專利名稱：一種制作單晶硅納米結構的方法
技術領域：
本發明涉及微納機電系統領域，特別涉及一種制作單晶硅納米結構的方法，這是一種利用傳統MEMS的制造工藝，以低成本，大批量制作單晶硅納米結構的簡單方法，使制作的單晶硅納米結構的尺寸基本可控。
背景技術：
單晶硅納米結構作為納米硅器件的重要組成部分，在量子限制和表面活性等方面有許多優異的性質，因此有著廣泛的應用。例如，與MOSFET結合進行諸如蛋白質、DNA等生物大分子的檢測；作為光子晶體研究或者納米自旋器件研究的基本結構和器件等等。傳統的硅納米線(SiNWs)制作方法主要采用納米加工工藝。納米加工工藝是自下而上的“組裝”納米線，主要包括激光燒蝕法(Laserablation)、多孔氧化鋁模板法等等。激光燒蝕法主要利用汽-液-固相方法(Vapor-liquid-solid method, VLS)，當飽和的氣態硅不斷擴散進入硅與金屬催化劑的合金液滴時，固態的硅就會不斷從液滴中析出，從而在液-固界面間生長出納米線。多孔氧化鋁模板法利用納米多孔鋁作為模板，硅烷氣體在金 (Au)、銀(Ag)等催化劑的作用下，在納米孔隙中合成硅，最后除去多孔鋁得到納米線。這些納米加工工藝雖然具有成本低、尺寸均勻等優點，但條件苛刻，難以操作，兼容性差，且易受催化劑污染。近年來隨著光刻技術的進步，掃描探針光刻Scanning Probe Lithograph, SPL) 和電子束光刻(EBL)也越來越多的用于單晶硅納米結構的制作。但是這些方法比較耗時， 投入的費用也比較昂貴，難以用于大規模制作單晶硅納米結構。相對于以上幾種方法，基于微機械加工工藝制備納米結構的方法具有與IC工藝兼容、成本低廉、便于大規模生產等優點。已經報道的方法主要是側墻掩膜技術(Sidewall Masking Technique)禾口光亥Ij膠灰化技術(Photoresist Ashing Technique)。這兩種方法均是先利用淀積的材料或者硅化的光刻膠形成側墻，再以此作為掩膜進行刻蝕，得到納米線， 但是線寬可控程度不高。由此可知，在相關技術領域，需要一種能大規模、經濟和有效的單晶硅納米結構制作方法，而微機械加工工藝是關注的熱點。
發明內容
本發明的目的是基于微機械加工工藝，提供一種低成本、大規模、線寬可控的制作單晶硅納米結構的方法。進一步的，利用所制作的單晶硅納米結構批量制作具有預定線寬的單晶硅納米結構傳感器、納米量子器件等。本發明的技術方案如下一種制作單晶硅納米結構的方法，包括下述步驟1)選擇摻雜濃度在IO12CnT3以下的低摻雜濃度硅襯底；2)根據所要制作的單晶硅納米結構的圖形在硅襯底上光刻，定義微米級線寬的掩膜圖形；3)進行離子注入，在微米級線寬的掩膜圖形外形成重摻雜區域，摻雜濃度大于 IO19cm-3 ；4)對硅襯底進行高溫退火，注入的離子將擴散進入掩膜圖形下面的硅材料中，形成中度摻雜區域，摻雜濃度在IO17 1019cm_3，使掩膜圖形下低摻雜濃度區域的線寬減小至納米量級；5)用HNA溶液選擇性腐蝕掉中度摻雜區域內的硅，得到低摻雜濃度的單晶硅納米結構。進一步的，上述步驟幻之前可以先在硅襯底上用熱氧化的方法形成一層SiO2層， 該SiO2層將作為后續注入的離子注入保護層；在步驟幻用HNA溶液選擇性腐蝕硅之前，先用緩沖氫氟酸(BHF)溶液(HF NH4F= 1 4(體積比))腐蝕掉該SiO2層和退火時可能形成的自然氧化層。上述步驟1) 一般選用普通硅基片或SOI硅片作為襯底，硅襯底的摻雜濃度大約在 lOllcnT3。上述步驟2)掩膜圖形的線寬小于2 μ m，優選小于1 μ m。上述步驟幻離子注入的種類一般與所使用的襯底的類型相當，即ρ型襯底注入 III族離子，η型襯底注入V族離子。離子注入濃度應盡量大，確保注入后形成的重摻雜區域的摻雜濃度高于1019cm_3。必要時，應該在注入前對光刻膠進行烘焙，以確保光刻膠不會在大劑量注入中開裂。上述步驟4)退火的溫度在950°C 1050°C，退火的時間由掩膜圖形尺寸和所需納米結構尺寸決定，可以結合設計的尺寸和具體的工藝參數進行理論估算或者使用相關軟件的模擬結果，一般為3-10小時。退火時，注入的離子將向襯底的各個方向發生擴散，包括平行于襯底表面的側向擴散。利用注入離子的擴散，在硅襯底中形成的一些中度摻雜區域，上述步驟5)所用HNA溶液優選為HNO3 HF HAc = 3 1 8 (體積比)的溶液。由于HNA溶液對摻雜濃度在IO17CnT3以上的硅襯底腐蝕速率大約在1 2 μ m/min,遠快于輕摻雜的硅襯底，腐蝕選擇比大約在160 1。因此，利用HNA溶液選擇性去除中度摻雜區域后，將留下輕摻雜的單晶硅納米結構。在HNA溶液腐蝕硅襯底時，HNO3在腐蝕液中會被還原成HNO2。隨著HNA溶液腐蝕硅襯底的進行，HNO2的濃度將增大。較高濃度的HNO2會影響HNA溶液的選擇性。這種情況下，可以加入適量氧化劑(如H2O2),把HNO2氧化成HNO3, 來消除HNO2的影響；也可以加入適量還原劑妝隊，來去除ΗΝ02。鑒于HNA溶液的腐蝕速率較快，并且在腐蝕過程中會生成影響選擇比的HNO2，因此HNA溶液的腐蝕時間不宜過長。具體時間可根據所需制備的納米結構的線寬，通過預實驗確定。本發明采用HNA選擇性腐蝕技術在硅襯底上制作單晶硅納米結構，克服了采用納米加工工藝的條件苛刻、難以操作、兼容性差且易受催化劑污染的問題，以及掃描探針光刻 (SPL)和電子束光刻(EBL)技術的耗時和高成本問題。本發明的方法不僅具備基于傳統的 MEMS工藝的制備方法的優點，諸如兼容性好，操作方便，成本低廉，便于大規模生產等，同時相對于利用側墻和光刻膠灰化技術的方法，擁有更好的線寬可控性。本發明通過采用簡單、可重復的工序，可以制作高集成度的單晶硅納米器件，并且不受光刻最小尺寸限制，可以取代耗時昂貴的電子束光刻法，以及不易控制、兼容性差的汽-液-固相法。通過本發明方法制作的單晶硅納米結構，可應用于多種微納機電器件的制備，例如，可以制作檢測生物活性分子的Bio-MEMS傳感器，以及研究納米自旋電子學的重要器件等。
圖l(a)_(d)為本發明實施例制作單晶硅納米線的工藝流程示意圖，其中(a)顯示了在氧化硅緩沖層上形成光刻膠掩膜的步驟；(b)顯示了高濃度離子注入步驟；(C)顯示了退火形成中度離子摻雜區域的步驟；(d)顯示了 HNA選擇性腐蝕硅形成納米結構的步驟。圖2是兩張利用本發明方法制作的單晶硅納米結構的掃描電鏡照片。
具體實施例方式下面結合附圖，通過實施例進一步詳細描述HNA選擇性腐蝕法制作單晶硅納米結構的方法。如圖1所示，根據下述步驟制作單晶硅納米結構1.選用普通硅片或SOI硅片作為襯底1，硅襯底的摻雜濃度大約在IO11CmA2.在硅襯底1上用熱氧化的方法形成一層SiO2層2，該SW2層將作為離子注入的保護層；然后根據版圖設計，光刻定義微米級線寬的掩膜圖形，形成光刻膠離子注入掩膜 3，參見圖1(a)。3.進行離子注入，在硅襯底上掩膜圖形外形成重摻雜區域4，見圖1(b)。4.高溫退火，注入的離子在高溫退火中將向襯底1的各個方向發生擴散，包括平行于襯底表面的側向擴散，由于注入離子的擴散，在硅襯底1上將形成的一些中度摻雜區域5，摻雜濃度大約在IO17 1019cm_3，掩膜圖形下低摻雜濃度區域的線寬也將減小至納米量級，見圖1(c)。退火的溫度為1000°C，退火的時間為3小時以上。5.先用緩沖氫氟酸(BHF)溶液(HF NH4F = 1 4(體積比))腐蝕SW2離子注入保護層2，再用HNA溶液(HNO3 HF HAc = 3 1 8)進行選擇性腐蝕掉中度摻雜區域5，在硅襯底上得到低摻雜濃度的單晶硅納米結構6，見圖1 (d)。上述方法利用HNA選擇性腐蝕法制作單晶硅納米結構，并且可以通過掩膜圖形的版圖設計和退火時間調整納米結構的線寬。圖2是利用本發明方法制作的單晶硅納米線的掃描電鏡照片，其中圖2(a)版圖設計線寬為2 μ m, HNA腐蝕后形成的納米線的線寬約為1 μ m，圖2 (b)為版圖設計線寬為 0. 6 μ m，HNA腐蝕后形成的納米線的線寬約為370nm。以上通過具體實施方式
描述了本發明利用HNA的選擇性腐蝕制作單晶硅納米結構的方法，本領域的技術人員應當理解，上述描述不應視為對本發明的限制。在不脫離本發明精神和實質的范圍內，可以對本發明做一定的變形或修改，本發明的保護范圍視所附權利要求書而定。
權利要求
1.一種制作單晶硅納米結構的方法，包括下述步驟1)選擇摻雜濃度在1O12CnT3以下的低摻雜濃度硅襯底；2)根據單晶硅納米結構的圖形在硅襯底上光刻，定義微米級線寬的掩膜圖形；3)進行離子注入，在微米級線寬的掩膜圖形外形成重摻雜區域，摻雜濃度大于 1O19Cnr3 ；4)高溫退火，注入的離子擴散進入掩膜圖形下面的硅材料中，形成摻雜濃度在1O17 1O19CnT3的中度摻雜區域，使掩膜圖形下低摻雜濃度區域的線寬減小至納米量級；5)用HNA溶液選擇性腐蝕掉中度摻雜區域內的硅，得到低摻雜濃度的單晶硅納米結構。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)選用硅基片或SOI硅片作為襯底。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2)中掩膜圖形的線寬小于2μ m。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟幻之前先在硅襯底上熱氧化形成一層SiO2離子注入保護層；在步驟幻用HNA溶液選擇性腐蝕硅之前，先用緩沖氫氟酸溶液腐蝕掉該SiO2層。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)在離子注入前對光刻膠離子注入掩膜進行烘焙。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)離子注入的種類與硅襯底的類型相當，對于P型襯底注入III族離子，而對于η型襯底注入V族離子。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟4)退火時間為3-10小時。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟5)所用HNA溶液是HNO3 HF HAc =3:1: 8(體積比)的溶液。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟幻在HNA溶液腐蝕過程中，加入適量氧化劑或還原劑去除HNO2。
全文摘要
本發明公開了一種制作單晶硅納米結構的方法，首先根據單晶硅納米結構的圖形在硅襯底上光刻，定義微米級線寬的掩膜圖形；然后通過離子注入在掩膜圖形外形成重摻雜區域；接著高溫退火使注入的離子擴散進入掩膜圖形下面的硅材料中，形成中度摻雜區域，將掩膜圖形下低摻雜濃度區域的線寬減小至納米量級；最后用HNA溶液選擇性腐蝕掉中度摻雜區域內的硅，得到低摻雜濃度的單晶硅納米結構。本發明的方法不僅具備MEMS工藝與IC工藝兼容性好、操作方便、成本低廉、便于大規模生產等優點，而且相對于利用側墻和光刻膠灰化技術的納米結構制作方法，擁有更好的線寬可控性。
文檔編號H01L21/306GK102157371SQ201110070920
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月23日 優先權日2011年3月23日
發明者于侃, 于曉梅, 王曉菲, 趙安迪 申請人:北京大學