[发明专利]使用纳米压印和接触式光刻制备硅纳米线晶体管的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米压印技术领域，具体为一种使用纳米压印和接触式光刻两种图形化技术制作硅纳米线晶体管的方法。

背景技术

随着微电子技术的发展，CMOS集成电路的特征尺寸不断缩小，芯片器件密度不断增加。这样的器件尺寸缩微在提升晶体管速度和降低功耗的同时也带来了包括短沟道效应、单位面积功耗上升在内的各种困难。

为了克服上述困难，人们提出了基于硅纳米线结构的各种固态开关器件。如：以硅纳米线作为沟道的双栅场效应晶体管结构、FinFET结构、和环栅场效应晶体管结构等。然而，为了制备高性能器件，必须要制备非常窄的硅纳米线，且沟道的宽度即纳米线长度也应较小。

纳米压印技术是一种高精度、高产出、低成本的图形复制技术。但是一般而言，极小尺寸的图形和大尺寸的图形，如线宽20纳米和20微米的图形，难以通过一次压印完成。而接触式光刻机易于实现大图形的套准和复制，且设备价格低廉，但是由于其大至微米量级的套准精度和最小图形精度，使之无法用于纳米线场效应管的关键部分的加工。

如果可以将纳米压印技术和接触式光刻技术结合起来，制作顶栅纳米线晶体管结构，包括双栅/三栅/环栅晶体管，FinFET，和纳米线单电子晶体管/存储器，则可以大大降低纳米线晶体管器件的研究和应用门槛，对我国的科研院所和企业有重大实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种简单、方便、高精度制作硅纳米线晶体管的方法。

本发明提出的硅纳米线晶体管制作方法，是将纳米压印技术和接触式光刻技术结合起来，制作顶栅纳米线晶体管结构，包括双栅/三栅/环栅晶体管，FinFET，和纳米线单电子晶体管/存储器，具体步骤如下：

（1）选用合适顶层硅厚度，和初始掺杂浓度小于5×10¹⁵/cm³的SOI片作为样品衬底，在衬底上旋涂PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）和SU-8光刻胶； 

（2）使用线条阵列图形的模板对SU-8光刻胶进行压印，在SU-8光刻胶上形成周期性凹凸的线条图形；

（3）在经上述步骤的样品表面用PVD（物理气相淀积）方法定向淀积一层镍，淀积方向垂直于压印线条，并与衬底法线方向成一定角度，角度的选取要使淀积的镍能覆盖光刻胶表面大部分地方，但没有覆盖压印线条边缘造成的阴影区域；

（4）以上述镍为掩蔽层，用RIE刻蚀光刻胶，掏空上述阴影区域下的光刻胶；

（5）用PVD方法垂直于样品表面淀积一层镍，在硅片上产生镍线条图形，该图形为阴影区域在SOI硅表面上的投影；

（6）用丙酮和超声波清洗机对样品进行剥离，在样品表面仅留下镍线条；

（7）在样品表面用PECVD（等离子增强化学气相淀积）生长一层氮化硅；

（8）在氮化硅上旋涂一层SU-8光刻胶；

（9）对SU-8光刻胶进行压印，所用模板上的图形为凸起的沟道和栅电极图案（均为线条或线条网格）；

（10）用RIE刻蚀样品，先去除SU-8光刻胶压印剩余层，再刻蚀暴露出的氮化硅，最后以镍线条为掩蔽图形刻蚀硅，形成硅纳米线；

（11）将样品在浓硫酸双氧水混合液中煮沸，去除SU-8光刻胶以及硅纳米线上的镍层；

（12）对样品进行快速热氧化，温度950℃-1050℃，时间200秒至800秒；并用氢氟酸腐蚀去除氧化层，以减小硅纳米线的线宽；

（13）再次进行快速热氧化，温度950℃-1050℃，时间50秒至300秒，在硅纳米线表面生长栅氧；

（14）在样品表面用PECVD低温生长重掺杂的非晶硅，非晶硅将填充氮化硅上的沟槽结构（即沟道和栅电极）；

（15）用RIE刻蚀非晶硅，去除氮化硅表面的非晶硅，但氮化硅沟槽仍然保留了部分非晶硅（原理类似CMOS工艺中制作边墙）；

（16）用热磷酸去除氮化硅；

（17）将样品在浓硫酸双氧水混合液中煮沸，以去除SOI表面剩余的镍线条；

（18）用RTP（快速热处理）处理样品，温度800℃-1000℃，时间10分钟至60分钟，使非晶硅晶化成多晶硅；

（19）对样品进行离子注入，作为源漏掺杂； 

（20）高温快速热处理样品，温度800℃-1000℃，时间10秒至60秒，激活杂质；

（21）在样品表面旋涂一层SU-8光刻胶；

（22）用接触式光刻定义器件区域；