CN111916338A - 一种硅基纳米线、其制备方法及薄膜晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基纳米线、其制备方法及薄膜晶体管，利用催化剂颗粒与硅具有较低的共熔点、以非晶硅的吉布斯自由能大于结晶硅的吉布斯自由能为驱动力、通过熔融的催化剂颗粒吸收非晶硅形成过饱和硅共熔体，使硅成核生长成为硅基纳米线。并且硅基纳米线在生长过程中，非晶硅薄膜在催化剂颗粒的作用下沿着导向槽线性生长，并且通过挡墙限制硅基纳米线反向生长，从而获得高密度、高均一性的硅基纳米线。另外，通过对催化剂颗粒的尺寸以及非晶硅薄膜的厚度进行控制还可以实现对硅基纳米线的宽度进行控制。

Description

一种硅基纳米线、其制备方法及薄膜晶体管
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤指一种硅基纳米线、其制备方法及薄膜晶体管。
背景技术
硅基纳米线为近年来开发的新型硅基半导体材料，具有一维的尺度结构，更加优异的半导体特性。采用硅基纳米线作为薄膜晶体管沟道可以获得更高的迁移率以及更加稳定的特性。
但是，硅基纳米线作为薄膜晶体管沟道材料，其尺度的均一性、可控性尤为重要。因此，为满足显示器件的均一性需求，如何获得尺度均一可控的硅基纳米线已成为人们研究的热点。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种硅基纳米线、其制备方法及薄膜晶体管，用以实现制备尺度均一可控的硅基纳米线。
本发明实施例提供的一种硅基纳米线的制备方法，包括：
在衬底基板上形成催化剂颗粒、沿第一方向延伸的导向墙以及与所述导向墙交叉且位于同一层的挡墙；其中，所述催化剂颗粒位于所述挡墙与所述导向墙所限定的区域内，且所述催化剂颗粒与硅具有温度范围在200℃～1000℃共熔点；
形成覆盖所述催化剂颗粒、所述导向墙以及所述挡墙的非晶硅薄膜；
对所述非晶硅薄膜进行退火，使非晶硅由所述催化剂颗粒开始沿导向墙方向生长形成硅基纳米线。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，在衬底基板上形成催化剂颗粒、沿第一方向延伸的导向墙以及与所述导向墙交叉且位于同一层的挡墙，具体包括：
在所述衬底基板上形成介电层；
对所述介电层进行构图，形成所述导向墙和所述挡墙的图形；
在所述衬底基板上形成催化剂膜层；
在所述催化剂膜层中形成所述催化剂颗粒的图形。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，在衬底基板上形成催化剂颗粒、沿第一方向延伸的导向墙以及与所述导向墙交叉且位于同一层的挡墙，具体包括：
在所述衬底基板上形成催化剂膜层；
在所述催化剂膜层中形成所述催化剂颗粒的图形；
在形成有所述催化剂颗粒的图形的所述衬底基板上形成介电层；
对所述介电层进行构图，形成所述导向墙和所述挡墙的图形。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，在所述催化剂膜层中形成所述催化剂颗粒的图形，具体包括：
在所述催化剂膜层上形成压印胶；
对所述压印胶进行纳米压印工艺，形成压印胶颗粒的图形；
以所述压印胶颗粒的图形为掩膜图形对所述催化剂膜层进行刻蚀，形成所述催化剂颗粒的图形。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，在所述催化剂膜层中形成所述催化剂颗粒的图形，具体包括：
在所述催化剂膜层上形成压印胶；
对所述压印胶进行纳米压印工艺，形成压印胶线的图形；其中所述压印胶线的延伸方向与所述挡墙的延伸方向相同；
以所述压印胶线的图形为掩膜图形对所述催化剂膜层进行刻蚀，形成催化剂线的图形；
对所述催化剂线进行等离子体轰击，形成所述催化剂颗粒的图形。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，所述催化剂线的线宽为50nm～1000nm。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，在所述催化剂膜层中形成所述催化剂颗粒的图形，具体包括：
在所述催化剂膜层上形成光刻胶；
对所述光刻胶进行曝光、显影工艺，形成光刻胶颗粒的图形；
以所述光刻胶颗粒的图形为掩膜图形对所述催化剂膜层进行刻蚀，形成所述催化剂颗粒的图形。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，所述催化剂颗粒的材料为铟、锡、镍、氧化铟。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，所述催化剂颗粒的粒径为1nm～5000nm。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，所述导向墙的高度为5nm～5000nm；所述挡墙的高度为5nm～5000nm。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，对所述非晶硅薄膜进行退火时，退火温度为200℃-600℃。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，在靠近所述挡墙的位置形成所述催化剂颗粒。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，在每一所述挡墙与所述导向墙所限定的区域内，形成1个或者多个所述催化剂颗粒。
相应地，本发明实施例还提供了一种硅基纳米线，所述硅基纳米线采用本发明实施例提供的上述任一种所述制备方法制备。
相应地，本发明实施例还提供了一种薄膜晶体管，包括源极、漏极、栅极和有源层，其中，所述有源层的材料为本发明实施例提供的上述硅基纳米线。
本发明有益效果如下：
本发明实施例提供的硅基纳米线、其制备方法及薄膜晶体管，利用催化剂颗粒与硅具有较低的共熔点、以非晶硅的吉布斯自由能大于结晶硅的吉布斯自由能为驱动力、通过熔融的催化剂颗粒吸收非晶硅形成过饱和硅共熔体，使硅成核生长成为硅基纳米线。并且硅基纳米线在生长过程中，非晶硅薄膜在催化剂颗粒的作用下沿着导向槽线性生长，并且通过挡墙限制硅基纳米线反向生长，从而获得高密度、高均一性的硅基纳米线。另外，通过对催化剂颗粒的尺寸以及非晶硅薄膜的厚度进行控制还可以实现对硅基纳米线的宽度进行控制。
附图说明
图1为本发明实施例提供的硅基纳米线的制备方法的流程图；
图2a至图2h分别为本发明实施例提供的制备方法在执行各步骤后对应的结构示意图；
图2i为图2h沿AA’方向的剖面结构示意图；
图3a和图3b为分别为本发明实施例提供的制备方法在执行各步骤后对应的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种硅基纳米线、其制备方法及薄膜晶体管。为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。
本发明实施例提供的一种硅基纳米线的制备方法，如图1所示，包括：
S101、在衬底基板上形成催化剂颗粒、沿第一方向延伸的导向墙以及与导向墙交叉且位于同一层的挡墙；其中，催化剂颗粒位于挡墙与导向墙所限定的区域内，且催化剂颗粒与硅具有温度范围在200℃～1000℃共熔点；
S102、形成覆盖催化剂颗粒、导向墙以及挡墙的非晶硅薄膜；
S103、对非晶硅薄膜进行退火，使非晶硅由催化剂颗粒开始沿导向墙方向生长形成硅基纳米线。
在本发明实施例提供的制备方法中，利用催化剂颗粒与硅具有较低的共熔点、以非晶硅的吉布斯自由能大于结晶硅(硅基纳米线)的吉布斯自由能为驱动力、通过熔融的催化剂颗粒吸收非晶硅形成过饱和硅共熔体，使硅成核生长成为硅基纳米线。并且硅基纳米线在生长过程中，非晶硅薄膜在催化剂颗粒的作用下沿着导向槽线性生长，并且通过挡墙限制硅基纳米线反向生长，从而获得高密度、高均一性的硅基纳米线。另外，通过对催化剂颗粒的尺寸以及非晶硅薄膜的厚度进行控制还可以实现对硅基纳米线的宽度进行控制。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，对非晶硅薄膜进行退火时，退火温度可控制在200℃-600℃之间，例如200℃、300℃、500℃、600℃等，在此不作限定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的制备方法中，在形成非晶硅薄膜之前，可以先形成催化剂颗粒之后再形成导向墙和挡墙；当然也可以先形成挡墙和导向墙后再形成催化剂颗粒，在此不作限定。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，在衬底基板上形成催化剂颗粒、沿第一方向延伸的导向墙以及与导向墙交叉且位于同一层的挡墙，具体包括：
在衬底基板上形成介电层；
对介电层进行构图，形成导向墙和挡墙的图形；
在衬底基板上形成催化剂膜层；
在催化剂膜层中形成催化剂颗粒的图形。
或者，可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，在衬底基板上形成催化剂颗粒、沿第一方向延伸的导向墙以及与导向墙交叉且位于同一层的挡墙，具体包括：
在衬底基板上形成催化剂膜层；
在催化剂膜层中形成催化剂颗粒的图形；
在形成有催化剂颗粒的图形的衬底基板上形成介电层；
对介电层进行构图，形成导向墙和挡墙的图形。
在具体实施时，形成催化剂颗粒之后再形成导向墙和挡墙时，在对介电层进行构图形成导向墙和挡墙的图形的过程中，需要将导向墙和挡墙限定区域内的介电层去除以将催化剂颗粒裸露出来，对工艺精度要求比较高。因此，在本发明实施例提供的制备方法中，先形成挡墙和导向墙后再形成催化剂颗粒从工艺上比较容易实现。
在具体实施时，在本发明实施例提供的制备方法中，介电层可以通过层积的方法形成，在此不作限定。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，在催化剂膜层中形成催化剂颗粒的图形，具体包括：
在催化剂膜层上形成压印胶；
对压印胶进行纳米压印工艺，形成压印胶颗粒的图形；
以压印胶颗粒的图形为掩膜图形对催化剂膜层进行刻蚀，形成催化剂颗粒的图形。
在具体实施时，采用纳米压印工艺形成催化剂颗粒的图形，可以实现图形的高精细化，保证催化剂颗粒的均一和可控，以保证硅基纳米线的均匀生长。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，在催化剂膜层中形成催化剂颗粒的图形，具体包括：
在催化剂膜层上形成压印胶；
对压印胶进行纳米压印工艺，形成压印胶线的图形；其中压印胶线的延伸方向与挡墙的延伸方向相同；
以压印胶线的图形为掩膜图形对催化剂膜层进行刻蚀，形成催化剂线的图形；
对催化剂线进行等离子体轰击，形成催化剂颗粒的图形。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，催化剂线的线宽控制在50nm～1000nm之间，例如50nm、100nm、500nm、1000nm等，在此不作限定。
在具体实施时，也可以采用光刻工艺形成催化剂颗粒的图形。因此，可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，在催化剂膜层中形成催化剂颗粒的图形，具体包括：
在催化剂膜层上形成光刻胶；
对光刻胶进行曝光、显影工艺，形成光刻胶颗粒的图形；
以光刻胶颗粒的图形为掩膜图形对催化剂膜层进行刻蚀，形成催化剂颗粒的图形。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，催化剂颗粒的材料可以为铟、锡、镍或氧化铟等，在此不作限定。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，催化剂颗粒的粒径控制在1nm～5000nm之间，例如1nm、10nm、50nm、100nm、500nm、1000nm等，在此不作限定。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，导向墙的高度控制在5nm～5000nm之间，例如5nm、100nm、500nm、1000nm等，在此不作限定。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，挡墙的高度控制在5nm～5000nm之间，例如5nm、100nm、500nm、1000nm等，在此不作限定。
在具体实施时，催化剂颗粒的粒径根据需要的硅基纳米线的线宽确定，一般催化剂颗粒的粒径接近硅基纳米线的线宽。进一步地，导向墙和挡墙的高度根据催化剂颗粒的粒径来确定，一般导向墙和挡墙的高度至少要与催化剂颗粒的粒径相同。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，在靠近挡墙的位置形成催化剂颗粒。这是为了保证在挡墙与导向墙所限定的区域内，硅基纳米线沿导向墙仅向一个方向生长。
在具体实施时，在本发明实施例提供的制备方法中，在每一挡墙与导向墙所限定的区域内，形成1个或者多个催化剂颗粒。
可选地，在本发明实施例提供的制备方法中，当导向墙之间的距离小于1μm时，设置1个催化剂颗粒。
在具体实施时，为了保证每一条硅基纳米线均能够沿设定的方向线性生长，要求催化剂颗粒至少有一侧是与导向墙相邻的，因此，在每一挡墙与导向墙所限定的区域内，在相邻两个导向墙之间，可以设置两个催化剂颗粒。
当然，在具体实施时，在每一挡墙与导向墙所限定的区域内，也可以设置多个催化剂颗粒，这样沿每个催化剂颗粒都会生长硅基纳米线，但是由于催化剂颗粒的自限性，最终能够实现线性生长的硅基纳米线只有一至两条。
需要说明的是，在本发明实施例提供的制备方法中，导向墙的数量可以根据实际需要的硅基纳米线的数量来决定。挡墙的位置可以根据需要的硅基纳米线的长度来设置，在此不作具体限定。
下面通过具体实施例说明本发明实施例提供的制备方法。
本发明提供的一些实施例具体包括以下步骤：
步骤1、如图2a所示，在衬底基板01上形成介电层02。
在具体实施时，采用层积法形成介电层，其中介电层的材料可以为氧化铝(AlOx)，氧化硅(SiOx)，氮化硅(SiNx)等，在此不作限定。
步骤2、如图2b所示，对介电层02进行构图，通过一次构图工艺形成沿第一方向X延伸的导向墙021和与导向墙021交叉设置的挡墙022的图形，导向墙021和与导向墙021之间的夹角可以为非零的锐角或者90°。
在具体实施时，导向墙和挡墙的高度均可以控制在5nm～5000nm之间，在此不作限定。
步骤3、如图2c所示，在衬底基板01上形成覆盖导向墙021和挡墙022的催化剂膜层03。
在具体实施时，催化剂膜层的材料可以为铟、锡、镍或氧化铟等，在此不作限定。
步骤4、如图2d所示，在催化剂膜层03上形成压印胶04。
步骤5、如图2e所示，对压印胶04进行纳米压印工艺，形成压印胶颗粒041的图形。
步骤6、如图2f所示，以压印胶颗粒041的图形为掩膜图形对催化剂膜层03进行刻蚀，形成催化剂颗粒031的图形。
在具体实施时，催化剂颗粒的粒径可以控制在1nm～5000nm之间，在此不作限定。
步骤7、如图2g所示，形成覆盖催化剂颗粒031、导向墙021以及挡墙022的非晶硅薄膜05。
步骤8、如图2h和图2i所示，对非晶硅薄膜05进行退火，使非晶硅由催化剂颗粒031开始沿导向墙方向生长形成硅基纳米线051。
在具体实施时，对非晶硅薄膜进行退火时，退火温度可控制在200℃-600℃之间，在此不作限定。
在本发明的另一些实施例中，与上述实施例相比，除了步骤4、5和6不相同，其它步骤均相同。下面仅详细说明不相同的步骤。
步骤4’、在催化剂膜层上形成光刻胶。
步骤5’、对光刻胶进行曝光、显影工艺，形成光刻胶颗粒的图形。
步骤6’、以光刻胶颗粒的图形为掩膜图形对催化剂膜层进行刻蚀，形成催化剂颗粒的图形。
在本发明的再一些实施例中，与上述实施例相比，除了步骤5和6不相同，其它步骤均相同。下面仅详细说明不相同的步骤。
步骤5”、如图3a所示，对压印胶04进行纳米压印工艺，形成压印胶线042的图形；其中压印胶线042的延伸方向与挡墙022的延伸方向相同。
步骤6”、如图3b所示，以压印胶线052的图形为掩膜图形对催化剂膜层03进行刻蚀，形成催化剂线032的图形；
步骤7”、对催化剂线032进行等离子体轰击，形成催化剂颗粒031的图形。
需要说明的是，在本发明实施例提供的上述制备方法中，构图工艺可只包括光刻工艺，或可以包括光刻工艺以及刻蚀步骤，同时还可以包括打印、喷墨等其他用于形成预定图形的工艺；光刻工艺是指包括成膜、曝光、显影等工艺过程的利用光刻胶、掩模板、曝光机等形成图形的工艺。在具体实施时，可根据本发明中所形成的结构选择相应的构图工艺。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种硅基纳米线，该硅基纳米线采用本发明实施例提供的上述任一种制备方法制备。由于该硅基纳米线解决问题的原理与前述一种硅基纳米线的制备方法相似，因此该硅基纳米线的实施可以参见前述硅基纳米线的制备方法的实施，重复之处不再赘述。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种薄膜晶体管，包括源极、漏极、栅极和有源层，其中，有源层的材料为本发明实施例提供的上述硅基纳米线。由于该薄膜晶体管解决问题的原理与前述一种硅基纳米线相似，因此该薄膜晶体管的实施可以参见前述硅基纳米线的实施，重复之处不再赘述。
在具体实施时，采用本发明实施例提供的上述硅基纳米线作为有源层的材料时，需要对形成有硅基纳米线的非晶硅薄膜进行构图，使硅基纳米线位于有源层区域，有源层区域内可以选择同时保留非晶硅和硅基纳米线，也可以选择只保留硅基纳米线。
本发明实施例提供的硅基纳米线、其制备方法及薄膜晶体管，利用催化剂颗粒与硅具有较低的共熔点、以非晶硅的吉布斯自由能大于结晶硅的吉布斯自由能为驱动力、通过熔融的催化剂颗粒吸收非晶硅形成过饱和硅共熔体，使硅成核生长成为硅基纳米线。并且硅基纳米线在生长过程中，非晶硅薄膜在催化剂颗粒的作用下沿着导向槽线性生长，并且通过挡墙限制硅基纳米线反向生长，从而获得高密度、高均一性的硅基纳米线。另外，通过对催化剂颗粒的尺寸以及非晶硅薄膜的厚度进行控制还可以实现对硅基纳米线的宽度进行控制。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种硅基纳米线的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底基板上形成催化剂颗粒、沿第一方向延伸的导向墙以及与所述导向墙交叉且位于同一层的挡墙；其中，所述催化剂颗粒位于所述挡墙与所述导向墙所限定的区域内，且所述催化剂颗粒与硅具有温度范围在200℃～1000℃共熔点；
形成覆盖所述催化剂颗粒、所述导向墙以及所述挡墙的非晶硅薄膜；
对所述非晶硅薄膜进行退火，使非晶硅由所述催化剂颗粒开始沿导向墙方向生长形成硅基纳米线。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在衬底基板上形成催化剂颗粒、沿第一方向延伸的导向墙以及与所述导向墙交叉且位于同一层的挡墙，具体包括：
在所述衬底基板上形成介电层；
对所述介电层进行构图，形成所述导向墙和所述挡墙的图形；
在所述衬底基板上形成催化剂膜层；
在所述催化剂膜层中形成所述催化剂颗粒的图形。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在衬底基板上形成催化剂颗粒、沿第一方向延伸的导向墙以及与所述导向墙交叉且位于同一层的挡墙，具体包括：
在所述衬底基板上形成催化剂膜层；
在所述催化剂膜层中形成所述催化剂颗粒的图形；
在形成有所述催化剂颗粒的图形的所述衬底基板上形成介电层；
对所述介电层进行构图，形成所述导向墙和所述挡墙的图形。
4.如权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，在所述催化剂膜层中形成所述催化剂颗粒的图形，具体包括：
在所述催化剂膜层上形成压印胶；
对所述压印胶进行纳米压印工艺，形成压印胶颗粒的图形；
以所述压印胶颗粒的图形为掩膜图形对所述催化剂膜层进行刻蚀，形成所述催化剂颗粒的图形。
5.如权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，在所述催化剂膜层中形成所述催化剂颗粒的图形，具体包括：
在所述催化剂膜层上形成压印胶；
对所述压印胶进行纳米压印工艺，形成压印胶线的图形；其中所述压印胶线的延伸方向与所述挡墙的延伸方向相同；
以所述压印胶线的图形为掩膜图形对所述催化剂膜层进行刻蚀，形成催化剂线的图形；
对所述催化剂线进行等离子体轰击，形成所述催化剂颗粒的图形。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂线的线宽为50nm～1000nm。
7.如权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，在所述催化剂膜层中形成所述催化剂颗粒的图形，具体包括：
在所述催化剂膜层上形成光刻胶；
对所述光刻胶进行曝光、显影工艺，形成光刻胶颗粒的图形；
以所述光刻胶颗粒的图形为掩膜图形对所述催化剂膜层进行刻蚀，形成所述催化剂颗粒的图形。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂颗粒的材料为铟、锡、镍、氧化铟。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂颗粒的粒径为1nm～5000nm。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述导向墙的高度为5nm～5000nm；所述挡墙的高度为5nm～5000nm。
11.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对所述非晶硅薄膜进行退火时，退火温度为200℃-600℃。
12.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在靠近所述挡墙的位置形成所述催化剂颗粒。
13.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在每一所述挡墙与所述导向墙所限定的区域内，形成1个或者多个所述催化剂颗粒。
14.一种硅基纳米线，其特征在于，所述硅基纳米线采用如权利要求1-13任一种所述制备方法制备。
15.一种薄膜晶体管，包括源极、漏极、栅极和有源层，其特征在于，所述有源层的材料为如权利要求14所述的硅基纳米线。
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