本發(fā)明涉及一種無需高精度光刻制備平面超細密排溝槽及納米線的方法，更具體的說是涉及一種利用等離子增強化學氣相沉積（pecvd）疊層制備技術(shù)制備平面超細密排納米線陣列（nanowire?arrays）的方法，適用于微電子領(lǐng)域以及三維集成。

背景技術(shù)：

1、晶硅納米線作為典型的一種一維納米材料，在納米電子器件、光電子器件、量子電子，柔性/可拉伸電子和生物電子等方面具有巨大的應(yīng)用價值。目前納米線的生長主要應(yīng)用平面固液固（ipsls）生長模式，其采用氫化非晶硅薄膜作為前驅(qū)體，由金屬催化劑納米顆粒吸收非晶硅而生長出晶硅納米線結(jié)構(gòu)。同時，ipsls生長模式在雙側(cè)限制的生長溝道下可以實現(xiàn)納米線直徑的限制調(diào)控。

2、然而，目前可定位集成的大規(guī)模超細密排納米線陣列需依賴于高精度光刻技術(shù)以及高質(zhì)量的晶圓襯底，受限于技術(shù)壁壘和高成本，同時三維集成后端器件缺少高晶格質(zhì)量的晶圓。

3、本申請人課題組在先申請過專利cn?114400248?a，一種精確引導(dǎo)生長高均一性直徑納米線的方法，該專利也提到了平面密排溝槽生成納米線；然而，該專利的平面溝槽形貌是通過光刻圖形化定義引導(dǎo)溝槽，溝槽寬度以及間隔層距離直接受限于光刻精度，為微米寬度，且該專利是通過對非晶硅的限域刻蝕來限制納米線的生長。

4、如何在無高精度光刻、無晶圓襯底條件下實現(xiàn)超細密排晶態(tài)納米線溝道是近期本課題組需要解決的技術(shù)難題。該技術(shù)的攻克具有重要的科研和產(chǎn)業(yè)化價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請?zhí)岢鲆环N無需高精度光刻制備平面超細密排溝槽及生長納米線的方法，可以在2微米精度光刻條件下實現(xiàn)15nm?以下的生長溝槽陣列，進而生長出10nm左右納米線陣列，有利于實現(xiàn)低成本、低精度下納米線大規(guī)模集成器件及多領(lǐng)域應(yīng)用。

2、本申請?zhí)峁┝艘环N無需高精度光刻制備平面超細密排溝槽及納米線的方法，其特征在于，包括如下步驟：

3、1）利用的掩膜板光刻技術(shù)在襯底上定義邊緣圖案，利用干法刻蝕工藝刻蝕所述襯底形成具有垂直側(cè)壁的突出形貌；

4、2）以第一步定義的邊緣圖案為襯底，在所述襯底上循環(huán)交替淀積兩種不同介質(zhì)層；可根據(jù)對納米線直徑以及間隔距離的需求設(shè)計淀積不同厚度的交替介質(zhì)層，薄膜的厚度決定了溝槽的寬度以及間距；

5、?3）利用cmp工藝將所述邊緣圖案頂端垂直方向循環(huán)堆疊的介質(zhì)層去除，將水平方向循環(huán)交替的兩種介質(zhì)層暴露；

6、4）用對兩種介質(zhì)層具有不同刻蝕速率的腐蝕性液體處理表面，形成平面密排的生長溝槽；

7、5）以步驟4所形成的平面密排生長溝槽為襯底，再次利用掩膜板光刻技術(shù)定義催化金屬，通過蒸發(fā)或者濺射工藝，局部淀積一層帶狀的催化金屬層；

8、6）升高溫度至催化金屬熔點以上，通入還原性氣體等離子體進行處理，使催化金屬層轉(zhuǎn)變?yōu)榉蛛x的金屬納米顆粒；

9、7）將溫度降低到催化金屬顆粒熔點以下，將整個結(jié)構(gòu)表面淀積覆蓋非晶半導(dǎo)體前驅(qū)體薄膜層；然后將溫度升高至適當溫度，使得納米金屬顆粒重新熔化，在其前端開始吸收非晶層，而在后端淀積出晶態(tài)的納米線，在所述生長溝槽的引導(dǎo)下，納米線沿平面密排的引導(dǎo)溝道生長；

10、8）剩余的非晶半導(dǎo)體前驅(qū)體由氫氣等離子體、icp或者rie等刻蝕工藝去除，得到平面密排的納米線。

11、作為優(yōu)選，所述步驟1）中的襯底材料為晶硅、玻璃、鋁箔、氮化硅、氧化硅、碳化硅或藍寶石。

12、作為優(yōu)選，所述步驟2）中兩種不同介質(zhì)層的材料為氮化硅、氧化硅、氧化鋁或碳化硅，沉積技術(shù)采用pecvd或ald。

13、作為優(yōu)選，所述步驟4）中的腐蝕性液體為氮化硅、氧化硅疊層用氫氟酸、熱磷酸、氧化硅、氧化鋁、氮化硅或氧化硅，采用鹽酸進行濕法刻蝕。

14、作為優(yōu)選，所述步驟5）中的催化金屬為in、?sn、?bi、?ga中的一種或其金屬合金。

15、作為優(yōu)選，所述步驟7）中前驅(qū)體層為非晶硅a-si、非晶鍺a-ge、非晶碳a-c或者其他的非晶合金層，以及其異質(zhì)疊層（如a-ge/a-si）結(jié)構(gòu)。

16、本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

17、1）本發(fā)明結(jié)合在垂直側(cè)壁上的疊層結(jié)構(gòu)和cmp工藝，無需高精度光刻制得平面超細密排溝槽結(jié)構(gòu)，并通過平面固液固（ipsls）的納米線生長方法，制備出可定位的平面超細密排納米線，同時通過編程引導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)陣列化即只要通過淀積不同厚度的介質(zhì)層厚度來控制納米線的直徑及間隔層厚度，使用2um的光刻就可以使后續(xù)平面線寬可以做到20nm以下，所需光刻精度相較于saqp技術(shù)需要的90nm光刻精度更低。本發(fā)明有望突破長期以來由于光刻技術(shù)限制無法大規(guī)模集成制備平面超細納米線的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，在低熱預(yù)算、微米級別光刻精度下且能夠在沒有晶圓襯底上實現(xiàn)平面超細納米線陣列，能夠為后端器件及三維集成提供高質(zhì)量的晶硅溝道。

18、2）本發(fā)明無需高質(zhì)量晶格的晶圓作為襯底，對于襯底材料的選擇會更廣泛，同時能夠服務(wù)于三維集成，在沒有晶圓襯底的情況下，簡易制備出超細的密排溝槽，結(jié)合ipsls生長模式，提供高質(zhì)量的超細密排晶硅納米線溝道應(yīng)用于后端器件。

19、3）本發(fā)明利用ipsls生長技術(shù)以及溝槽限制可生長出直徑小于10納米、間距小于10nm的超細晶硅納米線陣列。

技術(shù)特征：

1.無需高精度光刻制備平面超細密排溝槽及納米線的方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述無需高精度光刻制備平面超細密排溝槽及納米線的方法，其特征在于：所述步驟1）中的襯底材料為晶硅、玻璃、鋁箔、氮化硅、氧化硅、碳化硅或藍寶石。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述無需高精度光刻制備平面超細密排溝槽及納米線的方法，其特征在于：所述步驟2）中兩種不同介質(zhì)層的材料為氮化硅、氧化硅、氧化鋁或碳化硅，沉積技術(shù)采用pecvd或ald。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述無需高精度光刻制備平面超細密排溝槽及納米線的方法，其特征在于：所述步驟4）中的腐蝕性液體為氮化硅、氧化硅疊層用氫氟酸、熱磷酸、氧化硅、氧化鋁、氮化硅或氧化硅，采用鹽酸進行濕法刻蝕。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述無需高精度光刻制備平面超細密排溝槽及納米線的方法，其特征在于，所述步驟5）中的催化金屬為in、?sn、?bi、?ga中的一種或其金屬合金。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述無需高精度光刻制備平面超細密排溝槽及納米線的方法，其特征在于，所述步驟7）中前驅(qū)體層為非晶硅a-si、非晶鍺a-ge、非晶碳a-c中的一種或者其異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種結(jié)合垂直側(cè)壁上的疊層結(jié)構(gòu)和CMP工藝制備平面超細密排溝槽結(jié)構(gòu)，并通過平面固液固的納米線生長方法，制備出可定位的平面超細密排納米線，并通過編程引導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)陣列化。本發(fā)明有望突破長期以來由于光刻技術(shù)限制無法大規(guī)模集成制備平面超細納米線的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，在低熱預(yù)算、微米級別光刻精度下且能夠在沒有高晶格質(zhì)量的晶圓襯底上實現(xiàn)平面超細納米線陣列，可大規(guī)模運用于三維集成的后端。

技術(shù)研發(fā)人員：余林蔚,謝銘瑜,錢文濤,王軍轉(zhuǎn)
受保護的技術(shù)使用者：南京大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/18