CN112599419B - 一种微纳半导体器件的打印式构筑方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微纳半导体器件的打印式构筑方法：(1)在衬底上沉积材料源和栅极金属材料；(2)在材料源表面施加纳米级的强电场，并控制强电场进行移动，强电场附近的材料源在焦点强场效应及小团簇自身属性作用下，会在沿强电场空间运动轨迹上，形成相应的稳定纳米结构；(3)根据需要构筑的微纳半导体器件的形状重复步骤(2)，使强电场诱导生长的纳米结构空间接触，形成异质结或同质结；(4)在异质结或同质结上沉积栅极电介质材料；(5)在栅极金属材料表面施加强电场，并控制强电场进行移动，在沿强电场空间运动轨迹上形成与栅极电介质材料接触的栅极电极结构；(6)沉积电极。本发明降低了3D微纳结构器件的构筑成本。
Description
技术领域
本发明涉及微纳半导体器件技术领域，特别是涉及一种微纳半导体器件的打印式构筑方法。
背景技术
半导体集成电路和元器件3D超集成的发展趋势对pn结及晶体管制备技术提出了更多的要求，传统的晶体管制备方法依赖于投影式光刻技术，通过掩膜、局部离子注入掺杂、金属电极(栅极、源极和漏极)制备pn结及晶体管。基于光刻的制备方法步骤繁琐复杂、需要多步的图形传输对准和极其严格的实验条件，缺乏灵活性，仪器设备价格昂贵等，虽然也能实现相应的作用及功能，显然不够便捷，成本高，并不适用于3D微/纳半导体器件制备，及3D超集成领域半导体元器件之间及堆叠层之间的垂直电互联。因此，发展新型、便捷的、具有立体特征的半导体器件打印式构筑方法，对于当前半导体器件制备及集成电路领域3D超集成的发展趋势具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种微纳半导体器件的打印式构筑方法，以解决上述现有技术存在的问题，降低3D微纳结构器件的构筑成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种微纳半导体器件的打印式构筑方法，包括以下步骤：
(1)在衬底上沉积材料源和栅极金属材料，所述材料源的材料为半导体材料，所述材料源的大小根据需要构筑的微纳半导体器件的大小确定；
(2)在所述材料源表面施加纳米级的强电场，并控制所述强电场进行移动，所述强电场附近的材料源在焦点强场效应及小团簇自身属性作用下，会在沿所述强电场空间运动轨迹上，形成相应的稳定纳米结构；
(3)根据需要构筑的所述微纳半导体器件的形状重复步骤(2)，使所述强电场诱导生长的纳米结构空间接触，形成异质结或同质结；
(4)在所述异质结或所述同质结上沉积栅极电介质材料；
(5)在所述栅极金属材料表面施加所述强电场，并控制所述强电场进行移动，所述强电场附近的栅极金属材料在焦点强场效应及小团簇自身属性作用下，在沿所述强电场空间运动轨迹上形成栅极电极结构，并使所述栅极电极结构与步骤(4)中的栅极电介质材料接触；
(6)在经步骤(5)得到的结构的基础上沉积电极，完成所述微纳半导体器件的构筑。
优选的，所述强电场由电子束提供。
优选的，在步骤(2)中，将所述衬底放入真空室，然后将所述真空室密闭并对所述真空室抽真空，直到所述真空室中的真空度能够满足所述电子束的工作条件。
优选的，在所述材料源表面施加纳米级的强电场时需首先使所述电子束斜射到所述材料源的表面，并保证所述电子束的焦点与所述材料源的表面接触，或所述电子束的焦点与所述材料源的表面之间的距离不影响所述电子束使所述材料源中的材料产生极化或静电感应现象。
优选的，通过电子束设备移动所述电子束的焦点实现所述强电场的移动。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：。
本发明基于电子束焦点强电场效应及磁聚焦效应制备半导体微纳米器件结构，克服了基于光刻技术平面加工方法步骤繁琐复杂、多步图形对准等在3D超集成方面应用的局限性，减少对离子注入设备等昂贵设备的依赖，简化了3D微纳结构器件制备步骤，降低了构筑成本，实现了高纯度3D结构与器件制备，更适用于当前3D器件制备，元器件之间及堆叠层之间的垂直电互联等技术需求。对于当前集成电路领域，半导体器件及3D超集成的发展趋势具有重要意义，具有较好的应用推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明微纳半导体器件的打印式构筑方法的结构示意图一；
图2为本发明微纳半导体器件的打印式构筑方法的结构示意图二；
图3为本发明微纳半导体器件的打印式构筑方法的结构示意图三；
其中：1、衬底；2、电介质层；3、N型半导体材料；4、N型半导体纳米结构；5、焦点；6、电子束；7、P型半导体纳米结构；8、P型半导体材料；9、接触面；10、源极和漏极金属材料；11、栅极金属材料；12、ZnO薄膜；13、第一纳米线；14、栅极介电层；15、栅极接触电极；16、金属正极电极；17、金属负极电极；18、N型半导体薄膜；19、第二纳米线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种微纳半导体器件的打印式构筑方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现3D微纳结构器件的低成本，便捷式打印构筑。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示：本实施例提供了一种微纳半导体器件的打印式构筑方法的打印式构筑方法，以制备PN结为例，该方法包括以下步骤：
(1)选择带有氧化硅层的P型硅作为衬底1；
(2)采用电子束曝光刻蚀工艺定义材料源沉积区，采用磁控溅射法在衬底1的电介质层2上的相应区域内分别沉积N型半导体材料3和P型半导体材料8作为材料源薄膜，N型半导体材料3为N型ZnO，P型半导体材料8为P型NiO；
(3)把上述衬底1放入真空室抽真空，达到电子束设备的正常工作条件；
(4)调整样品台，使电子束首先斜入射到衬底1上N型ZnO薄膜表面，电子束6的焦点5与N型ZnO薄膜表面相接触；
(5)控制电子束6的焦点5脱离N型ZnO薄膜表面，向目标空间移动，在电子束焦点强场效应及小团簇自身属性作用下，在沿电子束空间运动轨迹上，N型半导体材料3形成相应的稳定ZnO纳米线结构，即N型半导体纳米结构4；
(6)重复步骤(4)(5)过程，诱导生长NiO纳米线生长，形成P型半导体纳米结构7；使P型半导体纳米结构7和N型半导体纳米结构4空间接触，形成异质PN结，接触面9为N型半导体纳米结构4和P型半导体纳米结构7的接触界面；
(7)采用激光直写工艺，定义电极沉积区，沉积电极，完成器件构筑。
实施例二
如图2所示：本实施例提供了一种微纳半导体器件的打印式构筑方法的打印式构筑方法，以制备纳米线场效应晶体管为例，包括以下步骤：
(1)选择带有氧化硅层的N型硅做为衬底1；
(2)采用电子束刻蚀工艺定义源极、漏极及栅极沉积区；采用电子束蒸发或热蒸发技术沉积源极和漏极金属材料10、栅极金属材料11；
(3)采用电子束刻蚀工艺定义ZnO沉积区，采用磁控溅射法沉积ZnO，得到ZnO薄膜12；
(4)把衬底1放入真空室抽真空，达到电子束设备的正常工作条件；
(5)调整样品台，使电子束6首先斜入射到源极ZnO薄膜12表面，电子束焦点与表面间隔5nm；
(6)控制电子束焦点脱离ZnO薄膜12表面，向漏极空间移动，在电子束6的焦点5强场效应及小团簇自身属性作用下，在沿电子束空间运动轨迹上，形成悬空的第一纳米线13，继续移动电子束焦点与漏极ZnO薄膜12接触，第一纳米线13在源极和漏极之间互联；
(7)在第一纳米线13结构上原子层沉积栅极电介质材料如SiO2，氧化铝，氧化锆等，形成栅极介电层14，优选地，为实施步骤简化，本实例中采用空气作为栅极电介质材料；
(8)调整样品台，使电子束斜入射到第一纳米线13下方金栅极的表面，诱导金纳米柱垂直生长接近第一纳米线13，以步骤(7)中所述空气为电介质层，使金纳米柱顶端与第一纳米线之间间隔极短的距离，形成栅极电极15，完成ZnO纳米线场效应晶体管器件的构筑。
实施例三
如图3所示，本实施例提供了一种微纳半导体器件的打印式构筑方法的打印式构筑方法，以ZnO肖特基势垒二极管为例，包括以下步骤：
(1)选择带有氧化硅层的P型硅做为衬底1；
(2)采用激光直写工艺定义电极沉积区，采用热蒸发方法制作金属负极电极17和金属正极电极16，其中，负极金属材料17为Al，正极金属材料16为Au；
(3)采用激光直写工艺定义定义半导体材料源沉积区，通过磁控溅射方式沉积N型半导体薄膜18，N型半导体薄膜18的材料可以是ZnO，TiO2,SnO2等；优选地，我们采用ZnO做为N型半导体材料；
(4)把衬底1放入真空室抽真空，达到电子束设备的正常工作条件；
(5)调整样品台，使电子束首先斜入射到衬底1上N型半导体薄膜18的横截面处，电子束6的焦点5与横截面接触；
(6)控制电子束6的焦点5脱离ZnO横截面表面，向金属正极电极16一侧移动，直到和金属正极电极16的表面或侧面相接触；在电子束6的焦点5强场效应及小团簇自身属性作用下，在沿电子束空间运动轨迹上，形成相应的稳定的第二纳米线19；
(7)控制电子束6的焦点5继续向金属正极电极16的方向移动，直到第二纳米线19和金属正极电极16表面或侧面相接触，完成器件构筑。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种微纳半导体器件的打印式构筑方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)微纳半导体器件是指纳米线场效应晶体管；采用电子束蒸发或热蒸发技术在衬底上沉积源极和漏极金属材料、栅极金属材料，采用磁控溅射法在所述源极和漏极金属材料上沉积材料源，所述材料源的材料为半导体材料，所述材料源的大小根据需要构筑的所述微纳半导体器件的大小确定；
(2)在所述材料源表面施加纳米级的强电场，并控制所述强电场进行移动，所述强电场附近的材料源在焦点强场效应及小团簇自身属性作用下，会在沿所述强电场空间运动轨迹上，形成相应的稳定纳米结构；
(3)根据需要构筑的所述微纳半导体器件的形状重复步骤(2)，使所述强电场诱导生长的纳米结构空间接触，形成同质结；
(4)在所述同质结上沉积栅极电介质材料；
(5)在所述栅极金属材料表面施加所述强电场，并控制所述强电场进行移动，所述强电场附近的栅极金属材料在焦点强场效应及小团簇自身属性作用下，在沿所述强电场空间运动轨迹上形成栅极电极结构，并使所述栅极电极结构与步骤(4)中的栅极电介质材料接触。
2.根据权利要求1所述的微纳半导体器件的打印式构筑方法，其特征在于：所述强电场由电子束提供。
3.根据权利要求2所述的微纳半导体器件的打印式构筑方法，其特征在于：在步骤(2)中，将所述衬底放入真空室，然后将所述真空室密闭并对所述真空室抽真空，直到所述真空室中的真空度能够满足所述电子束的工作条件。
4.根据权利要求3所述的微纳半导体器件的打印式构筑方法，其特征在于：在所述材料源表面施加纳米级的强电场时需首先使所述电子束斜射到所述材料源的表面，并保证所述电子束的焦点与所述材料源的表面接触，或所述电子束的焦点与所述材料源的表面之间的距离不影响所述电子束使所述材料源中的材料产生极化或静电感应现象。
5.根据权利要求2所述的微纳半导体器件的打印式构筑方法，其特征在于：通过电子束设备移动所述电子束的焦点实现所述强电场的移动。
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