[发明专利]一种控制锗纳米微结构尺寸的方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种控制锗纳米微结构尺寸的方法，属于半导体集成技术领域。

背景技术

半导体技术作为信息产业的核心和基础，是衡量一个国家科学技术进步和综合国力的重要标志。在过去的40多年中，硅基集成技术遵循摩尔定律通过缩小器件的特征尺寸来提高器件的工作速度、增加集成度以及降低成本，硅基CMOS器件的特征尺寸已经由微米尺度缩小到纳米尺度。然而当MOS器件的栅长缩小到90纳米以下，栅介质（二氧化硅）的厚度已经逐渐减小到接近1纳米，关态漏电增加、功耗密度增大、迁移率退化等物理极限使器件性能恶化，传统硅基微电子集成技术开始面临来自物理与技术方面的双重挑战。

从材料方面来说，采用高迁移率材料替代传统硅材料作为衬底材料将是半导体集成技术的重要发展方向。因为锗（Ge）的空穴迁移率1900 cm²/V·s和电子迁移率3900 cm²/V·s都显著高于硅材料， 所以锗（Ge）被认为有望取代硅材料以适应22纳米以下逻辑器件的需求。另一方面，从器件微结构上来说，为了进一步提高栅对沟道载流子浓度的控制能力，以鳍状栅、纳米线为代表的三维结构将取代传统的平面结构，成为22纳米节点以下的主流结构。基于以上两点，锗纳米微结构将在未来发挥更加重要的作用。传统的衬底刻蚀技术往往需要依靠离子刻蚀或者溶液腐蚀的办法。前者通常成本较高且容易引入离子损伤导致的缺陷。

发明内容

本发明目的在于提供一种控制锗纳米微结构尺寸的方法，通过控制氧气分压及反应温度，使锗与氧气反应生成易挥发的一氧化锗，达到控制锗纳米结构尺寸的目的。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

    一种控制锗纳米微结构尺寸的方法，通过热氧化法实现相应纳米微结构尺寸的减小。

    所述热氧化法，反应物为锗和氧气，反应生成物为气态的一氧化锗，反应不生成二氧化锗，反应气氛为纯氧气或者氧气和其它性质稳定的气体的混和气体，所述氧气分压控制在0.01帕斯卡~10帕斯卡。

    所述反应温度依赖于氧气分压决定，0.01帕斯卡至0.1帕斯卡之间时，温度应限定在500摄氏度至650摄氏度，0.1帕斯卡至10帕斯卡之间时，温度应限定在550摄氏度至700摄氏度。

    还包括刻蚀速率，所述刻蚀速率由氧分压和反应温度以及锗材料的晶态和取向决定，刻蚀速率随温度的升高而增加，刻蚀速率随氧分压的增加而增加，从刻蚀速率上讲，非晶>多晶>单晶（110）>单晶（100）>单晶（111），通过改变温度、氧气分压，对于不同的锗材料，可以实现介于0.01-30纳米每分钟之间的刻蚀速率。

    所述反应物锗可以是单晶、多晶或者非晶态锗，单晶锗可以是包括（100），（110）和（111）等的各种取向的衬底，所述锗可以是平面衬底上的锗条或者独立或团簇状的纳米线、纳米带。

    所述其它性质稳定的气体，在700摄氏度以下不会和锗或者氧气发生化学反应，可以是氮气，氩气，氦气，氖气或者上述气体的混合气体。

所述氧气分压，调节气体的总压强以及氧气和其它性质稳定的气体的压强比，使氧气的分压控制在0.01帕斯卡至10帕斯卡之间。

将锗纳米微结构置于氧气和其它惰性气体的混合气体中，通过调节气体流量比进而控制氧气分压以及反应温度, 实现锗纳米微结构尺寸的控制。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述锗纳微结构可以是物理方法或者化学方法制备的单晶、多晶或者非晶锗纳米线、纳米带、量子点、鳍状栅等等，所述锗纳米线、纳米带可以是独立的或团簇的依附于或者不依附于衬底材料的纳米线、纳米带。锗纳米结构微观尺寸介于2纳米x2纳米x2纳米至200微米x200微米x200微米之间。

进一步，所述混合气体氮气（N₂）、氩气（Ar）、氦气（He）、氖气（Ne）或者上述气体的混合气体，其中以氮气（N₂）成本最为低廉。

进一步，通过调节整体的气体压强以及各组分流量比，调节氧气分压至0.01-10帕斯卡区间，当氧气分压介于0.01-0.1帕斯卡之间，反应温度调节至500-650 摄氏度区间，当氧气分压介于0.1-10帕斯卡之间，反应温度调节至550-700 摄氏度区间。