專利名稱：注氧隔離技術(shù)制備全介質(zhì)隔離的硅量子線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種制備全介質(zhì)隔離的硅量子線(SQWssilicon quantumwires)的方法，所制備的硅量子線特別適合于單電子晶體管(SETsingleelectron device)、單電子存儲(chǔ)器(SEMsingle electron memory)等固體納米器件的制造。本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域。
目前制備硅量子線的方法有很多，主要有SiC熱分解法(一種納米硅材料的制備方法，許寧生，吳志盛，鄧少芝，CN00117242.5)；KOH各向異性腐蝕法(Fabrication of silicon quantum wires by anisotropic wet chemical etchingand thermal oxidation，J.L.Liu，Y.Shi，F(xiàn).Wang，et al.，Joumal of Vacuum Science &Technology B 13(5)(1995)2137-2138)；電子束光刻法(A silicon-on-insulatorquantum wire，J.P Colinge，X.Baie，V Bayot，et al.，Solid-State Electronics 39(1)(1996)49-51)等等。第一種方法不能制備出規(guī)則排列的硅量子線，無法大規(guī)模地應(yīng)用于固體納米器件；第二種方法很難制備出小尺寸的量子線，而且由于濕法腐蝕而引起的堿金屬離子(如K離子等)玷污是半導(dǎo)體制造工藝中所不希望的。雖然電子束光刻的方法是最有希望的方法之一，但是電子束曝光是非常費(fèi)時(shí)的。即使電子束光刻可以直接獲得100nm左右的硅量子線，也并不能完全滿足量子器件在室溫下工作的要求，還需要經(jīng)多次犧牲熱氧化工藝來進(jìn)一步縮小硅量子線的尺寸。
絕緣體上的硅(SOI)材料最適合于制造量子器件，因?yàn)樗峁┝似骷目v向絕緣隔離，利于實(shí)現(xiàn)硅量子線的全介質(zhì)隔離(Single-electron andquantum SOI devices，Y.Ono，K.Yamazaki，M.Nagase，et al.，MicroelectronicEngineering 59(2001)435-442)。注氧隔離(SIMOX)技術(shù)制備的SOI材料是制造量子器件的首選材料，因?yàn)镾IMOX-SOI材料的頂層硅非常均勻平整，頂層硅和掩埋氧化層的界面特性也比較好。
目前，絕大多數(shù)的單電子器件正是采用SIMOX-SOI材料制造的。首先將200nm左右的頂層硅進(jìn)行多次犧牲熱氧化，減薄到20～50nm；接著采用電子束光刻，獲得100nm左右的量子線；為了達(dá)到量子器件在室溫下工作的要求，還必需再進(jìn)行犧牲熱氧化以進(jìn)一步減小量子線的尺寸。可以看出，這種最先進(jìn)和最常用地制造單電子器件的方法還是比較復(fù)雜的，需要價(jià)格昂貴的電子束曝光設(shè)備，需要經(jīng)過多次仔細(xì)地犧牲氧化過程。在大量的氧化過程中還會(huì)引入較多的氧化缺陷，從而影響器件的性能。這種方法一個(gè)不足之處是硅量子線的制備和SOI襯底材料的制備是相互分離的。
本發(fā)明最重要的特征就是將SOI襯底材料的制備工藝與其后的硅量子線制備工藝有機(jī)地結(jié)合在一起，充分利用制備SOI材料所必需的高溫退火的工藝步驟，在形成掩埋絕緣層的退火過程中形成硅量子線。這樣，大大地提高了制備工藝的靈活性，減少了很多犧牲熱氧化的工藝步驟，降低了工藝成本。注氧隔離技術(shù)包括離子注入和高溫退火兩個(gè)重要的步驟。為了提高SOI材料的質(zhì)量，在高溫退火的氣氛中一般要加入適量的氧氣(M.Chen，X.Wang，J.Chen，et al.，Does-energy match for the formation of high-integrity buried oxidelayers in low-dose separation-by-implantation-of-oxygen materials，AppliedPhysics Letters 80(3)(2002)880-882)。加入氧氣的目的一方面是避免高溫下頂層硅被氮?dú)飧g成小坑；另一方面是使外界的氧氣通過頂層硅擴(kuò)散到掩埋氧化層的位置進(jìn)行內(nèi)部熱氧化(ITOX)。內(nèi)部熱氧化工藝可以使SOI材料的界面更加陡峭、平整，能夠大大提高SOI材料的電學(xué)性能。退火氣氛中氧氣的體積含量可以從0.5％到80％不等。在常規(guī)電子束光刻制備硅量子線的方法中所牽涉到的多次熱氧化減薄工藝完全可以在制備SOI材料的退火過程中同時(shí)完成。
具體而言，本發(fā)明的方法包括以下三個(gè)步驟(a)確定量子線區(qū)域并在其四周光刻出溝槽；(b)離子注入；(c)高溫退火。
本發(fā)明的步驟(a)是將在SOI襯底上制備硅量子線的常規(guī)方法中的電子束曝光和刻蝕工藝提前，在原始硅片上刻蝕出需要形成硅量子線的區(qū)域。這些區(qū)域的四周刻有溝槽，溝槽的深度要大于步驟(b)中離子注入的平均射程。這樣，在高溫退火的過程中外界的氧氣可以擴(kuò)散到硅片中進(jìn)行內(nèi)部熱氧化以增加埋氧的厚度，改善頂層硅及頂層硅和埋氧界面的質(zhì)量。步驟(a)中所刻蝕出的溝槽的寬度為0.2～2μm，深度為0.1～2μm；兩個(gè)溝槽之間的區(qū)域?qū)⑿纬晒枇孔泳€，其寬度為0.1～1μm，長(zhǎng)度為1～1000μm。步驟(a)中的半導(dǎo)體襯底包括硅、鍺、硅鍺合金或GaAs中一種。
步驟(b)中的離子注入是形成SOI材料的關(guān)鍵，注入離子的能量和劑量決定了頂層硅和埋氧的厚度。因此，可以通過調(diào)節(jié)注入離子的能量和劑量以制備不同厚度要求的頂層硅。采用超低能量離子注入可以獲得30～50nm厚的頂層硅，這樣就不再需要頂層硅氧化減薄的工藝步驟。采用低劑量的離子注入可以獲得缺陷密度非常低的SOI材料。步驟(b)可以充分顯示SIMOX技術(shù)的優(yōu)越性。離子注入的能量可以在30keV～300keV之間變化；注入的劑量為1×1017～2.5×1018cm-2。注入時(shí)，襯底的溫度為400～700℃。注入的離子可以是O+、O2+7、HO+、H2O+、N+、N2+中的一種或它們的混合離子。含氮的離子可以形成氮化硅絕緣埋層，同時(shí)也可以制備氮氧化硅的絕緣埋層。
由于退火氣氛中含有一定量的氧氣，步驟(c)的高溫退火可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的埋氧的形成；硅量子線的犧牲氧化。退火氣氛一般為氮?dú)饣驓鍤馀c氧氣的混合氣體，其中氧氣的含量可以在0.5％～80％之間自由調(diào)節(jié)。退火的溫度為1200～1375℃，退火時(shí)間為1～24小時(shí)。退火過程中，由于四周溝槽的存在，與常規(guī)SOI退火的情況相比，氧氣可以通過更大的面積擴(kuò)散到硅襯底之中，以便更有效地起到內(nèi)部氧化的作用。擴(kuò)散進(jìn)去的氧從頂層硅下面向上氧化，一方面提高了頂層硅及其界面的質(zhì)量；另一方面可以更有效地減薄頂層硅的厚度。其實(shí)在步驟(c)的退火過程中，氧化過程是從量子線區(qū)域的溝槽側(cè)壁和上下表面同時(shí)氧化的，效率更高；這樣就可以將更多的頂層硅氧化掉，使最終包裹在SiO2介質(zhì)之中的硅量子線的尺寸更小。從這里可以看出，步驟(a)中不必采用電子束曝光，采用光學(xué)曝光即可獲得尺寸較小的硅量子線。
從上面的三個(gè)簡(jiǎn)單的步驟中不難看出，本發(fā)明的方法是非常簡(jiǎn)單的，大大減少了工藝步驟。并且，可以不用昂貴費(fèi)時(shí)的電子束曝光，采用光學(xué)曝光就可以實(shí)現(xiàn)硅量子線的制備。本發(fā)明最重要的特征就是在制備SOI襯底材料的工藝中完成硅量子線的制備，在減少工藝步驟、降低成本的同時(shí)提高了硅量子線的質(zhì)量。
另外，本發(fā)明可以制備高密度的硅量子線陣列。本發(fā)明所制備的硅量子線在硅基光電子集成器件和電路中也有重要的應(yīng)用。


圖1為完成溝槽刻蝕后的硅襯底剖面示意圖。
圖2為完成離子注入后硅襯底剖面示意圖。
圖3為高溫退火形成硅量子線的剖面示意圖。
圖中，1為硅襯底；2為溝槽；3為注入的氧離子；4為高溫退火過程中所形成的SiO2；5為硅量子線。
實(shí)施例1在4英寸p型(100)硅片上光刻出將要形成硅量子線的區(qū)域，長(zhǎng)10μm，寬200nm；溝槽深450nm，寬800nm。注入氧離子的能量為100keV，劑量為3.5×1017cm-2；注入時(shí)，硅片的襯底溫度為680℃。退火在氬氣加氧氣的混合氣氛中進(jìn)行，氧氣的體積含量為10％，退火溫度為1300℃。退火時(shí)間為6小時(shí)。最后所形成的硅量子線的寬度為30nm左右。
實(shí)施例2注入的離子為N+，形成氮氧化硅絕緣埋層，其它條件同實(shí)施例1。
實(shí)施例3襯底材料為鍺硅合金，其他條件同實(shí)施例1，最終形成鍺硅量子線。
權(quán)利要求
1.一種制備全介質(zhì)隔離硅量子線的方法，其特征在于SOI襯底材料的制備工藝與硅量子線制備工藝結(jié)合在一起，利用SOI必需的高溫退火過程，在形成掩埋絕緣層的退火過程形成硅量子線；具體工藝步驟是(a)確定量子線區(qū)域并在其四周光刻出溝槽，溝槽的寬度為0.2～2μm，深度為0.1～2μm；溝槽包圍的區(qū)域?yàn)閷⒁纬晒枇孔泳€的區(qū)域，其寬度為0.1～1μm，長(zhǎng)度為1～1000μm；(b)注入離子的能量為30～300keV，劑量為1×1017～2.5×1018cm-2；離子注入時(shí)，襯底溫度為400～700℃；(c)離子注入后進(jìn)行高溫退火，退火溫度為1200～1375℃；退火的氣氛為氬氣或氮?dú)?，其中含?.5％～80％氧氣；退火的時(shí)間為1～24個(gè)小時(shí)。
2.按權(quán)利要求1所述的制備全介質(zhì)隔離硅量子線的方法，其特征在于半導(dǎo)體襯底包括硅、鍺、硅鍺合金或GaAs中一種。
3.按權(quán)利要求1所述的制備全介質(zhì)隔離硅量子線的方法，其特征在于溝槽可以采用光學(xué)曝光或電子束曝光，反應(yīng)離子刻蝕的方法獲得。
4.按權(quán)利要求1所述的制備全介質(zhì)隔離硅量子線的方法，其特征在于注入的離子為O+、O2+、HO+、H2O+、N+、N2+中的一種或它們的混合離子，以形成氧化硅、氮化硅或氮氧化硅絕緣埋層。
5.按權(quán)利要求1所述的制備全介質(zhì)隔離硅量子線的方法，其特征在于高溫退火時(shí)外界的O2擴(kuò)散到硅襯底中，并在溝槽的側(cè)壁和頂層硅的上下表面進(jìn)行氧化，有效地犧牲氧化了硅量子線；同時(shí)頂層硅及其界面的質(zhì)量得到了提高，從而提高了硅量子線的質(zhì)量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種注氧隔離(SIMOX)技術(shù)制備全介質(zhì)隔離的硅量子線的方法。本發(fā)明的特征是將SOI襯底材料的制備工藝與其后形成硅量子線的犧牲熱氧化工藝結(jié)合在一起；在制備SOI襯底材料的過程中完成硅量子線的制備，具體包括三個(gè)步驟(a)確定量子線區(qū)域并在其四周光刻出溝槽；(b)離子注入；(c)高溫退火。本發(fā)明在減少工藝步驟、降低成本的同時(shí)提高了硅量子線的質(zhì)量。所制備的硅量子線適合于制造單電子晶體管(SET)等固體納米器件。
文檔編號(hào)H01L21/425GK1431679SQ0311542
公開日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2003年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月14日
發(fā)明者董業(yè)民, 王曦, 陳猛, 陳靜, 王湘, 張繼華, 易萬兵, 金波 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所