專利名稱：使用納米壓印和接觸式光刻制備硅納米線晶體管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米壓印技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種使用納米壓印和接觸式光刻兩種圖形化技術(shù)制作硅納米線晶體管的方法。
背景技術(shù)：
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，CMOS集成電路的特征尺寸不斷縮小，芯片器件密度不斷增加。這樣的器件尺寸縮微在提升晶體管速度和降低功耗的同時也帶來了包括短溝道效應(yīng)、單位面積功耗上升在內(nèi)的各種困難。為了克服上述困難，人們提出了基于硅納米線結(jié)構(gòu)的各種固態(tài)開關(guān)器件。如以硅納米線作為溝道的雙柵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)、FinFET結(jié)構(gòu)、和環(huán)柵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)等。然而，為了制備高性能器件，必須要制備非常窄的硅納米線，且溝道的寬度即納米線長度也應(yīng)較小。納米壓印技術(shù)是一種高精度、高產(chǎn)出、低成本的圖形復(fù)制技術(shù)。但是一般而言，極小尺寸的圖形和大尺寸的圖形，如線寬20納米和20微米的圖形，難以通過一次壓印完成。 而接觸式光刻機易于實現(xiàn)大圖形的套準和復(fù)制，且設(shè)備價格低廉，但是由于其大至微米量級的套準精度和最小圖形精度，使之無法用于納米線場效應(yīng)管的關(guān)鍵部分的加工。如果可以將納米壓印技術(shù)和接觸式光刻技術(shù)結(jié)合起來，制作頂柵納米線晶體管結(jié)構(gòu)，包括雙柵/三柵/環(huán)柵晶體管，F(xiàn)inFET，和納米線單電子晶體管/存儲器，則可以大大降低納米線晶體管器件的研究和應(yīng)用門檻，對我國的科研院所和企業(yè)有重大實用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種簡單、方便、高精度制作硅納米線晶體管的方法。本發(fā)明提出的硅納米線晶體管制作方法，是將納米壓印技術(shù)和接觸式光刻技術(shù)結(jié)合起來，制作頂柵納米線晶體管結(jié)構(gòu)，包括雙柵/三柵/環(huán)柵晶體管，F(xiàn)inFET，和納米線單電子晶體管/存儲器，具體步驟如下
(1)選用合適頂層硅厚度，和初始摻雜濃度小于5X1015/cm3的SOI片作為樣品襯底，在襯底上旋涂PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)和SU-8光刻膠；
(2)使用線條陣列圖形的模板對SU-8光刻膠進行壓印，在SU-8光刻膠上形成周期性凹凸的線條圖形；
(3)在經(jīng)上述步驟的樣品表面用PVD(物理氣相淀積)方法定向淀積一層鎳，淀積方向垂直于壓印線條，并與襯底法線方向成一定角度，角度的選取要使淀積的鎳能覆蓋光刻膠表面大部分地方，但沒有覆蓋壓印線條邊緣造成的陰影區(qū)域；
(4)以上述鎳為掩蔽層，用RIE刻蝕光刻膠，掏空上述陰影區(qū)域下的光刻膠；
(5)用PVD方法垂直于樣品表面淀積一層鎳，在硅片上產(chǎn)生鎳線條圖形，該圖形為陰影區(qū)域在SOI硅表面上的投影；
(6)用丙酮和超聲波清洗機對樣品進行剝離，在樣品表面僅留下鎳線條；(7)在樣品表面用PECVD(等離子增強化學氣相淀積)生長一層氮化硅；
(8)在氮化硅上旋涂一層SU-8光刻膠；
(9)對SU-8光刻膠進行壓印，所用模板上的圖形為凸起的溝道和柵電極圖案(均為線條或線條網(wǎng)格)；
(10)用RIE刻蝕樣品，先去除SU-8光刻膠壓印剩余層，再刻蝕暴露出的氮化硅，最后以鎳線條為掩蔽圖形刻蝕硅，形成硅納米線；
(11)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸，去除SU-8光刻膠以及硅納米線上的鎳層；
(12)對樣品進行快速熱氧化，溫度950°C-1050°C，時間200秒至800秒；并用氫氟酸腐蝕去除氧化層，以減小硅納米線的線寬；
(13)再次進行快速熱氧化，溫度950°C-1050°C，時間50秒至300秒，在硅納米線表面生長柵氧；
(14)在樣品表面用PECVD低溫生長重摻雜的非晶硅，非晶硅將填充氮化硅上的溝槽結(jié)構(gòu)(即溝道和柵電極)；
(15)用RIE刻蝕非晶硅，去除氮化硅表面的非晶硅，但氮化硅溝槽仍然保留了部分非晶硅(原理類似CMOS工藝中制作邊墻)；
(16)用熱磷酸去除氮化硅；
(17)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸，以去除SOI表面剩余的鎳線條；
(18)用RTP(快速熱處理)處理樣品，溫度800°C -1000°C，時間10分鐘至60分鐘，使非晶硅晶化成多晶硅；
(19)對樣品進行離子注入，作為源漏摻雜；
(20)高溫快速熱處理樣品，溫度800°C-1000°C，時間10秒至60秒，激活雜質(zhì)；
(21)在樣品表面旋涂一層SU-8光刻膠；
(22)用接觸式光刻定義器件區(qū)域；
(23)腐蝕(干法或者濕法)去除器件區(qū)域之外的硅層；
(24)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸，以去除SU-8光刻膠；
(25)在樣品表面旋涂一層光刻正膠；
(26)用接觸式光刻定義器件的源、漏、柵的金屬電極區(qū)域；
(27)用PVD淀積電極金屬；
(28)用丙酮和超聲波清洗機對樣品進行剝離，去除光刻正膠及其上的金屬；
(29)對樣品退火，溫度為300°C-400°C，時間30分鐘-100分鐘，使源漏柵的硅和金屬間形成歐姆接觸；
(30)用PECVD在樣品表面低溫生長氮化硅，作為器件封裝；
(31)在氮化硅上旋涂光刻正膠；
(32)光刻定義源、漏、柵的電極區(qū)域；
(33)用RIE刻蝕氮化硅，暴露電極區(qū)域的金屬；
(34)用丙酮和超聲波清洗機去除光刻正膠。
本發(fā)明的工藝步驟可以分為四個部分
第一部分，即第1到第6步，為極小線寬納米線圖形的定義利用雙層結(jié)構(gòu)壓印和PVD 定向淀積技術(shù)，在襯底表面制作極小線寬的納米線。納米壓印得到的線條壓痕的陡直側(cè)壁，在高度方向性的斜淀積下會在壓痕底部留下陰影，該陰影的寬度受壓痕深度和斜淀積角度調(diào)節(jié)。該線條狀陰影，通過刻蝕和高度方向性的垂直淀積，可以被轉(zhuǎn)移到SOI襯底表面形成納米線圖形。該方法的優(yōu)點是僅需要線寬比較大的模板(比如一百納米級或微米級線寬)就可以得到極小尺寸的圖形，另外，其線寬可以在很大范圍內(nèi)方便地定量調(diào)節(jié)。實驗證實，該方法能夠得到20納米左右線寬的納米線圖形。第二部分，即第7到第13步，為溝道區(qū)域的定義和溝道區(qū)域硅納米線的形成這里使用不需套準的納米壓印(僅需使溝道線條基本垂直于前面制作的鎳納米線條)壓出溝道和柵電極圖形。需要注意的是柵電極圖形并非一個整塊，而是由與溝道寬度相當?shù)木€條構(gòu)成的網(wǎng)格狀圖形。此后用RIE刻蝕樣品，去除溝道區(qū)域的氮化硅。在溝道區(qū)域內(nèi)，以前面制作的鎳線條為掩蔽層用RIE刻蝕硅，得到硅納米線(該過程僅在溝道內(nèi)進行)。通過氧化后再用氫氟酸腐蝕的方式可以容易地將20納米左右線寬的硅納米線減薄到10納米左右。這樣寬度的納米線可以構(gòu)成FinFET或單電子晶體管的器件溝道部分。第三部分，即第14步到第21步，為硅源、漏、柵的制作在多晶硅柵制作中使用了自對準工藝由于CVD有比較好的保形性和填充性，溝道區(qū)域和柵電極(均為納米線條或是其構(gòu)成的網(wǎng)裝結(jié)構(gòu))溝槽會被填充上比其他平面區(qū)域厚得多的非晶硅層，可以用RIE刻蝕一定厚度的非晶硅，只留下溝道區(qū)域和柵電極的非晶硅。在去掉鎳線條之后可以用RTP處理樣品使非晶硅晶化成多晶硅。此后以重摻雜的多晶硅為掩蔽層，低能離子注入硼離子，并 RTP激活雜質(zhì)。第四部分，即第22步到第34步，是常規(guī)的光刻和PVD制作電極，并用氮化硅進行器件封裝的工藝。本方法在工藝流程第一部分采用納米壓印和斜淀積的方法制作極小尺寸的納米線條，第二部分采用不需套準的納米壓印做溝道，第三部分采用自對準工藝和邊墻工藝制作了源、漏、柵的硅電極部分。本發(fā)明所需的圖形化工藝條件簡單，僅需要十微米級精度的接觸式光刻機，可使用簡單的壓印工具，實現(xiàn)了用納米線寬和長度的硅納米線構(gòu)成的頂柵晶體管的復(fù)雜結(jié)構(gòu)， 并且在使用同樣模板的情況下，硅納米線的線寬可以方便地調(diào)節(jié)，達到10納米或更小。本發(fā)明方法的具體操作步驟如下
(1)選用頂層硅厚度為20到100納米，初始摻雜濃度小于或等于lX1015/cm3 (ρ型或者η型均可)的SOI片作為樣品襯底。清洗襯底后，在襯底上旋涂30到200納米厚的PMMA 膠，并烘烤使之硬化，典型的烘烤溫度在160°C到220°C之間，時間在15至60分鐘之間。之后再旋涂30到200納米厚SU-8光刻膠并前烘，典型溫度在90°C到120°C之間，時間在5到 20分鐘之間。需要注意的是，需要的硅納米線線寬越小，則合適的膠厚度越小。(2)使用線條陣列圖形的模板進行壓印，壓印溫度在90°C到120°C之間，壓強在10 到60bar之間。壓印后在SU-8上將形成和模板相對應(yīng)的周期性凹凸的線條圖形。此處使用的模板上的線條圖形的周期即為最終獲得器件上的硅納米線的周期，但凸起的線條的寬度并非最終硅納米線的寬度。在設(shè)計該模板圖形的時候需要注意模板上的凸起線條寬度必須大于最終需要得到的硅納米線寬度。(3)在樣品表面用PVD (蒸發(fā)或方向性比較好的離子束濺射)方法定向淀積一層鎳。 該定向淀積的方向垂直于壓印線條，并與襯底法線方向成一定角度。淀積的鎳將覆蓋膠表
6面大部分地方，除了壓印線條邊緣造成的陰影區(qū)域。顯然陰影區(qū)域的寬度即等于壓痕深度乘以PVD淀積入射角的正切。此寬度近似等于最終的硅納米線的寬度。(4)以上述鎳為掩蔽層，用RIE刻蝕光刻膠。RIE的刻蝕氣體主要成分為氧氣，可適當添加其他氣體調(diào)節(jié)刻蝕速度和刻蝕方向性?？涛g的結(jié)果是掏空了上述陰影區(qū)域(僅該區(qū)域沒有鎳覆蓋)下的光刻膠。(5)用PVD淀積一層鎳。淀積方向垂直于樣品表面。在前述陰影區(qū)域中，有鎳淀積到SOI襯底表面，這樣就在SOI上形成了陰影區(qū)域在SOI硅表面上的投影，該投影為線條圖形，即為最終的硅納米線的刻蝕掩蔽圖形。(6)用丙酮和超聲波清洗機對樣品進行剝離，由于PMMA溶于丙酮，這種剝離將去除PMMA和所有覆蓋在它上面的物質(zhì)，在樣品表面僅留下前一步得到的鎳線條。(7)在樣品表面用PECVD生長一層氮化硅，生長溫度在100°C到300°C之間，生成的氮化硅厚度在100納米到500納米之間。(8)在氮化硅上旋涂一層SU-8膠，其厚度在50nm到300nm之間。(9)使用凸起的溝道和柵電極陣列模板對SU-8膠進行壓印，壓印溫度在90°C到 120°C之間，壓強在IObar到60bar之間。此步驟所用的模板圖形中的溝道圖形即為簡單的線條圖形，其寬度即近似為所需晶體管的溝道長度。而柵電極圖形是由線條圖形組成的網(wǎng)格?？紤]到納米壓印的加工能力和晶體管的性能，上述兩種線條圖形的寬度在50nm到 300nm之間為宜。(10)用RIE刻蝕樣品表面的SU-8的壓印剩余層，刻蝕氣體為氧氣。之后用RIE刻蝕壓印圖形下暴露的氮化硅，刻蝕氣體為CH2F2，這樣的刻蝕將暴露出SOI表面的硅和其上的鎳線條圖形。最后用RIE刻蝕SOI的頂層硅，刻蝕氣體為SF6，在鎳線條的掩蔽下會刻蝕形成硅納米線。(11)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸，去除SU-8以及硅納米線上的鎳層。(12)對樣品放入RTP腔體中，在氧氣氛圍下加熱到1000°C以生長氧化層。氧化一直持續(xù)到剩余的硅線條寬度等于[希望得到的硅納米線寬度]+ [希望得到的柵氧厚度X0. 82]。之后用氫氟酸腐蝕去除該氧化層。(13)再次在RTP腔體中，在氧氣氛圍下加熱到1000°C，生長柵氧化層。(14)在樣品表面用PECVD在300°C下低溫生長重摻雜的非晶硅，生長厚度應(yīng)超過前述第9步所采用的溝道圖形寬度的1/2。由于CVD的保形性，非晶硅將填滿溝道區(qū)域的氮化硅溝槽，同時溝槽內(nèi)的非晶硅的豎直方向的厚度也大于其他區(qū)域的氮化硅表面的非晶硅的厚度。(15)以SF6*刻蝕氣體，用RIE刻蝕非晶硅，直到將氮化硅表面的非晶硅完全去除。此時溝道區(qū)域和柵電極區(qū)域的氮化硅溝槽中的非晶硅仍然未被完全去除，剩余的非晶硅在以后的步驟中會形成多晶硅柵。(16)用熱磷酸處理樣品，溫度在140°C到190°C之間，直到氮化硅被全部去除為止。(17)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸，去除SOI表面剩余的鎳線條，在前面高溫處理中形成的鎳硅也會被去除。(18)用RTP在還原性氣氛下對樣品進行熱處理，溫度在800°C到1000°C之間，直到非晶硅完全晶化成為多晶硅。(19)用離子注入對樣品進行摻雜。由于多晶硅的阻擋，注入離子無法進入硅納米線溝道，而僅能進入源漏區(qū)域，形成所需濃度的源漏摻雜。(20)用RTP處理樣品，溫度在800°C到1000°C，直到完成雜質(zhì)激活。(21)在樣品表面旋涂一層SU-8膠，厚度在IOOnm到IOOOnm之間。(22)用接觸式光刻套準并將晶體管的源、漏、溝道和柵電極區(qū)域表面的SU-8曝光，之后對SU-8顯影。(23)用干法或者濕法腐蝕去除固化SU-8未覆蓋區(qū)域的硅層。(24)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸，去除SU-8。(25)在樣品表面旋涂光刻正膠，厚度在300納米到3微米之間。(26)用接觸式光刻套準，將晶體管源、漏、柵的金屬電極接觸區(qū)域曝光，并進行顯影。(27)用氫氟酸漂洗樣品以去除源、漏、柵的金屬電極接觸區(qū)域在前面步驟中氧化形成二氧化硅層，然后用PVD淀積電極金屬鋁，厚度在50納米到300納米之間。(28)用丙酮和超聲波清洗機對樣品進行剝離，去除光刻正膠和其上的鋁，僅留下源漏柵電極金屬接觸區(qū)域的鋁。(29)對樣品進行退火，溫度在300°C至400°C之間，直到鋁和硅形成良好的歐姆接觸。(30)用PECVD在樣品表面生長氮化硅，厚度在5微米到300微米之間，覆蓋整個襯底的表面，作為器件的封裝。(31)在氮化硅上旋涂光刻正膠，厚度在0. 2微米到2微米之間。(32)用接觸式光刻套準，曝光晶體管的源、漏、柵的金屬電極連接區(qū)域的光刻正膠，并做顯影。(33)用RIE刻蝕晶體管的源、漏、柵的金屬電極連接區(qū)域的暴露的氮化硅，刻蝕氣體為CH2F2，刻蝕直到金屬層暴露為止。(34)用丙酮和超聲波清洗機處理樣品，去除光刻正膠。


圖1到圖31按照本發(fā)明上述的制作步驟的順序，分別對應(yīng)前述操作步驟和實施例 1中34個步驟中的31個(樣品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化)。圖32和圖33為針對實施例2中的第17步做的說明。為了便于理解，對于同一步驟之后的樣品結(jié)構(gòu)分別給出樣品的俯視圖和剖面圖， 其中剖面圖對應(yīng)俯視圖中箭頭位置的橫截面。俯視圖一角的字母F用于指示樣品擺放方向。圖例和各結(jié)構(gòu)圖中均不區(qū)分非晶硅、多晶硅、單晶硅。圖1對應(yīng)步驟1 完成摻雜和涂膠的SOI樣品。圖中SOI的底層硅未畫出，下同。圖2對應(yīng)步驟2 用線條陣列模板在SU-8層上壓印后的樣品。圖3對應(yīng)步驟3 =PVD傾斜方向定向淀積鎳。圖4對應(yīng)步驟4 以鎳為掩蔽，用RIE刻蝕光刻膠。圖5對應(yīng)步驟5 =PVD垂直淀積鎳。 圖6對應(yīng)步驟6 丙酮和超聲波清洗機剝離光刻膠。
圖7結(jié)構(gòu)同上僅是俯視圖中將樣品旋轉(zhuǎn)90度，本圖剖面圖對應(yīng)的橫截面與圖6
圖8對應(yīng)步驟7 =PECVD生長氮化硅。 圖9對應(yīng)步驟8 旋涂SU-8。
圖10對應(yīng)步驟9 對SU-8壓印。俯視圖下部的壓印圖案(對應(yīng)柵電極)僅為示意， 此處實際壓印圖案為同樣線寬的線條組成的大面積的網(wǎng)格。
圖11對應(yīng)步驟10 圖12對應(yīng)步驟11 圖13對應(yīng)步驟12 圖14對應(yīng)步驟13 圖15對應(yīng)步驟14 圖16對應(yīng)步驟15 圖17對應(yīng)步驟16 圖18對應(yīng)步驟17 圖19對應(yīng)步驟21 圖20對應(yīng)步驟22 圖21對應(yīng)步驟23 圖22對應(yīng)步驟M 圖23對應(yīng)步驟25 圖M對應(yīng)步驟沈圖25對應(yīng)步驟27 圖沈?qū)?yīng)步驟28 圖27對應(yīng)步驟30 圖觀對應(yīng)步驟31 圖四對應(yīng)步驟32 圖30對應(yīng)步驟33
用RIE刻蝕樣品，直至刻至SOI的二氧化硅層，形成硅納米線。 用煮沸的硫酸和雙氧水去除鎳和SU-8。 對硅進行氧化和腐蝕以減少納米線寬度。 生長柵氧。 PECVD生長非晶硅。
:RIE腐蝕非晶硅，僅留下了溝槽(溝道和柵電極)內(nèi)的非晶硅。 熱磷酸去除氮化硅。煮沸的硫酸雙氧水去除鎳及高溫下形成的鎳硅。 旋涂SU-8。光刻定義器件所在區(qū)域。 腐蝕去除器件區(qū)域之外的硅層。 煮沸的硫酸雙氧水去除SU-8。 旋涂光刻正膠。光刻后顯影，露出源、漏、柵需要做金屬電極的區(qū)域。
:PVD淀積電極材料鋁。用丙酮和超聲波剝離光刻膠。
iPECVD生長氮化硅作為封裝材料。旋涂光刻正膠。光刻后顯影，露出源、漏、柵的電極接觸區(qū)域。 以光刻膠為掩蔽，用RIE刻蝕氮化硅，露出電極接觸區(qū)域的金
圖31對應(yīng)步驟34 用丙酮和超聲波清洗機去除光刻正膠。 圖32對應(yīng)實施例2步驟17 在圖18的基礎(chǔ)上，用氫氟酸去除部分二氧化硅層。 圖33對應(yīng)實施例2驟17 在圖32的基礎(chǔ)上，快速熱氧化再生成二氧化硅層，氧化將在溝道部位(剖面圖中部)的硅納米線兩端形成應(yīng)力，從而形成勢壘。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施以實例方式作進一步描述，但本發(fā)明不僅限于實例。凡是對實例中的工藝參數(shù)進行了簡單的改變，都屬于本專利保護范圍之內(nèi)。實施例1 制作由100納米長，20納米左右寬度的硅納米線構(gòu)成溝道的鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)(1)選用頂層硅厚度為60納米，初始摻雜濃度為1 X IO1Vcm3的ρ型SOI片作為樣品襯底。清洗襯底后，在襯底上旋涂100納米厚的PMMA電子束光刻膠，并在180°C下烘烤30分鐘使之硬化。再旋涂60納米厚SU-8光刻膠，并在120°C下前烘10分鐘。得到的樣品如圖 1所示。(2)對SU-8層進行壓印。模板圖形為3條線寬100納米，間距100納米的線條構(gòu)成的陣列，模板高度為50納米。壓印溫度為120°C，壓強在50bar。結(jié)果如圖2所示。(3)用方向性好的直流離子束濺射系統(tǒng)定向淀積一層鎳。該定向淀積的方向垂直于壓印線條，并與襯底法線方向成45度角。淀積的鎳將覆蓋膠表面大部分地方，除了壓印線條邊緣造成的陰影區(qū)域。該陰影區(qū)域的寬度約為50納米。在垂直于樣品表面的方向的淀積厚度為10納米。結(jié)果如圖3所示。(4)以上述鎳為掩蔽層，用RIE刻蝕光刻膠?？涛g氣體為氧氣，氣壓1. lPa，刻蝕掏空上述陰影區(qū)域(沒有鎳覆蓋)下的光刻膠，如圖4所示。(5)用PVD淀積鎳。淀積方向垂直于樣品表面。僅在前述陰影區(qū)域中有鎳淀積到 SOI襯底表面，在SOI上形成了 50納米寬的線條形陰影區(qū)域在SOI硅表面上的投影。該淀積在SOI表面得到的鎳層的厚度為5納米。得到的樣品如圖5所示。(6)用丙酮和超聲波清洗機進行剝離，去除PMMA和所有其上的物質(zhì)，在SOI樣品表面僅留下前一步得到的50納米線寬的鎳線條。結(jié)果如圖6和圖7所示。(7)在樣品表面用PECVD生長一層氮化硅，生長溫度為200°C，生長厚度為200納米，如圖8所示。(8)在氮化硅上旋涂一層SU-8膠，厚度為100納米，如圖9所示。(9)用凸起的溝道和柵電極陣列模板對SU-8膠進行壓印，壓印溫度為120°C，壓強 50bar。所用的模板圖形包括溝道圖形和與之相連的柵電極圖形。溝道圖形(即圖10中心的豎直線條)為100納米寬的線條圖形。而柵電極圖形(即圖10底部的線條圖形)實際是由100納米寬，周期為300納米的橫縱線條圖形組成的網(wǎng)格，整個網(wǎng)格呈方形，邊長為50微米(圖10僅為簡化的示意圖)。柵電極的納米線網(wǎng)格圖形與溝道的線條圖形相連。該步驟中壓印模板圖形的高度為200納米。(10)用RIE刻蝕樣品表面的SU-8的壓印剩余層，刻蝕氣體為氧氣，氣壓為4Pa，直至壓印痕跡下的氮化硅露出。之后用RIE刻蝕暴露的氮化硅，刻蝕氣體為CH2F2，氣壓為4Pa， 直至暴露出SOI表面的硅和其上的鎳線條圖形。最后用RIE刻蝕SOI的頂層硅，刻蝕氣體為SF6,并加入CHF3氣體以得到近乎垂直的刻蝕側(cè)壁，兩種氣體比例為1:20，氣壓為6 ^直至將二氧化硅層暴露出來。該步驟的結(jié)果是在鎳線條的掩蔽下刻蝕形成硅納米線，如圖11 所示。(11)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸，去除SU-8以及硅納米線上的鎳層，如圖12所示。(12)對樣品在純氧下快速熱氧化，氧化溫度為1000°C，時間為600秒。之后在氫氟酸中漂洗去除該氧化層，結(jié)果如圖13所示。(13)再次在對樣品在純氧下快速熱氧化，溫度為1000°C，時間為130秒。生長柵氧化層(厚度約10納米)，如圖14所示。(14)在樣品表面用PECVD在300°C下低溫生長重摻雜的非晶硅，生長厚度為100納米。由于CVD的保形性，非晶硅將填滿溝道區(qū)域的200納米深的氮化硅溝槽，如圖15所示。(15)以SF6*刻蝕氣體，用RIE刻蝕非晶硅，直到將氮化硅表面的非晶硅完全去除。此時溝道區(qū)域和柵電極區(qū)域的氮化硅溝槽中的非晶硅仍然未被完全去除，如圖16所示。剩余的非晶硅在以后的步驟中會形成多晶硅柵。(16)用熱磷酸處理樣品，溫度為140°C，直到氮化硅被全部去除為止，如圖17。(17)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸約5分鐘，去除SOI表面剩余的鎳線條， 在前面高溫處理中形成的鎳硅也會被去除，如圖18所示。(18)用RTP在惰性氣氛下( ，N2+H2)對樣品進行熱處理，升溫速率保持在15°C / 分鐘以下，處理溫度為900°C，時間為25分鐘。非晶硅會較好地晶化成為多晶硅。(19)用硼離子注入對樣品進行摻雜，能量為5keV，傾斜角為7度，劑量為1 X IO14/ cm2。由于多晶硅的阻擋，注入離子無法進入硅納米線溝道，而僅能進入源漏區(qū)域，形成源漏摻雜，濃度大致為2X1019/cm3。(20)用RTP處理樣品，1000°C下30秒，完成雜質(zhì)激活。(21)在樣品表面旋涂一層SU-8膠，厚度為500nm，如圖19所示。(22)用接觸式光刻套準并將晶體管的源、漏、溝道和柵電極區(qū)域表面的SU-8曝光，之后用SU-8顯影液顯影。結(jié)果是樣品表面僅在器件區(qū)域有固化的SU-8覆蓋。其他地方的硅則暴露出來。如圖20所示，器件區(qū)域為邊長為120微米的方形。(23)用TMAH的8%濃度水溶液，在65°C下腐蝕樣品120秒，SOI片中二氧化硅層之上的，SU-8未覆蓋區(qū)域的所有硅，包括多晶硅線條，都會被去除，如圖21所示。(24)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸，去除SU-8，如圖22所示。(25)在樣品表面旋涂光刻正膠，厚度為800納米，如圖23所示。(26)用接觸式光刻套準并將晶體管源、漏、柵的金屬電極接觸區(qū)域曝光，并進行顯影。如圖M所示，三個電極接觸區(qū)域均為40乘30微米的長方形。(27)用氫氟酸漂洗樣品以去除源、漏、柵的金屬電極接觸區(qū)域的二氧化硅(前述各工藝中的氧化而成的薄層，附圖中予以忽略)用PVD淀積電極金屬鋁，厚度為200納米，如圖 25所示。(28)用丙酮和超聲波清洗機對樣品進行剝離，去除光刻正膠和其上的鋁，僅留下源漏柵電極金屬接觸區(qū)域的鋁，如圖26所示。(29)對樣品在N2氛圍下進行退火，溫度為350°C，時間1小時，鋁和硅之間將形成歐姆接觸。(30)用PECVD在樣品表面生長氮化硅，厚度為10微米，以之覆蓋整個襯底的表面， 用以封裝器件，如圖27所示。(31)在氮化硅上旋涂光刻正膠，厚度1微米，如圖觀所示。(32)用接觸式光刻套準，曝光晶體管的源、漏、柵的金屬電極連接區(qū)域的光刻正膠，并做顯影，如圖W所示。(33)用RIE刻蝕晶體管的源、漏、柵的金屬電極連接區(qū)域的暴露的氮化硅，刻蝕氣體為CH2F2，刻蝕直到金屬層暴露為止，如圖30所示。(34)用丙酮和超聲波清洗機處理樣品，去除光刻正膠，如圖31所示。
實施例2 制作由100納米長，20納米寬的硅納米線構(gòu)成溝道的單電子晶體管 (SET)
此實施例與上例的主要區(qū)別在于一，溝道部分需要用更加細小的單根硅納米線(見以下步驟2中所用模板與上例的區(qū)別)，而不是上例中的三根；二，需要在作為溝道的硅納米線上形成“量子點”，這是通過在步驟17中再加入一次氧化實現(xiàn)的。此外，除部分步驟所用的參數(shù)亦有少許不同外，其他與前例相同。(1)選用頂層硅厚度為40納米，初始摻雜濃度為IX 1015/cm3的ρ型SOI片作為樣品襯底。清洗襯底后，在襯底上旋涂100納米厚的PMMA膠，并在180°C下烘烤30分鐘使之硬化。再旋涂60納米厚SU-8光刻膠，并在120°C下前烘10分鐘。得到的樣品如圖1所示。(2)對SU-8層進行壓印。模板圖形為1條線寬100納米的線條，模板高度為50納米。壓印溫度為120°C，壓強在50bar。結(jié)果類似圖2所示，區(qū)別僅是俯視圖中的納米線條僅有一根(下同，不再重復(fù)說明)。(3)用方向性好的直流離子束濺射系統(tǒng)定向淀積一層鎳。該定向淀積的方向垂直于壓印線條，并與襯底法線方向成45度角。淀積的鎳將覆蓋膠表面大部分地方，除了壓印線條邊緣造成的陰影區(qū)域。該陰影區(qū)域的寬度約為50納米。在垂直于樣品表面的方向的淀積厚度為10納米。類似圖3所示。(4)以上述鎳為掩蔽層，用RIE刻蝕光刻膠?？涛g氣體為氧氣，氣壓1. lPa，刻蝕掏空上述陰影區(qū)域(沒有鎳覆蓋)下的光刻膠，類似圖4所示。(5)用PVD淀積鎳。淀積方向垂直于樣品表面。僅在前述陰影區(qū)域中有鎳淀積到 SOI襯底表面，在SOI上形成了 50納米寬的線條形陰影區(qū)域在SOI硅表面上的投影。該淀積在SOI表面得到的鎳層的厚度為5納米。得到的樣品類似圖5所示。(6)用丙酮和超聲波清洗機進行剝離，去除PMMA和所有其上的物質(zhì)，在SOI樣品表面僅留下前一步得到的50納米線寬的鎳線條。結(jié)果類似圖6和圖7所示。(7)在樣品表面用PECVD生長一層氮化硅，生長溫度為200°C，生長厚度為200納米，如圖8所示。(8)在氮化硅上旋涂一層SU-8膠，厚度為100納米，類似圖9所示。(9)用凸起的溝道和柵電極陣列模板對SU-8膠進行壓印，壓印溫度為120°C，壓強 50bar。所用的模板圖形包括溝道圖形和與之相連的柵電極圖形。溝道圖形(即圖10中心的豎直線條)為100納米寬的線條圖形。而柵電極圖形(即圖10底部的線條圖形)實際是由100納米寬，周期為300納米的橫縱線條圖形組成的網(wǎng)格，整個網(wǎng)格呈方形，邊長為50微米(圖10僅為簡化的示意圖)。柵電極的納米線網(wǎng)格圖形與溝道的線條圖形相連。該步驟中壓印模板圖形的高度為200納米。(10)用RIE刻蝕樣品表面的SU-8的壓印剩余層，刻蝕氣體為氧氣，氣壓為4Pa，直至壓印痕跡下的氮化硅露出。之后用RIE刻蝕暴露的氮化硅，刻蝕氣體為CH2F2，氣壓為4Pa， 直至暴露出SOI表面的硅和其上的鎳線條圖形。最后用RIE刻蝕SOI的頂層硅，刻蝕氣體為SF6,并加入CHF3氣體以得到近乎垂直的刻蝕側(cè)壁，兩種氣體比例為1:20，氣壓為6 ^直至將二氧化硅層暴露出來。該步驟的結(jié)果是在鎳線條的掩蔽下刻蝕形成硅納米線，類似圖 11所示。(11)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸，去除SU-8以及硅納米線上的鎳層，類
12似圖12所示。(12)對樣品在純氧下快速熱氧化，氧化溫度為1000°C，時間為900秒。之后在氫氟酸中漂洗去除該氧化層，結(jié)果類似圖13所示。(13)再次在對樣品在純氧下快速熱氧化，溫度為1000°C，時間為130秒。生長柵氧化層(厚度約10納米)，類似圖14所示。(14)在樣品表面用PECVD在300°C下低溫生長重摻雜的非晶硅，生長厚度為100 納米。由于CVD的保形性，非晶硅將填滿溝道區(qū)域的200納米深的氮化硅溝槽，如圖15所
7J\ ο(15)以SF6*刻蝕氣體，用RIE刻蝕非晶硅，直到將氮化硅表面的非晶硅完全去除。此時溝道區(qū)域和柵電極區(qū)域的氮化硅溝槽中的非晶硅仍然未被完全去除，如圖16所示。剩余的非晶硅在以后的步驟中會形成多晶硅柵。(16)用熱磷酸處理樣品，溫度為140°C，直到氮化硅被全部去除為止，類似圖17。(17)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸約5分鐘，去除SOI表面剩余的鎳線條， 在前面高溫處理中形成的鎳硅也會被去除，類似圖18所示。此后用1%氫氟酸漂洗樣品3 秒鐘，去除部分氧化層，如圖32所示。然后再在干氧氣氛下快速熱氧化，溫度為1000度，時間為300秒，得到的結(jié)果如圖33所示。鑒于圖32中納米線在溝道部分形成的中間大，兩端細小的結(jié)構(gòu)，這樣的氧化將在納米線兩端形成應(yīng)力，構(gòu)成兩個勢壘，而勢壘中間的納米線將形成量子點。(18)用RTP在惰性氣氛下對樣品進行熱處理，升溫速率保持在15°C /分鐘以下， 處理溫度為900°C，時間為25分鐘。非晶硅會較好地晶化成為多晶硅。(19)用硼離子注入對樣品進行摻雜，能量為^eV,傾斜角為7度，劑量為IXlO14/ cm2。由于多晶硅的阻擋，注入離子無法進入硅納米線溝道，而僅能進入源漏區(qū)域，形成源漏摻雜，濃度大致為2X1019/cm3。(20)用RTP處理樣品，1000°C下30秒，完成雜質(zhì)激活。(21)在樣品表面旋涂一層SU-8膠，厚度為500nm，如圖19所示。(22)用接觸式光刻套準并將晶體管的源、漏、溝道和柵電極區(qū)域表面的SU-8曝光，之后用SU-8顯影液顯影。結(jié)果是樣品表面僅在器件區(qū)域有固化的SU-8覆蓋。其他地方的硅則暴露出來。如圖20所示，器件區(qū)域為邊長為120微米的方形。(23)用TMAH的8%濃度水溶液，在65°C下腐蝕樣品120秒，SOI片中二氧化硅層之上的，SU-8未覆蓋區(qū)域的所有硅，包括多晶硅線條，都會被去除，如圖21所示。(24)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸，去除SU-8，如圖22所示。(25)在樣品表面旋涂光刻正膠，厚度為800納米，如圖23所示。(26)用接觸式光刻套準并將晶體管源、漏、柵的金屬電極接觸區(qū)域曝光，并進行顯影。如圖M所示，三個電極接觸區(qū)域均為40微米’30微米的長方形。(27)用氫氟酸漂洗樣品以去除源、漏、柵的金屬電極接觸區(qū)域的二氧化硅(包括前述工藝中自然氧化的和第17步最后形成的)，然后用PVD淀積電極金屬鋁，厚度為200納米， 如圖25所示。(28)用丙酮和超聲波清洗機對樣品進行剝離，去除光刻正膠和其上的鋁，僅留下源漏柵電極金屬接觸區(qū)域的鋁，如圖26所示。
(29)對樣品在N2氛圍下進行退火，溫度為350°C，時間1小時，鋁和硅之間將形成歐姆接觸。(30)用PECVD在樣品表面生長氮化硅，厚度為10微米，以之覆蓋整個襯底的表面， 用以封裝器件，如圖27所示。(31)在氮化硅上旋涂光刻正膠，厚度1微米，如圖28所示。(32)用接觸式光刻套準，曝光晶體管的源、漏、柵的金屬電極連接區(qū)域的光刻正膠，并做顯影，如圖W所示。(33)用RIE刻蝕晶體管的源、漏、柵的金屬電極連接區(qū)域的暴露的氮化硅，刻蝕氣體為CH2F2，刻蝕直到金屬層暴露為止，如圖30所示。(34)用丙酮和超聲波清洗機處理樣品，去除光刻正膠，如圖31所示。
權(quán)利要求
1. 一種使用納米壓印和接觸式光刻制作硅納米線晶體管的方法，其特征在于具體步驟如下(1)選用合適頂層硅厚度，和初始摻雜濃度小于5X1015/cm3的SOI片作為樣品襯底，在襯底上旋涂PMMA和SU-8光刻膠；(2)使用線條陣列圖形的模板對SU-8光刻膠進行壓印，在SU-8光刻膠上形成周期性凹凸的線條圖形；(3)在經(jīng)上述步驟的樣品表面用PVD方法定向淀積一層鎳，淀積方向垂直于壓印線條， 并與襯底法線方向成一定角度，角度的選取要使淀積的鎳能覆蓋光刻膠表面大部分地方， 但沒有覆蓋壓印線條邊緣造成的陰影區(qū)域；(4)以上述鎳為掩蔽層，用RIE刻蝕光刻膠，掏空上述陰影區(qū)域下的光刻膠；(5)用PVD方法垂直于樣品表面淀積一層鎳，在硅片上產(chǎn)生鎳線條圖形，該圖形為陰影區(qū)域在SOI硅表面上的投影；(6)用丙酮和超聲波清洗機對樣品進行剝離，在樣品表面僅留下鎳線條；(7)在樣品表面用PECVD生長一層氮化硅；(8)在氮化硅上旋涂一層SU-8光刻膠；(9)對SU-8光刻膠進行壓印，所用模板上的圖形為凸起的溝道和柵電極圖案；(10)用RIE刻蝕樣品，先去除SU-8光刻膠壓印剩余層，再刻蝕暴露出的氮化硅，最后以鎳線條為掩蔽圖形刻蝕硅，形成硅納米線；(11)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸，去除SU-8光刻膠以及硅納米線上的鎳層；(12)對樣品進行快速熱氧化，溫度950°C-1050°C，時間200秒至800秒，并用氫氟酸腐蝕去除氧化層，以減小硅納米線的線寬；(13)再次進行快速熱氧化，溫度950°C-1050°C，時間50秒至300秒，在硅納米線表面生長柵氧；(14)在樣品表面用PECVD低溫生長重摻雜的非晶硅，非晶硅將填充氮化硅上的溝槽結(jié)構(gòu)；(15)用RIE刻蝕非晶硅，去除氮化硅表面的非晶硅，但在氮化硅溝槽內(nèi)仍然保留部分非晶娃；(16)用熱磷酸去除氮化硅；(17)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸，以去除SOI表面剩余的鎳線條；(18)用快速熱處理樣品，溫度800°C-1000°C，時間10分鐘至60分鐘，使非晶硅晶化成多晶娃；(19)對樣品進行離子注入，作為源漏摻雜；(20)高溫快速熱處理樣品，溫度800°C-1000°C，時間10秒至60秒激活雜質(zhì)；(21)在樣品表面旋涂一層SU-8光刻膠；(22)用接觸式光刻定義器件區(qū)域；(23)腐蝕去除器件區(qū)域之外的硅層；(24)將樣品在濃硫酸雙氧水混合液中煮沸，以去除SU-8光刻膠；(25)在樣品表面旋涂一層光刻正膠；(26)用接觸式光刻定義器件的源、漏、柵的金屬電極區(qū)域；(27)用PVD淀積電極金屬；(28)用丙酮和超聲波清洗機對樣品進行剝離，去除光刻正膠及其上的金屬；(29)對樣品退火，溫度為300°C-400°C，時間30分鐘-100分鐘，使源漏柵的硅和金屬間形成歐姆接觸；(30)用PECVD在樣品表面低溫生長氮化硅，作為器件封裝；(31)在氮化硅上旋涂光刻正膠；(32)光刻定義源、漏、柵的電極區(qū)域；(33)用RIE刻蝕氮化硅，暴露電極區(qū)域的金屬；(34)用丙酮和超聲波清洗機去除光刻正膠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)中，在襯底上旋涂PMMA和SU-8 光刻膠的步驟為在襯底上旋涂30到200納米厚的PMMA膠，并烘烤使之硬化，烘烤溫度在 160°C到220°C之間，時間在15至60分鐘之間；然后后再旋涂30到200納米厚SU-8光刻膠并前烘，溫度在90°C到120°C之間，時間在5到20分鐘之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(2)中，所述壓印的溫度在90°C到 120°C之間，壓強在10到60bar之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(7)中，所述在樣品表面用PECVD生長一層氮化硅，生長溫度在100°C到300°C之間，生成的氮化硅厚度在100納米到500納米之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(9)中，所述使用凸起的溝道和柵電極陣列模板對SU-8膠進行壓印，壓印溫度在90°C到120°C之間，壓強在IObar到60bar之間； 所用的模板圖形中的溝道圖形即為簡單的線條圖形，其寬度即為所需晶體管的溝道長度； 柵電極圖形是由線條圖形組成的網(wǎng)格；上述兩種線條圖形的寬度在50nm到300nm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(14)中，所述在樣品表面用PECVD在低溫生長重摻雜的非晶硅，生長厚度超過前述步驟(9)所采用的溝道圖形寬度的1/2 ；非晶硅填滿溝道區(qū)域的氮化硅溝槽，同時溝槽內(nèi)的非晶硅的豎直方向的厚度大于其他區(qū)域的氮化硅表面的非晶硅的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(27)中，所述用PVD淀積電極金屬的步驟為用氫氟酸漂洗樣品以去除源、漏、柵的金屬電極接觸區(qū)域在前面步驟中氧化形成二氧化硅層，然后用PVD淀積電極金屬鋁，厚度在50納米到300納米之間。
全文摘要
本發(fā)明屬于納米壓印技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種使用納米壓印和接觸式光刻制作硅納米線晶體管的方法。其步驟包括在原始SOI模板上用納米壓印結(jié)合定向淀積的方法制作寬度小于100納米的鎳線條陣列，作為硅納米線的刻蝕掩蔽層，再次使用納米壓印，定義與先前的鎳線條陣列垂直相交的100納米級線寬的線條陣列，并結(jié)合干法刻蝕法制作出納米線晶體管的溝道區(qū)，并在刻蝕出的硅納米線上生長柵氧，然后自對準地形成多晶硅柵，最后使用接觸式光刻定義源漏區(qū)域并淀積形成金屬電極。本發(fā)明所需的圖形化工藝條件簡單，僅需要十微米級精度的接觸式光刻機，以及簡單的壓印工具，即可實現(xiàn)極小尺寸器件的圖形化，并制作出頂柵硅納米線場效應(yīng)晶體管。
文檔編號H01L21/335GK102403231SQ20111037307
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者屈新萍, 楊愛國, 高晨 申請人:復(fù)旦大學