[发明专利]锗硅纳米低维结构的可控制备方法及产品

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件纳米加工技术领域，具体来说，涉及一种锗硅纳米低维结构可控制备方法及产品。 

背景技术

锗硅纳米低维结构即具有二维量子限制或者三维量子限制的纳米尺度结构，如锗硅量子点、锗硅纳米线等。它们在近些年来逐渐成为集成光电子领域的研究热点。锗硅纳米低维结构具有独特的通讯波段的光发射和光吸收特性、具有量子限制效应和库伦阻塞效应、良好的载流子迁移率以及能与CMOS工艺兼容等优点，拥有十分广阔的应用前景。例如，锗硅量子点可以用来制作片上集成光源和光探测器、单电子晶体管等；锗硅纳米线可以用来制作无结纳米线晶体管、集成阵列传感器等未来集成光电子领域的关键器件。 

传统锗硅自组装量子点的制备是依靠分子束外延生长技术，在平整的硅衬底上通过Stranski–Krastanov模式生长出来的。由于锗硅之间有4.18％的晶格失配，当外延在硅上的锗膜会受到面内的压应力，当锗膜达到临界厚度的时候，会由于应力弛豫呈三维岛状生长，这即是自组装量子点生长的Stranski–Krastanov生长模式。这种自组装量子点的尺寸和位置都是随机的。为了实现锗硅量子点的定位生长，人们在硅衬底的表面挖出纳米尺度的小孔。使用这种图形衬底进行外延生长时，锗硅量子点会优先在小孔内成核；通过控制生长温度和锗的沉积量，可以实现锗硅量子点的定位在小孔内生长。这种定位生长锗硅量子点能控制量子点大小和位置，但具有量子点的尺寸偏大、量子点内部缺陷多等缺点，不利于一些小尺寸量子点器件的制备。 

传统锗硅纳米线的制备是依靠气相外延沉积法制备的。在纳米金颗粒的催化下，通过控制通入硅烷和锗烷的配比和反应温度来实现纳米线的生长。它的特点是纳米线的截面尺寸由金颗粒的大小决定，能实现高质量的锗硅多层嵌套的同轴异质纳米线结构。这种锗硅纳米线一般是垂直向上生长，生长方向和位置往往比较随机，因此生长出来的锗硅纳米线不易与半导体微纳加工的平面工艺兼容。 

总之，现有的锗硅纳米线和量子点的生长制备工艺虽然均发展的比较成熟，却并不能实现纳米低维结构的完全可控制备，不能精确的控制每一根纳米线及每一个量子点的位置、大小、形貌、和组分等关键参数，给基于锗硅纳米低温结构的半导体器件的加工带来了很大的工艺难度。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种锗硅低维纳米结构可控制备方法及产品，能够精确控制纳米结构的形貌和位置，有效缩小横向尺寸的缩小和提高锗组分，可控性好，工艺步骤简单，重复性高，为精确制备基于锗硅纳米低维结构的半导体器件提供了技术可能。 

为实现本发明的技术目的，本发明采用如下技术方案： 

一种锗硅纳米低维结构的可控制备方法， 

(a)清洗硅衬底； 

(b)在硅衬底上外延生长锗硅合金形成外延衬底； 

(c)涂敷电子抗蚀剂，通过电子束光刻技术在电子抗蚀剂上曝光所需锗硅纳米低维结构图形； 

(d)采用干法刻蚀将锗硅纳米低维结构图形转移到外延衬底上得到样品； 

(e)去除样品上的电子抗蚀剂； 

(f)高温环境下进行氧化和退火，使得硅被优先氧化形成氧化硅而锗被析出； 

(g)在氮氢混合气氛下退火处理，形成锗硅纳米低维结构。 

进一步地，所述步骤(b)中的锗硅合金的锗组分占锗硅合金的质量比为1％～50％；锗硅合金的厚度与结构目标厚度和锗组分有关，结构目标厚度和锗组分越大，则选取的锗硅合金厚度越大。 

进一步地，所述步骤(b)中的外延生长方法采用分子束外延生长法MBE或超高真空气相沉积法UHV-CVD。 

进一步地，所述步骤(c)中的电子抗蚀剂可采用负性电子抗蚀剂(例如SAL601或HSQ)或正性电子抗蚀剂(例如PMMA或ZEP520)。 

进一步地，所述步骤(d)中的干法刻蚀采用CCl4、BCl3、CHF3、SF6或CFCl2为蚀刻气体，采用反应离子刻蚀RIE、电感耦合等离子ICP刻蚀或电子回旋ECR刻蚀方法。 

进一步地，所述步骤(f)中的氧化和退火交替进行。 

进一步地，所述步骤(f)中的氧化和退火均在高温管式炉中进行。 

进一步地，所述步骤(f)中的氧化方式是干氧氧化，退火方式是氮气环境退火，氧化和退火温度为800～1000℃。 

进一步地，所述步骤(g)中的氮氢混合气退火的温度为400-600℃。 

进一步地，所述步骤(d)中干法刻蚀要求刻蚀后剩余硅锗能够在后续的氧化步骤中被完全消耗掉，使最终形成的纳米低维结构被完全包裹在氧化层中。