功率为100W,氧气气流量为20sccm，刻蚀时间72s，将单层自组装聚苯乙烯小球拉开96nm，如图1、2所示。
(4)在单层非密排聚苯乙烯小球上，将与步骤(1)相同的机械掩膜版与底层Ti/Au金属层栅格对准，用高温胶带固定好，继续采用电子束蒸镀沉积10nm厚度的金属Ti和80nm的金属Au，得到Ti/Au金属层，栅格长度和宽度也分别为150um，上下栅格相对；取下模板，用3M胶带机械剥离去除聚苯乙烯小球及其球上金属层，然后在80℃下空气退火1h，去除残留的聚苯乙烯小球。
(5)最后按98％H2SO4:85％H3PO4体积比为3：1的比例，用量筒量取60ml的硫酸和20ml的磷酸加入烧杯中湿法腐蚀Ti/Au金属层图案之间的氧化铝(包括去掉聚苯乙烯小球后竖直预留的氧化铝)，再放入80℃水浴锅3.5min，直至氧化铝腐蚀干净，放入去离子水中进行清洗10min后，用氮气吹干，最终制备出30nm长度的新型超短沟道，如图3所示。
参照图4所示，是基于聚苯乙烯小球制备的新型超短沟道总体结构剖面示意图，效果可以实现大面积制备超短沟道，图3是图4中3、4、7的放大结构示意图。
Claims (9)
1.一种基于聚苯乙烯小球的超短沟道的制备方法，其特征在于，包括基底，基底上表面为一图案化Ti/Au金属层，在图案化Ti/Au金属层的上表面为Al2O3形成的超短沟道，Al2O3超短沟道的上面为Ti/Au金属电极层，超短沟道之间的沟道宽度为聚苯乙烯小球竖直预留宽度进行刻蚀的宽度，为纳微米级；超短沟道的沟道宽度大于沟道高度；按下述步骤进行：
(1)表面洁净带有氧化层的单晶硅片衬底上，采用机械掩膜版和电子束蒸镀沉积法蒸镀一层Ti/Au金属层图案；
(2)在Ti/Au金属层图案上表面，采用原子层沉积(ALD)氧化铝层；
(3)氧化铝层的上表面，铺上单层自组装聚苯乙烯(PS)密排小球层；然后将单层自组装聚苯乙烯小球刻蚀拉开，形成具有间隙的非密排小球；
(4)在聚苯乙烯小球的上面继续采用与步骤(1)相同的机械掩膜版进行电子束蒸镀沉积Ti/Au金属电极层，步骤(1)的机械掩膜版和步骤(4)的机械掩膜版的图像上下正相对，然后去除聚苯乙烯小球及其球上Ti/Au金属层；
(5)继续刻蚀掉步骤(2)Ti/Au金属层图案之间的氧化铝和步骤(4)去掉聚苯乙烯小球后竖直预留的氧化铝，制备出超短沟道。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中单晶硅片衬底采用的是氧化层厚度在285～300nm，厚度400μm的P型高掺杂硅片。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中采用电子束蒸镀沉积10nm厚度的金属Ti和80nm金属Au。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中采用原子层沉积5nm～30nm厚度的氧化铝。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中单层自组装聚苯乙烯小球直径为纳微米级，刻蚀拉开单层自组装聚苯乙烯小球的方法为反应离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀或其他刻蚀技术。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)刻蚀拉开单层自组装聚苯乙烯小球的方法为氧等离子体刻蚀，刻蚀拉开小球的球间距离范围要根据刻蚀功率、氧气流量、刻蚀时间来确定。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中去除聚苯乙烯小球及其球上金属层，采用丙酮超声去除聚苯乙烯小球，或直接用蓝膜或者其他具有粘附性的胶带机械剥离聚苯乙烯小球及其球上金属层，然后在80℃下空气退火1h-2h，去除残留的聚苯乙烯小球。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中刻蚀氧化铝的方法为干法刻蚀或者湿法腐蚀。
9.按照权利要求1-8任一项所述的方法制备得到的基于聚苯乙烯小球的超短沟道。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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