專(zhuān)利名稱(chēng)：具有(111)垂直側(cè)壁的納米線裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米技術(shù)和納米尺寸結(jié)構(gòu)的制造。具體而言，本發(fā)明涉及使用濕法化學(xué)刻蝕制造納米線及具有納米線的裝置。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體技術(shù)自其開(kāi)始就一直呈現(xiàn)朝向越來(lái)越小裝置尺寸和越來(lái)越高裝置密度的方向發(fā)展的趨勢(shì)。結(jié)果，近來(lái)迅猛增長(zhǎng)并引起廣泛興趣的半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域?yàn)榧{米技術(shù)。納米技術(shù)涉及制造和應(yīng)用所謂的納米尺寸結(jié)構(gòu)，即，尺寸通常比常規(guī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)小50至100倍的結(jié)構(gòu)。通常，用于制造納米尺寸結(jié)構(gòu)的技術(shù)為，電子束圖案化或納米壓印與例如反應(yīng)離子刻蝕(RIE)的干法刻蝕相組合。
然而，電子束光刻速度慢，因此限制了其在高生產(chǎn)量或生產(chǎn)率情形中的應(yīng)用。此外，電子束光刻在納米尺寸范圍的分辨率有限。盡管納米壓印是可行的，但是其中所使用的RIE工藝導(dǎo)致晶體退化，在圖案的側(cè)壁內(nèi)引入表面粗糙度，并使用了通過(guò)金屬離子污染納米結(jié)構(gòu)的金屬掩模。此外，傳統(tǒng)RIE工藝趨于對(duì)所制造的納米結(jié)構(gòu)的尺寸施加限制。例如，RIE刻蝕中使用的掩模模仿或者甚至惡化納米圖案?jìng)?cè)壁粗糙度，因?yàn)檠谀Ｔ谖⒚壮叽缂?jí)保持粗糙，即使采用極精確的寫(xiě)入。
無(wú)論是使用電子束圖案化或者使用納米壓印，通過(guò)RIE工藝制造的納米結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上所形成的表面粗糙度在這種納米尺度下是不能接受的。例如，這種表面粗糙度影響納米結(jié)構(gòu)性能和可靠性，并限制納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如納米線之間的間距或節(jié)距。此外，采用RIE通過(guò)電子束圖案化或納米壓印制造納米結(jié)構(gòu)是耗時(shí)的。因此，傳統(tǒng)制造的納米結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)量成本昂貴。
因此，期望這樣來(lái)制造納米結(jié)構(gòu)，該納米結(jié)構(gòu)具有更高可靠性和性能以及具有更小表面粗糙度(即，更平滑的表面)的納米尺寸分辨率，且潛在地成本更低和生產(chǎn)量更高。這樣制造的納米結(jié)構(gòu)可解決納米技術(shù)領(lǐng)域的長(zhǎng)期需要。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明一些實(shí)施方案中，提供了一種納米尺寸裝置。該納米尺寸裝置包括沿[110]方向拋光的絕緣體上半導(dǎo)體襯底。該納米尺寸裝置進(jìn)一步包括具有垂直側(cè)壁的半導(dǎo)體納米線，該垂直側(cè)壁為(111)垂直面。該(111)垂直側(cè)壁從(110)水平表面延伸到沿[110]方向拋光襯底的絕緣體層。該納米尺寸裝置進(jìn)一步包括位于納米線相對(duì)端部的電接觸。
在本發(fā)明其他實(shí)施方案中，提供了一種納米pn二極管。該納米pn二極管包括第一納米電極，其具有平行的垂直側(cè)壁，該垂直側(cè)壁為沿[110]方向拋光的絕緣體上半導(dǎo)體晶片的(111)垂直面。該納米pn二極管進(jìn)一步包括垂直堆疊于第一納米電極上的納米pn結(jié)，使得該納米pn結(jié)具有一對(duì)垂直側(cè)壁，該垂直側(cè)壁共用該第一納米電極的(111)面。該納米pn結(jié)進(jìn)一步具有(110)水平平面端部。該納米pn二極管進(jìn)一步包括沉積在該納米pn結(jié)的(110)水平平面端部上的第二納米電極。
在本發(fā)明的另外實(shí)施方案中，提供了制造該納米尺寸裝置和該納米pn二極管的方法。在各個(gè)方法中，濕法刻蝕沿[110]方向拋光的絕緣體上半導(dǎo)體襯底，從而形成具有(111)垂直面的垂直側(cè)壁的半導(dǎo)體納米線。
本發(fā)明的特定實(shí)施方案除了上述特征之外具有其他特征，或者具有替代上述特征的其他特征。以下參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明一些實(shí)施方案的這些和其他特征。


參考結(jié)合附圖進(jìn)行的如下詳細(xì)描述，本發(fā)明實(shí)施方案的各種特征將變得更容易理解，附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的結(jié)構(gòu)元件，附圖中圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米尺寸結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方案的透視圖。
圖1B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米尺寸結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施方案的透視圖。
圖1C示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米尺寸結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施方案的透視圖。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米尺寸裝置的一個(gè)實(shí)施方案的透視圖。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米尺寸裝置的另一個(gè)實(shí)施方案的透視圖。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米尺寸結(jié)構(gòu)制造方法的實(shí)施方案的流程圖。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米尺寸裝置制造方法的實(shí)施方案的流程圖。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米pn結(jié)二極管陣列的實(shí)施方案的透視圖。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米pn二極管制造方法的實(shí)施方案的流程圖。
發(fā)明詳述圖1A至1C示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米尺寸結(jié)構(gòu)10的實(shí)施方案的透視圖。納米尺寸結(jié)構(gòu)10包括沿[110]方向拋光的半導(dǎo)體襯底12，以及在半導(dǎo)體層12a內(nèi)濕法化學(xué)刻蝕形成的半導(dǎo)體納米線14。
半導(dǎo)體襯底12為半導(dǎo)體晶片12、12a或者絕緣體上半導(dǎo)體晶片12。絕緣體上半導(dǎo)體晶片12包括毗鄰絕緣體層12b的半導(dǎo)體層12a以及毗鄰絕緣體層12b的晶片12的其余支持材料12c，如圖1A和1B所示。半導(dǎo)體晶片12、12a示于圖1C。因此，術(shù)語(yǔ)“半導(dǎo)體層”這里用于表示半導(dǎo)體晶片12、12a或者具有半導(dǎo)體層12a的絕緣體上半導(dǎo)體晶片12，除非另外說(shuō)明。
方向是指半導(dǎo)體襯底12的(即，晶片12、12a或半導(dǎo)體層12a的)主水平平面表面12d為(110)水平晶面。這里使用方括號(hào)“[]”和圓括號(hào)“()”分別表示晶向和晶面，這些括號(hào)在此用于包圍例如110和111的數(shù)字，且在此遵從本領(lǐng)域已知的結(jié)晶學(xué)命名方法。此外，半導(dǎo)體襯底12具有多個(gè)(111)垂直晶面12e，晶面12e與主水平表面12d相交，如圖1A至1C虛線所示。出于這里討論的目的而非限制性地，認(rèn)為晶體結(jié)構(gòu)的(110)水平晶面相對(duì)于笛卡兒坐標(biāo)系是水平取向的。(110)水平表面為(110)水平面。(111)垂直晶面近似垂直相交晶片的(110)水平表面。因此出于這里討論的目的，認(rèn)為(111)垂直面相對(duì)于晶片的(110)水平表面或面是近似垂直取向的。
參考圖1A和1B，納米線14從半導(dǎo)體層12a的(110)水平表面12d垂直延伸到半導(dǎo)體層12a內(nèi)由濕法化學(xué)刻蝕指示的深度和/或絕緣體層12b的位置指示的深度。納米線14具有垂直側(cè)壁14a。側(cè)壁14a為半導(dǎo)體層12a的(111)垂直晶面12e并與其對(duì)準(zhǔn)。實(shí)際上，納米線14具有一對(duì)側(cè)壁，各個(gè)側(cè)壁為(111)垂直面。由于使用濕法化學(xué)刻蝕形成納米線14，而不是使用例如反應(yīng)離子刻蝕(RIE)的傳統(tǒng)干法刻蝕技術(shù)，側(cè)壁14a具有特征性平滑的平面表面，其基本上是原子級(jí)平面。在一些實(shí)施方案中，相對(duì)于干法刻蝕技術(shù)(例如RIE)用于形成納米線的情形，半導(dǎo)體層12a和特別是納米線14具有特征性減小的晶體結(jié)構(gòu)損傷。此外在一些實(shí)施方案中，相對(duì)于干法刻蝕和金屬刻蝕掩模用于形成納米線的情形，納米線14具有更少的金屬離子污染，如下文所進(jìn)一步描述。
有利于使沿垂直方向刻蝕遠(yuǎn)大于沿水平方向刻蝕的各向異性刻蝕的濕法化學(xué)刻蝕溶液尤其適用于獲得本發(fā)明的納米尺寸裝置10。具體而言，對(duì)半導(dǎo)體內(nèi)(110)水平晶面的刻蝕遠(yuǎn)快于對(duì)(111)垂直晶面的刻蝕，由此維持(111)垂直晶面的晶格平滑的濕法化學(xué)刻蝕溶液尤其適用于本發(fā)明的實(shí)施方案。見(jiàn)例如S.M.Sze編輯的High-SpeedSemiconductor Devices，A Wiley-Interscience Publication，John Wiley & Sons，Inc.，1990，至少Part I，Section 1.4，pp33-51。各向異性濕法化學(xué)刻蝕的納米線14通常側(cè)壁高度或深度大于納米線14的寬度或厚度。此外，納米線14的長(zhǎng)度通常遠(yuǎn)大于納米線14的高度或?qū)挾取＜{米線14長(zhǎng)度促進(jìn)納米線14具有更大表面積。這些相對(duì)尺度并非旨在限制這里所描述的本發(fā)明的各種實(shí)施方案。在下文中相對(duì)于納米尺寸結(jié)構(gòu)制造方法更詳細(xì)地描述對(duì)半導(dǎo)體層12a的濕法刻蝕。
在一些實(shí)施方案中，納米尺寸結(jié)構(gòu)10包括在半導(dǎo)體層12a內(nèi)濕法化學(xué)刻蝕形成的多個(gè)分離納米線14。圖1B和1C示出了具有多個(gè)納米尺寸分離納米線14的納米尺寸結(jié)構(gòu)10的其他實(shí)施方案的透視圖。圖1B示出了絕緣體上半導(dǎo)體晶片12內(nèi)的多個(gè)納米線14。圖1C示出了半導(dǎo)體晶片12、12a內(nèi)的多個(gè)納米線14。在這些實(shí)施方案中，納米線14相互平行，納米線14之間的間距在納米尺寸范圍以?xún)?nèi)。相對(duì)于干法化學(xué)刻蝕的納米線，濕法化學(xué)刻蝕的納米線側(cè)壁14a相當(dāng)平滑，使得如果需要?jiǎng)t這些納米線可以納米尺寸地緊密間隔(例如，一個(gè)或多個(gè)相鄰(111)垂直晶面的原子或晶體間距)，而不危害其與相鄰納米線14的電隔離。例如，在一些實(shí)施方案中，納米線的寬度為零點(diǎn)幾微米，納米線14之間的間距范圍為約5nm至約100μm。
在一些實(shí)施方案中，納米尺寸結(jié)構(gòu)10進(jìn)一步包括用于測(cè)量或監(jiān)控納米線對(duì)刺激的響應(yīng)的裝置。例如，納米線14由層12a的半導(dǎo)體材料制成。半導(dǎo)體納米線14特征性地響應(yīng)刺激。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)納米線14暴露于影響其特性的刺激時(shí)，納米線14將呈現(xiàn)電學(xué)特性或物理特性之一或二者兼有的變化，該電學(xué)特性為例如半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電率或電阻率，該物理特性為例如半導(dǎo)體材料的振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)。使用該測(cè)量或監(jiān)控裝置可以測(cè)量納米線14的特征變化或響應(yīng)機(jī)制。因此在一些實(shí)施方案中，納米尺寸結(jié)構(gòu)10可以是納米尺寸裝置，例如檢測(cè)與該裝置相鄰的環(huán)境變化的傳感器，或者響應(yīng)于例如外部電源而傳送電流的二極管。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米尺寸裝置20的實(shí)施方案的透視圖。納米尺寸裝置20包括沿[110]方向拋光的絕緣體上半導(dǎo)體襯底22。如前所述對(duì)于圖1A和1B所示納米尺寸結(jié)構(gòu)10，絕緣體上半導(dǎo)體襯底22包括具有(110)水平平面表面22d的半導(dǎo)體層22a、絕緣體層22b以及襯底的其余支持層22c。絕緣體層22b毗鄰并介于半導(dǎo)體層22a和支持層22c之間。納米尺寸裝置20進(jìn)一步包括在半導(dǎo)體層22a內(nèi)濕法化學(xué)刻蝕形成、沿半導(dǎo)體層22a的(111)垂直晶面22e的納米線24。納米尺寸裝置20進(jìn)一步包括位于納米線長(zhǎng)度對(duì)立端部、形成于半導(dǎo)體層22a的平臺(tái)或島22f上的電接觸26。如圖2所示，本實(shí)施方案的納米線24長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于納米線寬度或納米線高度。納米線長(zhǎng)度為基于納米尺寸裝置20預(yù)期用途的設(shè)計(jì)選擇，在此并非限制。然而，通過(guò)增大納米線24的長(zhǎng)度，納米線表面積伴隨著增大。因此，納米線24越長(zhǎng)，納米線24對(duì)毗鄰裝置20的環(huán)境變化越敏感。因此，根據(jù)實(shí)施方案，圖2所示裝置20可以是檢測(cè)裝置或傳感器20。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米尺寸傳感器30的實(shí)施方案的透視圖，其中該納米尺寸傳感器30在電接觸36之間具有曲折的納米線34。曲折納米線34增大了每單位傳感器面積的納米線表面積，并因此增大相同傳感器復(fù)蓋區(qū)的納米線靈敏度。本實(shí)施方案利用如下方面，即，半導(dǎo)體晶片32、32a具有沿第一方向取向的一組(111)垂直晶面32e和沿第二方向取向的一組(111)垂直晶面32e，這兩組垂直晶面以一定角度間隔而彼此相交(例如夾角為A和B)，還與(110)水平面32d相交。在沿(111)垂直晶面32e對(duì)半導(dǎo)體層32a進(jìn)行濕法化學(xué)刻蝕期間，納米線34的各個(gè)曲折部分34b與兩個(gè)以一定角度間隔的(111)垂直晶面32e對(duì)準(zhǔn)。對(duì)于沿[110]拋光的硅，(111)垂直晶面32e角度間隔約109度和約70度(例如在硅晶體結(jié)構(gòu)中，角度A＝109.47度，角度B＝70.53度)。因此，各個(gè)曲折部分34b沿各個(gè)角方向具有特征性原子級(jí)平滑側(cè)壁34a，使得曲折部分34b可以盡可能小地以納米尺寸分隔開(kāi)而相鄰曲折部分34b之間不短路。
再參考圖2和圖3，電接觸26、36分別形成于半導(dǎo)體層22a、32a的隔離平臺(tái)或島22f、32f上并由該平臺(tái)或島22f、32f支持。各個(gè)電接觸26、36由本領(lǐng)域中已知以及下文中進(jìn)一步描述的導(dǎo)電方法形成，從而提供與納米線24、34的半導(dǎo)體材料的電連接。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米尺寸結(jié)構(gòu)制造方法40的實(shí)施方案的流程圖。制造方法40包括使用化學(xué)刻蝕溶液濕法刻蝕42沿[110]方向拋光的半導(dǎo)體襯底，從而在該半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成44納米線。該刻蝕溶液各向異性地進(jìn)行刻蝕，對(duì)半導(dǎo)體的(111)垂直晶面的刻蝕遠(yuǎn)慢于其(110)水平晶面，使得沿(111)垂直晶面在半導(dǎo)體層內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)深的溝槽。在相鄰溝槽之間是形成的納米線。如前對(duì)結(jié)構(gòu)10和裝置20、30所描述，在方法40中被濕法刻蝕42的半導(dǎo)體襯底可以是半導(dǎo)體層或晶片或者具有該半導(dǎo)體層的絕緣體上半導(dǎo)體晶片。納米線從半導(dǎo)體層內(nèi)某一深度垂直地延伸到該半導(dǎo)體襯底的水平平面表面(110)。在使用絕緣體上半導(dǎo)體晶片的實(shí)施方案中，納米線從該晶片的絕緣體層某一深度垂直地延伸。該納米線具有垂直側(cè)壁，其為半導(dǎo)體層的基本上原子級(jí)平滑的(111)垂直晶面。根據(jù)實(shí)施方案，納米線長(zhǎng)度可相對(duì)地遠(yuǎn)大于其寬度或深度，且另外地，深度可相對(duì)地遠(yuǎn)大于其寬度。然而，納米線的形狀和尺寸取決于所制造的納米尺寸結(jié)構(gòu)的用途。納米線的這種形狀和尺寸由例如所使用的濕法刻蝕42的刻蝕掩模和參數(shù)控制，這在下文中描述。
出于本發(fā)明各種實(shí)施方案的目的，襯底或晶片的半導(dǎo)體材料具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)或閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。因此，如這里所使用的術(shù)語(yǔ)“半導(dǎo)體”被定義為指具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)或閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料。具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料包含但不限于IV族元素，例如硅(Si)和鍺(Ge)，并包含SiGe的化合物半導(dǎo)體。具有閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體包含但不限于III-V族元素，例如鋁、鎵和銦中任何一個(gè)的磷化物、砷化物及碲化物，以及II-VI族元素，例如znS、CdS、CdTe和CdSe。
盡管本文中參考“硅”作為半導(dǎo)體材料，包含“絕緣體上硅”或“SOI”晶片，描述了具體示例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚，如上文定義的任何其他半導(dǎo)體材料可以替代硅，且仍落在本發(fā)明各種實(shí)施方案的范圍之內(nèi)。此外，根據(jù)本文中所揭示的方法，任意其他這種半導(dǎo)體材料的濕法刻蝕42及其他工藝中使用的反應(yīng)物和參數(shù)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的，且無(wú)需過(guò)多實(shí)驗(yàn)可進(jìn)行替代。
更詳細(xì)地提供可用于加工其他半導(dǎo)體材料的材料和工藝的參考文獻(xiàn)包括但不限于Modern GaAs Processing Methods by Ralph E.Williams，Artech House，(1990年7月)、InP-Based Materials andDevicesPhysics and Technology by Osamu Wada(Editor)、HidekiHasegawa(Editor)，Wiley-Interscience，(April 1999)，pp.295-309、InP and Related CompoundsMaterials，Applicationsand Devices(Optoelectronic Properties of Semiconductors andSuperlattices)，M.O.Manasreh(Editor)，Taylor & Francis，(2000年8月1日)、以及Physical Properties of III-VSemiconductor CompoundsInP，InAs，GaAs，GaP，InGaAs，andInGaAsP by Sadao Adachi，Wiley-Interscience，(1992年9月1日)，各個(gè)參考文獻(xiàn)在此引入作為參考。這些及其他參考文獻(xiàn)，例如High-Speed Semiconductor Devices，Edited by S.M.Sze，AWiley-Interscience Publication，John Wiley & Sons，Inc.，1990和S.M.Sze，Physics of Semiconductor Devices，Second Edition，John Wiley & Sons，1981也于此引入作為參考，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地獲得這些參考文獻(xiàn)，因此也可以在此處的實(shí)施方案中使用上文中定義的其他半導(dǎo)體材料而無(wú)需過(guò)多實(shí)驗(yàn)。
可以從位于Golden，CO and Columbia，MD的Isonics Corp.容易獲得沿[110]方向拋光的硅晶片和SOI晶片，該公司的網(wǎng)頁(yè)地址為http://www.isonics.com。沿[110]方向拋光的硅晶片和SOI晶片的另一個(gè)來(lái)源為SOITEC USA Inc.，Peabody，MA，該公司的網(wǎng)頁(yè)地址為ht tp://www.soitec.com?？梢詮倪@些來(lái)源或者本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他來(lái)源獲得沿[110]方向拋光的其他上述半導(dǎo)體材料的晶片。
通過(guò)將硅層的(110)水平平面表面暴露于刻蝕溶液，例如氫氧化鉀(KOH)溶液、乙二胺磷苯二酚(ethylene diamine pyrocatechcol、EDP)溶液、四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液，由此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硅層的濕法刻蝕42，其中各種溶液沿(111)垂直面各向異性刻蝕硅。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用刻蝕掩模，采用包括約44重量百分比(wt％)氫氧化鉀，其余為水的刻蝕溶液(KOH-H2O)，在約120攝氏度(℃)的溫度下刻蝕硅，刻蝕速率約7μm/min。根據(jù)實(shí)施方案，刻蝕溫度范圍為約室溫或約25℃至約150℃。此外，根據(jù)實(shí)施方案，KOH溶液的濃度范圍可以為約5wt％至約70wt％。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，使用刻蝕掩模，采用包括約500mlNH2(CH2)2NH2約88g C2H4(OH)2約234ml H2O的EDP刻蝕溶液，在約110℃的溫度下刻蝕硅。在又一個(gè)實(shí)施方案中，使用刻蝕掩模，采用四甲基氫氧化銨(TMAH)的刻蝕溶液刻蝕硅。TMAH使得可以使用與KOH刻蝕溶液所使用的刻蝕掩模材料不同的刻蝕掩模材料，如下文所進(jìn)一步描述。
暴露于任何一種這些刻蝕溶液，各向異性地除去硅材料，從而在硅層內(nèi)形成由刻蝕掩模定義的溝槽。例如，諸如KOH、EDP或TMAH的刻蝕溶液侵蝕或刻蝕硅襯底內(nèi)(111)垂直面的速率比刻蝕其他面例如(110)水平面的速率慢一百倍。因此，當(dāng)通過(guò)刻蝕掩?？涛g沿[110]方向拋光的硅層時(shí)，可以產(chǎn)生深度/寬度縱橫比幾乎為100∶1的相對(duì)深的窄溝槽。
此外，調(diào)整刻蝕時(shí)間以及溶液濃度與溫度，有利于到達(dá)目標(biāo)深度。對(duì)于大多數(shù)實(shí)施方案，在硅層被刻蝕至SOI晶片的絕緣體層時(shí)，即獲得目標(biāo)深度。絕緣體層通常為例如二氧化硅材料或氮化硅材料。絕緣體層作為“終止層”以減緩或者基本上阻止KOH、EDP或TMAH的進(jìn)一步各向異性刻蝕，因?yàn)檫@些刻蝕溶液相對(duì)于硅刻蝕而言都不會(huì)有效地刻蝕二氧化硅或氮化硅。
在另一個(gè)示例中，使用比例約1∶1∶100的H2SO4∶H2O2∶H2O溶液，可以沿(111)垂直面刻蝕GaAs化合物半導(dǎo)體(III-V族閃鋅礦化合物半導(dǎo)體)(例如見(jiàn)S.Hirose等人，Appl.Phys.Letts.74(1999)964-966，該文獻(xiàn)在此引入作為參考)。此外，在此處所述各種實(shí)施方案的范圍之內(nèi)，對(duì)于例如III-V族化合物半導(dǎo)體的某些半導(dǎo)體晶片，可以使用干法和濕法刻蝕工藝的組合。例如，可以使用垂直干法刻蝕(例如RIE)并隨后通過(guò)濕法刻蝕以平滑干法刻蝕的表面，由此獲得(111)垂直面。
相對(duì)于使用傳統(tǒng)干法化學(xué)刻蝕工藝刻蝕的垂直側(cè)壁，根據(jù)方法40形成的納米線的垂直側(cè)壁具有原子級(jí)平滑表面。相對(duì)于使用傳統(tǒng)干法化學(xué)刻蝕工藝?yán)鏡IE刻蝕的半導(dǎo)體，在一些實(shí)施方案中濕法刻蝕42的半導(dǎo)體層進(jìn)一步具有減少的晶體結(jié)構(gòu)損傷。與上述傳統(tǒng)方法制造的納米尺寸結(jié)構(gòu)相比，使用本發(fā)明方法制造的最終納米尺寸結(jié)構(gòu)更可靠且耐久。
在方法40期間可在晶片內(nèi)濕法刻蝕42的納米線的數(shù)目取決于待制造的最終納米尺寸結(jié)構(gòu)，在此不應(yīng)理解為是限制。所獲得的最終納米尺寸結(jié)構(gòu)受到刻蝕能力和/或所使用的光刻技術(shù)以及另外的半導(dǎo)體內(nèi)(111)垂直晶面的原子間距中的一個(gè)或多個(gè)限制。
濕法刻蝕42包括使用具有待刻蝕圖案的刻蝕掩模掩蔽(110)水平表面。在一些實(shí)施方案中，掩模材料沉積和/或生長(zhǎng)在晶片的(110)水平表面上。典型的掩模材料為半導(dǎo)體材料的熱氧化物層，例如示范性的硅晶片或SOI晶片上的二氧化硅層。當(dāng)使用KOH刻蝕溶液時(shí)，二氧化硅作為刻蝕掩模材料可以起到很好的效果。根據(jù)通過(guò)加熱的已知技術(shù)，且在一些實(shí)施方案中出于方法40的目的而在受控氣氛中引入氧氣，二氧化硅熱氧化物層可生長(zhǎng)在該示范性晶片的(110)水平表面上。備選地或者另外地，使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)在例如約400℃下，氧化物層可沉積在硅上。與例如PECVD氧化物層相比，熱氧化物層對(duì)KOH濕法刻蝕溶液的阻擋作用更大。
在其他實(shí)施方案中，掩模層選自氧化物材料、聚合物材料和復(fù)合材料，其中這些材料抵抗各向異性刻蝕半導(dǎo)體晶片所使用的刻蝕劑溶液的侵蝕。例如，在硅或SOI晶片的刻蝕期間，該氧化物、聚合物或復(fù)合掩模層將抵抗KOH、EDP和TMAH中一個(gè)或多個(gè)的侵蝕。掩模材料對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的，使得無(wú)需過(guò)多實(shí)驗(yàn)即可確定特定刻蝕溶液使用的掩模材料。例如使用已知技術(shù)，可以將氧化物、聚合物或復(fù)合掩模層通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂敷而沉積或涂敷到(110)水平表面上。相對(duì)于常規(guī)地通過(guò)金屬刻蝕掩模而干法化學(xué)刻蝕的半導(dǎo)體層，使用濕法刻蝕42以及任一這些掩模層材料替代金屬刻蝕掩模可以減小(如果沒(méi)有顯著消除)該半導(dǎo)體層的金屬離子污染。
一旦生長(zhǎng)和/或沉積之后，該掩模層被圖案化以用作對(duì)半導(dǎo)體晶片的后續(xù)濕法刻蝕42的刻蝕掩模，以形成納米結(jié)構(gòu)。如此處使用的“圖案化”或“圖案化的”是指例如定義和產(chǎn)生最終圖案，或者在掩模層中定義和產(chǎn)生的最終圖案。因此，“圖案化”或“圖案化的”不限于用于如此定義和產(chǎn)生這種最終圖案的任意工藝。具體而言，在一些實(shí)施方案中，圖案化掩模層可包括任何技術(shù)，包括但不限于例如光學(xué)光刻、壓印光刻和電子束光刻，連同涂敷抗蝕劑(例如光敏抗蝕劑)或相似掩模材料或掩模工藝，或者離子研磨。通過(guò)這種圖案化，例如通過(guò)干法和濕法化學(xué)刻蝕之一或二者兼有，選擇性地或者無(wú)選擇性地除去一部分掩模層。在一些實(shí)施方案中，在掩模層中刻蝕圖案可以采用干法化學(xué)工藝，例如但不限于使用等離子體(例如RIE)或者離子束。
例如，RIE可用于選擇性刻蝕掩模層。在使用熱氧化物掩模層的一些實(shí)施方案中，使用本領(lǐng)域已知的傳統(tǒng)光學(xué)光刻技術(shù)在示范性氧化物掩模層上圖案化光敏抗蝕劑掩模。隨后，例如在RIE中使用三氟甲烷(CHF3)和氬氣(Ar)氣體，通過(guò)該光敏抗蝕劑掩模圖案化該氧化物掩模層。一旦使用RIE圖案化該氧化物掩模層，則使用已知技術(shù)除去該光敏抗蝕劑掩模。
選擇性除去部分掩模層(即，圖案化)產(chǎn)生用于半導(dǎo)體晶片隨后工藝42的刻蝕掩模。該刻蝕掩模暴露半導(dǎo)體晶片或襯底的底下(110)水平表面的選定部分，而未暴露其他部分或者保護(hù)其他部分從而沒(méi)有濕法刻蝕42半導(dǎo)體晶片。刻蝕掩模定義的掩模邊緣確定(110)水平表面上的位置，其中納米線側(cè)壁將在這些位置被刻蝕42到半導(dǎo)體晶片內(nèi)。具體而言，刻蝕掩模的邊緣沿晶片的一個(gè)或多個(gè)(111)垂直晶面與(110)水平表面的交線布置或者與其對(duì)準(zhǔn)。隨后如前所述沿刻蝕掩模的邊緣、沿著(111)垂直面從暴露的(110)表面部分，濕法刻蝕42該晶片。濕法刻蝕工藝的另外信息和闡述，見(jiàn)例如共同待審的專(zhuān)利申請(qǐng)M.SaifIslam等于2004年4月16提交的No.10/826,056，題為″Apparatusfor Imprinting Lithography and Fabrication Thereof″， 與此引入作為參考。
濕法刻蝕的半導(dǎo)體晶片基本上具有平行的溝槽，各個(gè)溝槽具有側(cè)壁和底部。溝槽側(cè)壁為所形成的納米線的(111)垂直平面?zhèn)缺凇喜蹖⒓{米線與半導(dǎo)體晶片中刻蝕的相鄰或平行結(jié)構(gòu)例如其他納米線分離，使得該溝槽具有介于溝槽側(cè)壁之間的寬度或間距。使用絕緣體上半導(dǎo)體晶片時(shí)，溝槽底部為該絕緣體上半導(dǎo)體晶片的絕緣體層。該溝槽底部的絕緣體層將納米線與平行或相鄰的納米結(jié)構(gòu)電隔離。溝槽底部相對(duì)于溝槽垂直側(cè)壁是近似水平的或者橫向延伸。由于晶片的絕緣體層，該溝槽底部基本上為平面。當(dāng)使用半導(dǎo)體晶片時(shí)，溝槽底部為晶片的半導(dǎo)體材料。使用更寬的溝槽以增大相鄰納米線或其他納米結(jié)構(gòu)之間的間距，可以實(shí)現(xiàn)電隔離。相對(duì)于絕緣體上半導(dǎo)體晶片的平面溝槽底部，半導(dǎo)體晶片中溝槽底部近似為V形或U形。
當(dāng)濕法刻蝕42完成時(shí)，除去刻蝕掩模。例如，根據(jù)除去氧化物的已知技術(shù)，使用氫氟酸(HF)除去熱氧化物刻蝕掩模。
圖1A、1B和1C示出了根據(jù)方法40的一些實(shí)施方案完成濕法刻蝕42之后可獲得的所形成44的納米線結(jié)構(gòu)。納米線寬度和溝槽寬度基本上規(guī)定了相鄰或平行納米尺寸結(jié)構(gòu)的節(jié)距。在一些實(shí)施方案中，相鄰納米線的節(jié)距范圍為例如約10nm至約200μm。圖1A、1B和1C還示出了取決于晶片類(lèi)型的各個(gè)溝槽底部的相對(duì)形狀。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米尺寸裝置制造方法的實(shí)施方案的流程圖。納米尺寸裝置制造方法50包括濕法刻蝕52絕緣體上半導(dǎo)體晶片的半導(dǎo)體層。制造方法50類(lèi)似于上述納米尺寸結(jié)構(gòu)制造方法40，不同之處為，濕法刻蝕52半導(dǎo)體層從而形成54納米線以及該納米線對(duì)立端部的半導(dǎo)體島或平臺(tái)。在一些實(shí)施方案中，該半導(dǎo)體島與納米線同時(shí)形成。換而言之，與濕法刻蝕52納米線同時(shí)發(fā)生的是在半導(dǎo)體層內(nèi)濕法化學(xué)刻蝕52該半導(dǎo)體島。通過(guò)使用包含島并具有納米線圖案的刻蝕掩模圖案，由此實(shí)現(xiàn)同時(shí)形成54半導(dǎo)體島和納米線。在一些實(shí)施方案中，可以沿(111)垂直晶面與納米線一起形成半導(dǎo)體島，還可以沿與納米線(111)垂直面相交的(111)垂直晶面形成半導(dǎo)體島，如參考圖3的進(jìn)一步描述。在其他實(shí)施方案中，與納米線分離地形成54半導(dǎo)體島。這種分離的形成54使得，如果需要?jiǎng)t可以使用相對(duì)于形成54納米線的濕法刻蝕工藝52不同的刻蝕掩模和/或不同刻蝕工藝或刻蝕材料。
半導(dǎo)體島實(shí)際上為用于與納米線電連接的支持。納米尺寸裝置制造方法50進(jìn)一步包括在半導(dǎo)體島的(110)水平表面上沉積56導(dǎo)電材料，以形成與半導(dǎo)體納米線各個(gè)端部的電連接。導(dǎo)電島為用于測(cè)量或監(jiān)控納米線的電學(xué)或物理特性的基本上隔離的電接觸或焊盤(pán)。在一些實(shí)施方案中，例如可以通過(guò)濺射、蒸鍍、化學(xué)氣相沉積和分子束外延中的一種或多種實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電材料的沉積56。可以用于形成電接觸的導(dǎo)電材料包含但不限于金、銀、鋁、銅、鉑、鎳和金屬-半導(dǎo)體合金中的一種或多種。對(duì)于硅或SOI晶片，金屬硅化物合金包含但不限于硅化鈦可用于形成該電接觸。備選地，導(dǎo)電非金屬材料，包含但不限于重?fù)诫s多晶硅也可以用于該電接觸。使用CVD或電子束蒸鍍，隨后進(jìn)行熱退火，可將這些非金屬沉積在島的表面上。此外，可以使用快速熱處理和退火，將金沉積在GaAs半導(dǎo)體材料上。用于形成導(dǎo)電島的上述沉積工藝和材料以及使用光刻進(jìn)行圖案化的方法或者其他圖案化技術(shù)，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易設(shè)想的是這些技術(shù)和其他材料及處理落在本發(fā)明實(shí)施方案的范圍之內(nèi)。
在一些實(shí)施方案中，方法50用于制造納米尺寸裝置20、30，如圖2和3所示。所制造的納米尺寸裝置可用于許多用途。根據(jù)納米線特性，可以測(cè)量或監(jiān)控對(duì)環(huán)境的電學(xué)響應(yīng)和物理響應(yīng)之一或者二者及其變化，并將這些響應(yīng)和變化與待檢測(cè)或探測(cè)的多種環(huán)境條件相關(guān)聯(lián)。此外，該納米尺寸裝置可作為例如開(kāi)關(guān)、二極管、放大器或者電子電路的元件。
在其他實(shí)施方案中，所制造的納米尺寸裝置為納米二極管。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米pn二極管陣列60的實(shí)施方案的透視圖。納米pn二極管陣列60包括沿[110]方向拋光的半導(dǎo)體襯底62。半導(dǎo)體襯底62為上文定義的絕緣體上半導(dǎo)體晶片，其中二極管陣列60形成于晶片62的半導(dǎo)體層62a內(nèi)，該半導(dǎo)體層62a位于晶片62的絕緣體層62b和支持層62c上。
納米pn二極管陣列60進(jìn)一步包括半導(dǎo)體層62a內(nèi)的一組第一納米電極64。該第一納米電極64基本上為納米線，例如如前所述的納米尺寸結(jié)構(gòu)10或納米尺寸裝置20的納米線14、24。第一納米電極64組毗鄰晶片62的絕緣體層62b。該組的各個(gè)第一納米電極64與相鄰的第一納米電極64分隔開(kāi)或者電隔離。第一納米電極64的長(zhǎng)度大于寬度或高度，在圖6中相互平行地取向。此外，第一納米電極64具有垂直側(cè)壁64a，該垂直側(cè)壁為半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)中第一組(111)垂直晶面的(111)垂直晶面。第一納米電極64在半導(dǎo)體層62a內(nèi)沿半導(dǎo)體層62a的第一組(111)垂直面被濕法化學(xué)刻蝕。因此，第一納米電極64的垂直側(cè)壁64a至少由于該濕法化學(xué)刻蝕而成為原子級(jí)平滑或平面，使得第一納米電極64可以緊密排列而沒(méi)有發(fā)生電學(xué)短路。
相對(duì)于通過(guò)干法化學(xué)刻蝕例如使用RIE的納米尺寸結(jié)構(gòu)，第一納米電極64具有更平滑的垂直側(cè)壁。此外，相對(duì)于使用干法化學(xué)刻蝕所刻蝕的納米結(jié)構(gòu)，第一納米電極64具有更少的晶體損傷。另外，相對(duì)于常規(guī)使用干法化學(xué)刻蝕和金屬掩模的納米結(jié)構(gòu)，第一納米電極64具有更少的金屬離子污染。
第一納米電極64為重?fù)诫s半導(dǎo)體，使得第一納米電極64相對(duì)于非重?fù)诫s的(即，輕摻雜，摻雜，或者不摻雜的)半導(dǎo)體具有更好的導(dǎo)電性。在一些實(shí)施方案中，第一納米電極64重?fù)搅薾導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜劑。在其他實(shí)施方案中，第一納米電極64重?fù)搅藀導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜劑。p或n導(dǎo)電類(lèi)型以及產(chǎn)生重?fù)诫s半導(dǎo)體的摻雜劑濃度，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的。例如，重?fù)诫s半導(dǎo)體的摻雜劑濃度范圍為約1018/cm3至約1021/cm3。
納米pn二極管陣列60進(jìn)一步包括垂直毗鄰第一納米電極64的一組納米pn結(jié)66。如圖6所示，各個(gè)第一納米電極64具有垂直毗鄰(或者堆疊于)電極64的水平表面64b的一組納米pn結(jié)66。該組納米pn結(jié)66具有平行的第一垂直側(cè)壁66a，該第一垂直側(cè)壁66a共用與第一納米電極64的垂直側(cè)壁的(111)垂直面相同的第一組(111)垂直面。該組納米pn結(jié)66進(jìn)一步具有沿垂直面的對(duì)立第二垂直側(cè)壁66b，該第二垂直側(cè)壁與第一組(111)垂直面相交。
在一些實(shí)施方案中，對(duì)立的第二垂直側(cè)壁66b為半導(dǎo)體62a材料的第二組(111)垂直晶面的平行的(111)垂直面。第二組(111)垂直面與第一組(111)垂直面相交形成角度，例如先前結(jié)合圖3所述的角度A和B。對(duì)于硅半導(dǎo)體，這種相交的(111)垂直面的夾角為約109度(角A)和約70度(角B)。使用類(lèi)似于垂直側(cè)壁66a的濕法化學(xué)刻蝕形成這種平行的垂直側(cè)壁66b，這將在下文中結(jié)合制造方法70進(jìn)一步描述。
在其他實(shí)施方案中，對(duì)立的第二垂直側(cè)壁66b毗鄰第二組(111)垂直晶面的(111)垂直面。使用干法刻蝕工藝形成這些其他實(shí)施方案的垂直側(cè)壁66b，這在下文中結(jié)合制造方法70進(jìn)一步描述。結(jié)果，如前所述，各個(gè)納米pn結(jié)66具有兩對(duì)對(duì)立的垂直側(cè)壁66a、66b。
如圖6所示，各組納米pn結(jié)66看上去垂直地堆疊在各個(gè)第一納米電極64上。僅僅出于簡(jiǎn)化的目的，各個(gè)第一納米電極64可稱(chēng)為該納米pn二極管陣列60的“列”，納米電極64上各個(gè)納米pn結(jié)66在此可稱(chēng)為與納米pn二極管陣列60的列相交的“行”。
由于該濕法化學(xué)刻蝕，納米pn結(jié)66組具有至少原子級(jí)平滑的垂直側(cè)壁66a。根據(jù)實(shí)施方案，垂直側(cè)壁66b也可以是原子級(jí)平滑的。至少經(jīng)過(guò)濕法刻蝕，原子級(jí)平滑或者平面的(111)垂直側(cè)壁66a使這種pn結(jié)66較干法化學(xué)刻蝕常規(guī)形成的納米pn結(jié)更為平滑和平整。此外，相對(duì)于使用傳統(tǒng)干法化學(xué)刻蝕和金屬刻蝕掩模形成的pn結(jié)，該納米pn結(jié)66組還具有減少的晶體損傷和很少的金屬離子污染。
該組的各個(gè)納米pn結(jié)66包括直接毗鄰第一納米電極64水平表面64b的第一結(jié)層66c。該第一結(jié)層66c摻雜了與第一納米電極64相同的導(dǎo)電類(lèi)型。該組的各個(gè)納米pn結(jié)66還包括毗鄰垂直疊層內(nèi)第一結(jié)層66c的第二結(jié)層66d，該第二結(jié)層66d摻雜了相反的導(dǎo)電類(lèi)型。例如，當(dāng)?shù)谝患{米電極64重?fù)诫sn型摻雜劑時(shí)，第一結(jié)層66c也可以重?fù)诫s或者輕摻雜n型摻雜劑。第二結(jié)層66d輕摻雜p型摻雜劑。在一些實(shí)施方案中，第一結(jié)層66c的摻雜劑濃度范圍為約5×1015/cm3至約1018/cm3。第二結(jié)層66d的摻雜劑濃度范圍為約5×1015/cm3至約1018/cm3。在此提供這些摻雜劑濃度范圍作為非限制性的示例。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知獲得不同導(dǎo)電水平的摻雜濃度。所有這些摻雜濃度落在本發(fā)明實(shí)施方案的范圍之內(nèi)。
納米pn二極管陣列60進(jìn)一步包括介于相同行的相鄰納米pn結(jié)66之間(即，介于各個(gè)納米pn結(jié)66行的納米線列之間)的間隔65內(nèi)的不導(dǎo)電支持材料，其中該不導(dǎo)電支持材料從絕緣體層62b延伸至近似接近納米pn結(jié)66的高度。在一些實(shí)施方案中，該不導(dǎo)電的支持材料還可介于納米線行之間，其中該材料從絕緣體層62b延伸到低于第一和第二納米pn結(jié)層66c、66d之間的界面和結(jié)(未示出)的高度。該不導(dǎo)電支持材料選自晶片62的半導(dǎo)體材料的氧化物或氮化物，或者為具有足夠剛性至少在陣列60的納米pn二極管工作溫度范圍內(nèi)可作為支持材料的不導(dǎo)電聚合物或復(fù)合材料。對(duì)于SOI晶片，該不導(dǎo)電支持材料包含但不限于例如，二氧化硅、氮化硅、玻璃和苯并環(huán)丁烷(BCB)聚合物中的一種。
在一些實(shí)施方案中，納米pn二極管陣列60還可包括納米pn結(jié)66上的可選材料層67，該材料層67垂直毗鄰與第一結(jié)層66c對(duì)立的第二結(jié)層66d。在納米pn二極管陣列60的一些實(shí)施方案中包含該可選層67，從而調(diào)整或者增強(qiáng)陣列60的二極管的工作。圖6示范性但非限制性地示出了該可選層67。
可選層67可包括開(kāi)關(guān)分子，例如USPN 6,459,095 B1中描述的電學(xué)可尋址分子物種，該專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)诖巳恳胱鳛閰⒖?。還可見(jiàn)例如Yong Chen等，″Nanoscale Molecular-Switch DevicesFabricated by Imprint Lithography″，Applied Physics Letters，Vol.82，No.10，(10 Mar.2003)pp.1610-1612，其全文也在此全部引入作為參考。
納米pn二極管陣列60進(jìn)一步包括與納米pn結(jié)66的水平表面相鄰的第二納米電極68組。在還包含可選層67的實(shí)施方案中，層67位于結(jié)66水平表面和第二納米電極68組之間。該組的第二納米電極68包括導(dǎo)電材料的伸長(zhǎng)的條或棒，沿納米pn二極管陣列60內(nèi)pn結(jié)66的“行”延伸。在一些實(shí)施方案中，第二納米電極68沿與第一納米電極64成夾角B的方向延伸。各個(gè)第二納米電極68基本上跨過(guò)沿納米pn結(jié)66各行的該組的第一納米電極64。列間各行的間隔65內(nèi)不導(dǎo)電支持材料，在電極68實(shí)際上橋架在一行內(nèi)相鄰納米pn結(jié)66的區(qū)域中，物理上支持第二納米電極68組。在一些實(shí)施方案中，第二納米電極68由金屬材料制成，例如鋁、金、銀、銅、鉑和鎳中的一種或多種，或者是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以獲得的其他金屬。對(duì)于硅半導(dǎo)體，例如可以備選地使用硅化鈦合金。在其他實(shí)施方案中，由提供導(dǎo)電的非金屬制成第二納米電極68。對(duì)于硅半導(dǎo)體，例如可以使用諸如重?fù)诫s多晶硅材料的非金屬。
第二納米電極68組縱橫布置，嵌入的第一納米電極64組納米線可從外部訪問(wèn)，從而每次可尋址(例如通過(guò)列和行)納米pn二極管陣列60內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)單一納米pn結(jié)66。納米pn二極管陣列60可進(jìn)一步包括導(dǎo)電跡線或引線(即引腳)，其分別連接到第一納米電極64和第二納米電極68的各個(gè)端部64c、68c或者與它們連續(xù)。導(dǎo)電跡線或引線從二極管陣列60向外延伸，用于探測(cè)或?qū)ぶ逢嚵?0的選定納米pn結(jié)66。
由于半導(dǎo)體內(nèi)p層和n層太薄，傳統(tǒng)納米pn二極管趨于具有低的裝置性能。由于傳統(tǒng)制造技術(shù)，p層和n層傳統(tǒng)上無(wú)法制作得足夠厚以改善裝置性能。包括RIE、金屬刻蝕掩模、使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的平整化等的傳統(tǒng)工藝，使得使用更厚的p層和n層進(jìn)行制造變得極具挑戰(zhàn)性。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案，沿半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)的(111)垂直晶面濕法化學(xué)刻蝕的沿[110]方向拋光的半導(dǎo)體材料，改善了裝置性能和可靠性，另外還使其相對(duì)于傳統(tǒng)納米pn二極管來(lái)講更容易制造。例如，p層和n層足夠厚以實(shí)現(xiàn)二極管更佳的性能和質(zhì)量，而pn結(jié)的寬度(即，納米線的寬度)遠(yuǎn)小于厚度。此外，濕法化學(xué)刻蝕的半導(dǎo)體材料提供了為(111)垂直面的原子級(jí)平滑垂直側(cè)壁。因此，pn結(jié)和電極在二極管陣列60中可以更接近地獨(dú)立布置，同時(shí)避免電學(xué)短路。另外，這種濕法化學(xué)刻蝕半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)然不會(huì)受使用RIE的干法化學(xué)刻蝕的損傷。此外，這種濕法化學(xué)刻蝕半導(dǎo)體當(dāng)然不會(huì)受到RIE期間金屬刻蝕掩模的金屬離子污染。與傳統(tǒng)納米pn二極管相比，本發(fā)明的納米pn二極管陣列60從性能的角度而言更為可靠，結(jié)構(gòu)上更可靠，且還更容易制造。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的納米pn二極管陣列制造方法70的實(shí)施方案的流程圖。該制造方法70包括沿第一組(111)垂直晶面來(lái)濕法刻蝕72沿[110]方向拋光的絕緣體上半導(dǎo)體晶片的摻雜半導(dǎo)體層。該絕緣體上半導(dǎo)體晶片包括摻雜半導(dǎo)體層、內(nèi)部絕緣體層和晶片的其余或支持層。摻雜半導(dǎo)體層從(110)水平平面表面濕法刻蝕72至絕緣體層。濕法刻蝕72的結(jié)果為，形成了一組分隔的平行的納米線，其高度等于該半導(dǎo)體層的厚度。該組的各個(gè)納米線具有平行的垂直側(cè)壁，該垂直側(cè)壁為第一組的(111)垂直面。各個(gè)納米線的寬度和節(jié)距在納米尺寸范圍是彼此獨(dú)立的。
該摻雜半導(dǎo)體層包括該半導(dǎo)體層的最內(nèi)部子層、該半導(dǎo)體層的中間子層、以及毗鄰該中間子層的外部子層。最內(nèi)部子層毗鄰晶片的絕緣體層，并具有第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一摻雜劑濃度。該中間子層毗鄰最內(nèi)部子層，并具有第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二摻雜劑濃度。該外部子層具有第二導(dǎo)電類(lèi)型的第三摻雜劑濃度。第一摻雜劑濃度范圍為約1018/cm3至約1021/cm3，或者本領(lǐng)域技術(shù)人員理解為等效于重?fù)诫s半導(dǎo)體的其他濃度。在一些實(shí)施方案中，第二摻雜劑濃度可以是“重?fù)诫s的”或者基本上等于第一摻雜劑濃度。
在一些實(shí)施方案中，可以購(gòu)買(mǎi)根據(jù)上述描述預(yù)先摻雜的絕緣體上半導(dǎo)體晶片。在其他實(shí)施方案中，方法70進(jìn)一步包括使用本領(lǐng)域中已知的標(biāo)準(zhǔn)摻雜技術(shù)摻雜該半導(dǎo)體層，例如離子注入硼或磷。
再次參考圖7，制造方法70進(jìn)一步包括將該納米線組嵌入或封裝74到封裝材料。封裝74包括涂敷封裝劑和沿平行的水平面除去該封裝劑，直到該組納米線的(110)水平表面被暴露。所涂敷的封裝劑填充該組的相鄰平行納米線之間。該封裝劑在后續(xù)工藝期間保護(hù)納米線，并進(jìn)一步提供了對(duì)二極管陣列外部電極的支持功能，如下文進(jìn)一步描述。該封裝劑在固態(tài)或固化形式時(shí)具有足夠的剛性，并在后續(xù)工藝期間以及二極管陣列工作的溫度范圍內(nèi)保持剛性。
根據(jù)封裝劑材料和實(shí)施方案，可以使用例如CVD或PECVD在表面上生長(zhǎng)或沉積，或者在該表面上旋涂該封裝劑。涂敷技術(shù)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的。封裝劑材料包括但不限于氧化物材料、氮化物材料、復(fù)合材料和聚合物材料。玻璃上旋涂和苯并環(huán)丁烷(BCB)為可用作封裝劑的一些材料的示例。對(duì)于絕緣體上硅晶片，二氧化硅或氮化硅還可用作封裝劑材料。
在一些實(shí)施方案中，根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的技術(shù)，使用化學(xué)拋光和機(jī)械拋光之一或二者以沿平行于(110)水平面的水平面除去該封裝劑，直到納米線的(110)水平表面被暴露。在其他實(shí)施方案中，使用已知技術(shù)回刻蝕封裝劑以暴露納米線的(110)水平表面。該組納米線的(110)水平表面被暴露用于后續(xù)工藝，如下文所述。
在一些實(shí)施方案中，制造方法70可進(jìn)一步包括將材料層涂敷到嵌入納米線的(110)水平表面，以改變、調(diào)整或增強(qiáng)該陣列的二極管的功能或工作。例如但非限制性的，可以使用上文結(jié)合USPN 6,459,095 B1所述的開(kāi)關(guān)分子。在二極管陣列中使用材料層對(duì)于方法70是可選的。根據(jù)實(shí)施方案，該可選材料可以被涂敷在暴露的(110)水平表面上成為L(zhǎng)angmuir-Blodgett膜或自組裝單層(SAM)。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知Langmuir-Blodgett膜和SAM沉積或生長(zhǎng)。
再次參考圖7，制造方法70進(jìn)一步包括在嵌入納米線的水平表面上形成76一組外部電極，使得該組的外部電極延伸跨過(guò)納米線之間的封裝劑，從而橋接和接觸該組納米線的暴露(110)水平表面，和/或其上相應(yīng)的可選材料(如果包含該可選材料)?？梢允褂帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員已知或可獲得的任何技術(shù)用于在表面上涂敷、生長(zhǎng)或沉積及圖案化導(dǎo)電材料，由此形成76該外部電極組，最終提供一組分隔的電極橫條(代表行)，該電極橫條與沿納米線長(zhǎng)度方向的嵌入納米線組(代表列)相交。這些技術(shù)包含但不限于例如蒸鍍、濺射、CVD、PECVD、電子束、SAM生長(zhǎng)或者此處提到的其他選擇性或非選擇性沉積技術(shù)，以及用于圖案化的任何可使用的光刻工藝。
制造方法70進(jìn)一步包括使用該電極橫條組為掩模來(lái)刻蝕78封裝納米線，從而在行的電極橫條與列的納米線交叉位置的納米線上形成pn二極管。各個(gè)二極管分別具有由嵌入納米線的一部分形成的pn結(jié)。如前所述，形成各個(gè)二極管的pn結(jié)的納米線部分包括摻雜半導(dǎo)體層的外部子層和中間子層。
在一些實(shí)施方案中，使用干法化學(xué)刻蝕工藝基本上同時(shí)刻蝕78電極橫條行之間的納米線半導(dǎo)體材料與封裝劑，從而形成二極管。可以使用RIE或本領(lǐng)域中已知的其他干法刻蝕技術(shù)進(jìn)行該刻蝕。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，使用濕法化學(xué)刻蝕工藝刻蝕78半導(dǎo)體納米線，而不刻蝕封裝劑。在本實(shí)施方案中，電極橫條和封裝劑基本上提供了用于濕法刻蝕的掩模。上述濕法化學(xué)刻蝕技術(shù)可用于進(jìn)行刻蝕，其附加優(yōu)點(diǎn)為沿著與形成納米線的第一組(111)面相交成夾角的半導(dǎo)體層的第二組(111)垂直面進(jìn)行刻蝕。在濕法刻蝕78以形成根據(jù)本發(fā)明的二極管之后，可以使用濕法刻蝕工藝或者干法刻蝕工藝?yán)鏡IE或其他干法刻蝕工藝，以除去可選地殘留在行之間的封裝劑。因此，濕法刻蝕工藝和干法刻蝕工藝之一或二者可用于選擇性除去行之間的封裝劑和納米線材料。
在刻蝕78形成各個(gè)二極管期間，納米線和封裝劑從電極橫條行之間被至少刻蝕78到，從(110)水平表面測(cè)量的，納米線中間子層和外部子層之間界面以下(即，pn結(jié)以下)的深度。通過(guò)除去行之間的一些封裝劑，封裝材料的任何固有介電特性和/或其他特性并不干擾pn二極管的工作。換而言之，在一些實(shí)施方案中某些數(shù)量的封裝劑會(huì)殘留在pn二極管行之間，但是不足以對(duì)二極管性能產(chǎn)生負(fù)面影響。重要的是，一行內(nèi)pn二極管之間的封裝劑未被除去，使得封裝劑為橋接各行中的電極橫條提供了剛性支持。
納米pn二極管陣列制造方法70提供了pn結(jié)二極管，通過(guò)探測(cè)該陣列的行和列的電極可以訪問(wèn)或?qū)ぶ犯鱾€(gè)pn結(jié)二極管。半導(dǎo)體納米線具有第一摻雜劑濃度的子層，且納米線長(zhǎng)度大于納米線寬度或深度(厚度)。各個(gè)半導(dǎo)體pn結(jié)具有第二摻雜劑濃度的子層和具有第三摻雜劑濃度的子層，這些子層呈疊層關(guān)系。各個(gè)pn結(jié)為半導(dǎo)體納米線長(zhǎng)度的一小部分，但是寬度近似等于納米線的寬度。
在一些實(shí)施方案中，方法70用于制造圖6所示納米pn二極管陣列60。和使用RIE替代濕法刻蝕的傳統(tǒng)制造方法相比，方法70可以使用更厚的摻雜半導(dǎo)體子層來(lái)制造二極管結(jié)構(gòu)。更厚的子層提供了更加可靠的二極管結(jié)構(gòu)，無(wú)論是結(jié)構(gòu)上還是性能上都更為可靠。此外，在制造二極管期間使用RIE干法刻蝕工藝越少，對(duì)二極管陣列的半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)損傷越少。此外，沿[110]方向拋光半導(dǎo)體的濕法化學(xué)刻蝕如這里所述利用了沿半導(dǎo)體的(111)垂直晶面的各向異性刻蝕的優(yōu)點(diǎn)，并在特定空間內(nèi)提供更致密的密集納米結(jié)構(gòu)而不犧牲裝置可靠性。
在方法70的另一個(gè)實(shí)施方案(未示出)中，濕法刻蝕72摻雜半導(dǎo)體層進(jìn)一步包括在納米線組上形成pn結(jié)垂直柱(pillar)組。沿與第一組(111)面相交的第二組(111)垂直晶面進(jìn)一步濕法刻蝕該半導(dǎo)體層，以形成該pn結(jié)柱。在一些實(shí)施方案中，摻雜半導(dǎo)體層沿第二組(111)面從(110)水平表面被濕法刻蝕至約最內(nèi)部子層和中間子層之間的水平界面。換而言之，該界面定義半導(dǎo)體層內(nèi)從第一摻雜劑濃度到第二摻雜劑濃度發(fā)生摻雜劑濃度變化的位置。在其他實(shí)施方案中，該界面定義摻雜劑濃度從第一摻雜劑濃度改變到第三摻雜劑濃度的位置(例如，第一摻雜劑濃度和第二摻雜劑濃度近似相等的位置)。
可以與刻蝕第一組(111)面同步或者在其之后刻蝕該第二組(111)垂直面。結(jié)果，形成該半導(dǎo)體納米線組，其具有第一組(111)垂直面的平行(111)垂直側(cè)壁，而且在濕法刻蝕72期間，在所形成的納米線的水平表面上形成pn結(jié)垂直柱組。該pn結(jié)柱相互分隔位于各自納米線上，并具有第一組對(duì)立的(111)垂直側(cè)壁對(duì)和第二組對(duì)立的(111)垂直側(cè)壁對(duì)，且在垂直柱的自由端部具有(110)水平表面。
在根據(jù)方法70的該實(shí)施方案的濕法刻蝕72之后，封裝所刻蝕的結(jié)構(gòu)，如前結(jié)合封裝74所述，并進(jìn)一步在其上形成外部電極，如前結(jié)合形成76所述。然而，在本實(shí)施方案中，該外部電極組形成為交叉pn結(jié)垂直柱行以接觸自由端的(110)水平表面，這是因?yàn)樵損n結(jié)柱已經(jīng)形成。此外，在方法70的本實(shí)施方案中，并非刻蝕78外部電極行內(nèi)部的封裝劑和納米線材料以形成二極管，而是出于上述原因僅刻蝕行之間的封裝劑。
結(jié)果，嵌入納米線將相同納米線上的相鄰pn結(jié)柱電連接在一起作為列，且電極橫條將位于相鄰納米線上的相鄰pn結(jié)柱電連接在一起作為行?；ミB的pn結(jié)形成pn二極管陣列，通過(guò)列和行可以訪問(wèn)各個(gè)pn二極管陣列。該實(shí)施方案具有僅使用濕法化學(xué)刻蝕以形成pn二極管陣列的優(yōu)點(diǎn)。可以使用干法刻蝕工藝，但是該工藝限于在形成pn二極管之后除去封裝劑。
因此，已經(jīng)描述了納米尺寸結(jié)構(gòu)、納米尺寸裝置、納米pn二極管及其制造方法的實(shí)施方案。應(yīng)該理解，上述實(shí)施方案純粹是闡述代表本發(fā)明原理的許多具體實(shí)施方案的一部分。顯然，在不背離所附權(quán)利要求書(shū)界定的本發(fā)明范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地構(gòu)思許多其他布置。
權(quán)利要求
1.一種納米尺寸裝置10、20、30、60，包括沿[110]方向拋光的絕緣體上半導(dǎo)體襯底12、22、32、62；具有垂直側(cè)壁14a、22e、34a、64a的半導(dǎo)體納米線14、24、34、64，所述側(cè)壁為沿[110]方向拋光的襯底12、22、32、62的(111)垂直晶面12e、22e、32e、64a，所述(111)垂直側(cè)壁14a、22e、34a、64a從(110)水平表面12d、14b、22d、32d、64b延伸到沿[110]方向拋光的襯底12、22、32、62的絕緣體層12b、22b、32b、62b；以及位于所述納米線14、24、34、64相對(duì)端部的電接觸26、36。
2.如權(quán)利要求1所述的納米尺寸裝置10、20、30、60，其中所述納米線14、24、34、64沿與所述(111)垂直晶面12e、22e、32e、64a平行的方向被各向異性地濕法化學(xué)刻蝕40、42、52、72于[110]方向拋光的襯底12、22、32、62內(nèi)，使得所述(111)垂直側(cè)壁14a、22e、34a、64a基本上是平面的或者原子級(jí)平滑。
3.如權(quán)利要求1至2任何一個(gè)所述的納米尺寸裝置10、20、30、60，其中相對(duì)于通過(guò)干法化學(xué)刻蝕形成的納米線，所述納米線14、24、34、64具有更平滑的垂直側(cè)壁表面14a、22e、34a、64a和減小的晶體結(jié)構(gòu)損傷中的一個(gè)或二者兼有。
4.如權(quán)利要求1至3任何一個(gè)所述的納米尺寸裝置10、20、30、60，其中所述沿[110]拋光的襯底12、22、32、62具有半導(dǎo)體層12a、22a、32a、62a，所述半導(dǎo)體層選自IV族元素的半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體、III-V族元素的化合物半導(dǎo)體以及II-VI族元素的化合物半導(dǎo)體。
5.如權(quán)利要求1至4任何一個(gè)所述的納米尺寸裝置10、20、30、60，其中所述沿[110]拋光的絕緣體上半導(dǎo)體襯底12、22、32、62為沿[110]方向拋光的絕緣體上硅(SOI)晶片。
6.如權(quán)利要求1至5任何一個(gè)所述的納米尺寸裝置30，其中所述納米線34具有沿著所述納米線的長(zhǎng)度、增大納米線34表面積的曲折圖案，以及納米線34內(nèi)對(duì)毗鄰納米線34的刺激響應(yīng)機(jī)制，使用電接觸36可以測(cè)量所述刺激，且其中所述曲折圖案包括納米線34的多個(gè)曲折部分34b，曲折部分34b內(nèi)所述納米線34的垂直側(cè)壁34a包括由第一組(111)垂直晶面和第二組(111)垂直晶面組成的(111)垂直晶面32e，所述第一和第二組以一定角度間隔而相交成角度A、B，所述角度有助于定義所述曲折圖案。
7.如權(quán)利要求1至6任何一個(gè)所述的納米尺寸裝置10、20、30、60，其中所述裝置10、20、30、60選自電子電路的納米元件、納米開(kāi)關(guān)、納米放大器、納米二極管60和納米傳感器。
8.如權(quán)利要求1至7任何一個(gè)所述的納米尺寸裝置10、20、30、60為納米pn二極管60，所述二極管60進(jìn)一步包括垂直堆疊在半導(dǎo)體納米線64上的納米pn結(jié)66，使得納米pn結(jié)66具有共用納米線64的(111)垂直面64a的一對(duì)垂直側(cè)壁66a，所述納米pn結(jié)66還具有(110)水平平面端部；以及沉積在所述納米pn結(jié)66的(110)水平平面端部上的納米電極68。
9.如權(quán)利要求8所述的納米尺寸裝置60，其中所述納米線64具有第一導(dǎo)電類(lèi)型和第一摻雜劑濃度，pn結(jié)66包括毗鄰納米線64并具有第一導(dǎo)電類(lèi)型和第二摻雜劑濃度的第一層66c，以及堆疊在第一層66c上并具有第二導(dǎo)電類(lèi)型和第三摻雜劑濃度的第二層66d。
10.如權(quán)利要求8至9任何一個(gè)所述的納米pn裝置60，其中所述納米電極68為金屬、金屬-半導(dǎo)體合金和摻雜非金屬中的一種，且其中所述二極管60可選地進(jìn)一步包括介于所述pn結(jié)66的(110)水平端部和納米電極68之間的開(kāi)關(guān)材料67。
全文摘要
一種納米尺寸裝置10、20、30、60和制造方法40、50、70提供了具有(111)垂直側(cè)壁14a、22e、34a、64a的納米線14、24、34、64。該納米尺寸裝置包含沿[110]方向拋光的絕緣體上半導(dǎo)體襯底12、22、32、62，該納米線，以及位于納米線24、34對(duì)立端部的電接觸26、36。方法40、50、70包含濕法刻蝕42、52、72該絕緣體上半導(dǎo)體襯底的半導(dǎo)體層12a、22a、32a、62a，以形成44、54在半導(dǎo)體層22a、32a內(nèi)一對(duì)島22f、32f之間延伸的納米線24、34。方法50進(jìn)一步包括在該對(duì)島上沉積56導(dǎo)電材料，以形成電接觸26、36。納米pn二極管60包含作為第一納米電極的納米線64、垂直堆疊在納米線64上的pn結(jié)66、以及在該pn結(jié)的(110)水平平面端部上的第二納米電極68。納米pn二極管60可以制造為絕緣體上半導(dǎo)體襯底62上的二極管陣列。
文檔編號(hào)B81B7/00GK1997588SQ200580023259
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2005年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月9日
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