基于mems工艺制作的硅纳米线及其电学性质

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1、第27卷第9期半导体学报Vol.27No.92006年9月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSSep.,20063基于MEMS工艺制作的硅纳米线及其电学性质1,2,•11111刘文平李铁杨恒焦继伟李昕欣王跃林(1中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050)(2中国科学院研究生院,北京100039)摘要:通过运用Si3N4和SiO2作掩膜,采用各向同性和各向异性腐蚀液,利用硅的腐蚀自停止特性,实现了硅梁的纳米宽度控制,同时利用多次氧化在SOI材料上实现了纳米厚度控制,最终成

2、功批量制作了硅纳米线.扫描电镜观测表明,制备的纳米线厚度和宽度都可严格控制在100nm以下,最细的纳米线宽度可以达到20nm.同批样品的宽度变化范围在20%以内.大气中对其电学特性测量表明,剥离了表面氧化层的纳米线的电阻会随放置时间的增长而逐渐增大.进一步实验分析发现水分吸附在其电阻变化中起了重要的作用.关键词:硅纳米线;MEMS技术;表面吸附EEACC:2550N中图分类号:TN303文献标识码:A文章编号:025324177(2006)0921645205由于光的衍射和干涉等特性不能达到这一要求,因1引

3、言此目前“自上而下”方法制作纳米器件需要采用电子[6]束或者聚焦离子束直写.由此带来的缺点是制作近年来,硅纳米线由于其特殊的物理性质和潜成本昂贵,生产效率低,不利于批量生产.在的应用前景,越来越受到人们的重视.在纳米电路本文我们提出一种基于MEMS技术的硅纳米的研究中,硅纳米线有望成为下一代集成电路的连线制作工艺.通过采用SOI材料,利用硅材料自身[1]接引线甚至是基本的器件单元.除此之外,随着比固有特性,采取巧妙的结构设计和准确的工艺控制,表面积的进一步增大,表面效应变得更加明显.一根制作出符合特定要求的

4、纳米线.这种方法利用了平直径为20nm的硅纳米线,有近20%的原子为表面面工艺的批量制作优势,可以与成熟的半导体工艺原子,因此表面吸附和表面氧化都会对硅纳米线的相兼容,同时避免了传统“自上而下”方法中低效、昂[1]电学性质造成很大的影响,这使得硅纳米线有望贵的高精度光刻工艺.所制成的硅纳米线尺度可控[2]成为某些传感器的敏感单元.性强、定位性好、结构一致性好、易于实现阵列化,为但是,目前的硅纳米线制造技术在一定程度上一些不需要高集成度的传感器、谐振器等应用领域阻碍了人们在硅纳米线上的研究进程.目前制作硅和纳

5、米线传热、电输运性质的基础研究提供了一种纳米线的方法主要可分为两类:一类是“自下而上”简便、有效、有参考价值的制作方法.对硅纳米线的(bottom2up)方法.例如,采用化学气相淀积、物理气电阻测试表明,表面态对硅纳米线的电学性质有深相淀积、激光烧蚀或固2液2固生长等方法,可以在催刻影响,其中水分子的吸附是电阻增大的重要原因.化剂的辅助下在大面积的衬底上随机生长出纳米[3,4][5]线,再通过光刻或者FIB制作上电极实现各2硅纳米线的制造种纳米器件.其缺点是难以操作和定位,给大规模集15-3成生产带来困难.

6、此外硅纳米线的纯度以及尺度的实验中选用的材料为低掺杂(10cm)p型均匀性在上述工艺中都无法得到很好的保证.另一SIMOXSOI圆片,衬底硅厚度为525μm,埋层氧化[6,7]类是“自上而下”(top2down)方法,也即利用类层厚度为375nm,氧化层上的硅层厚度为200nm.18似于传统集成电路的方法制作硅纳米线.这种方法首先通过硼扩散工艺使表层硅的硼浓度为10-3是在已经准备好的材料层上,通过光刻、刻蚀和沉积cm,然后通过不断的氧化和缓冲的HF腐蚀减薄等方式,直接制作出所需要的纳米结构.这种方法通表层

7、硅,最终表层硅的厚度达到50nm,上面有一层常需要亚微米量级的制作精确度.传统的加工工艺100nm的氧化硅.3国家重点基础研究发展规划资助项目(批准号:2006CB300403)•通信作者.Email:wenpingll@mail.sim.ac.cn2006202222收到,2006204207定稿2006中国电子学会1646半导体学报第27卷在此基础上光刻,光刻图形边缘沿硅〈110〉晶向.缓冲的HF腐蚀液将光刻胶的图形转移到氧化硅上,再利用氧化硅做掩膜,采用25%TMAH溶液,在50℃下,腐蚀掉未被保护的

8、表层硅,如图1(a)所示.作为一种集成电路工艺兼容的各向异性腐蚀液,TMAH对硅的不同晶面的腐蚀速率有很大的差异,其中(111)面由于腐蚀速率远小于其他晶向而可认为近似出现了自停止,形成如图所示的斜面,斜面与底面的夹角是5417°.清洗后,使用低压化学气相沉积(LPCVD)生长一层Si3N4,保护已腐蚀出的硅(111)面,并在距离该面不远(略高于一般光刻机的对准误差极限)的地方光刻开出窗口,用离子束刻蚀去除Si3

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