依赖晶面的三维限制硅纳米结构的制备方法 【技术领域】
本发明涉及纳米电子技术中的半导体微纳加工领域，尤其涉及一种利用电子束曝光与硅各向异性湿法腐蚀相结合的制作工艺，在(100)向的绝缘体上硅(SOI)衬底上制备能够应用于量子器件的依赖晶面的三维限制硅纳米结构的加工方法
背景技术
纳米电子技术是纳米技术中最重要的一个分支，纳米电子技术的主要研究内容是特征尺寸为0.1-100纳米范围的纳米结构的加工和具有量子效应的电子器件的研究和发展。传统的量子器件只利用了电子波粒二象性中的粒子性，通过控制电子的数量来实现信号的处理。随着集成度的提高，电路的速度，功耗都成为严重的问题。在较理想的量子器件中，不是单独通过控制电子的数目，主要是通过控制电子波动的相位来实现某种功能的，因此，量子器件具有更高的相应速度和更低的功耗，具有很好的发展前景。为了量子器件的实现，必须有相应的微纳加工技术与之相匹配。
电子束曝光是上世纪60年代从扫描电子显微镜技术基础上发展起来的一种高分辨率的光刻技术。二十世纪90年代以来，美、日的一些研究部门采用电子束曝光技术相继研制成功0.1微米的CMOS器件，0.04微米的MOSFET以及0.05微米的HEMT器件。现在，电子束曝光的技术水平已经推进到纳米级，最先进的电子束直写曝光系统可以把电子束斑聚焦到2纳米，曝光出的最细图形为8纳米。毫无疑问，电子束曝光将成为新一代量子效应器件加工的有力候选。
硅各向异性湿法腐蚀过去主要应用于MEMS领域的微米量级结构的制备，如压力或加速传感器中的横膈膜或悬臂梁结构。这种工艺主要是利用硅的不同晶面在腐蚀液中具有不同的腐蚀速率这一特性，可以在硅衬底上加工出各种各样的微结构。
量子器件要实现室温下工作必须要求其特征尺寸在小于10纳米的范围，微小的表面起伏都会造成量子效应的扰动，因此，要求所制备的纳米结构表面非常光滑，尽量减小起伏。各向异性湿法腐蚀能够获得依赖于晶面的结构，可以获得远优于其它刻蚀方法所获得的刻蚀表面。同时光滑的表面也有利于减少表面态对器件性能的影响。近几年，在单电子器件的纳米结构的制备中，各向异性湿法腐蚀也被广泛采用。其中，最具代表性的日本东京大学工业科学研究所在硅基单电子晶体管方面进行了长期的研究工作。他们在这方面的主要工作是利用电子束曝光与硅各向异性湿法腐蚀相结合的技术，再辅助以氧化等工艺，在SOI衬底上制备出能够在室温下工作的单电子晶体管。为实现垂直方向上尺寸的限制，在制备单电子晶体管工艺的初始阶段，SOI衬底的顶层硅被减薄至20纳米。利用此工艺所制备的单电子晶体管能够在室温下观测到库仑阻塞效应和微分电导效应。[H.Ishikuro and T.Hiramoto.Quantum mechanical effects in thesilicon quantum dot in a single-electron transistor，AppliedPhysics Letters，71，1997，p.3691]。
然而，由于采用了顶层硅减薄的技术，除纳米结构所在区域之外地顶层硅的厚度也仅有20-50纳米，这给后续的欧姆接触工艺带来很大的困难，同时，较薄的顶层硅也会增加器件的电阻，使得器件的功耗增加，不利于器件的大规模集成。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种在SOI衬底的顶层硅上制备依赖晶面的三维限制硅纳米结构的加工方法，以达到简化工艺步骤，减小硅纳米结构量子尺寸差异，减少非纳米结构区域的顶层硅的损耗，降低所在电路电阻的目的。
本发明提供一种依赖晶面的三维限制硅纳米结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)以绝缘体上硅作为衬底；
(b)在衬底上沿<110>晶向方向进行划片，作为曝光时的参考方向；
(c)将衬底进行热氧化，生成二氧化硅掩膜层；
(d)采用电子束曝光，生成平面图形；
(e)采用各向同性腐蚀液对二氧化硅掩膜层进行腐蚀；
(f)再采用各向异性湿法腐蚀，在二氧化硅掩膜层下的硅层上获得依赖晶面的三维限制硅纳米结构。
其中绝缘体上硅材料的顶层硅的晶面取向为(100)向。
其中电子束曝光是采用正型电子束胶PMMA作为抗蚀剂。
其中采用电子束曝光生成的平面图形，该图形是在纳米线条图形的基础上在需要实现三维限制的区域两端开口，曝光时纳米线条方向与划片方向平行。
其中各向同性腐蚀液为氢氟酸、氟化氨和水的混合液。
其中各向异性湿法腐蚀液为四甲基氢氧化铵、异丙醇和水的混合溶液。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)利用本发明，在样品腐蚀过程中采用的各向异性湿法腐蚀方法得到的结构均为晶面限制，因此表面非常光滑，可以有效克服硅基单电子晶体管由于量子点尺寸差异所带来的量子电学性能的不一致性。
2、利用本发明，在无需对样品进行减薄处理的情况下就能得到在三个维度上都足够小的尺寸，这样即实现了量子效应的产生又保证了其它区域的硅的厚度不受腐蚀过程影响。这使后续的欧姆接触工艺可以采用常规工艺进行制备，同时，保持较小的器件电阻，更有利于器件的大规模集成。
【附图说明】
有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现，其中：
图1是经过热氧化，甩胶后的SOI衬底的侧视图；
图2为制作依赖晶面的三维限制硅纳米结构的流程图。
【具体实施方式】
图1为经过热氧化，甩胶后的SOI材料的侧视图，包括：
(1)绝缘体上硅SOI衬底，包括硅基底1、掩埋氧化层2和顶层硅3；
(2)在SOI材料表面进行热氧化，生成20纳米厚的二氧化硅掩膜层4；
(3)在热氧化二氧化硅掩膜层表面旋涂PMMA EL4电子束胶5，旋涂转速为3000rpm，胶厚约为200nm左右。
请参阅图2，图2所示为制作依赖晶面的三维限制硅纳米结构的流程图，本发明一种依赖晶面的三维限制硅纳米结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤S10：以绝缘体上硅作为衬底，该绝缘体上硅材料的顶层硅的晶面取向为(100)向；
步骤S20：在衬底上沿<110>晶向方向进行划片，作为曝光时的参考方向；
步骤S30：将衬底进行热氧化，生成二氧化硅掩膜层；
步骤S40：采用电子束曝光，生成平面图形，该电子束曝光是采用正型电子束胶PMMA作为抗蚀剂，所述采用电子束曝光生成的平面图形，该图形是在纳米线条图形的基础上在需要实现三维限制的区域两端开口，曝光时纳米线条方向与划片方向平行；
步骤S50：采用各向同性腐蚀液对二氧化硅掩膜层进行腐蚀；
步骤S60：再采用各向异性湿法腐蚀，在二氧化硅掩膜层下的硅层上获得依赖晶面的三维限制硅纳米结构，所述各向同性腐蚀液为氢氟酸、氟化氨和水的混合液，所述各向异性湿法腐蚀液为四甲基氢氧化铵、异丙醇和水的混合溶液。
本发明所提供的基于电子束曝光与硅各向异性湿法腐蚀相结合的方法适用于新型的硅量子器件中纳米结构的制备。在已有量子器件的纳米结构制备中，为实现纳米结构的小尺寸要求，多采用较高分辨率的曝光方式来实现水平方向上的尺寸限制，而在垂直方向上尺寸限制多采用将SOI材料的顶层硅进行减薄的方法来实现，但是，较薄的顶层硅的厚度会给后续的欧姆接触等工艺带来一定的困难，而且会给器件带来较大的电阻，且较薄的顶层硅厚度不能用于其它器件的制备，不利于器件的大规模集成。本发明利用巧妙的掩模图形设计和硅各向异性湿法腐蚀的特性制备三维限制的硅纳米结构，其关键特征在于无需对样品进行减薄处理就能得到在三个维度上都足够小的尺寸，所加工硅纳米结构的特征在于：各侧面均由特定晶面所限制；对于纳米结构部分，曝光图形中纳米线上开口的区域在各向异性湿法腐蚀过程中垂直方向和水平方向上都会受到腐蚀，最终形成由两个向下倾斜的向内收缩的晶面对接而成的凹陷结构，其它区域的顶层硅厚度未受到腐蚀过程的影响，还保持制备掩膜后的厚度，这样即实现了量子效应的产生又保证了其它区域的工艺不受影响。同时，由于采用各向异性腐蚀，得到的纳米结构均以特定的晶面作为限制晶面，因此结构表面非常光滑，有效地减少了表面态对器件性能的影响。
实施例
基于图2所示出的制备依赖晶面的三维限制的硅纳米结构的流程图，以下结合具体的实施例对本发明制备依赖晶面的三维限制的硅纳米结构的方法进一步详细说明。
本发明提供的一种利用电子束曝光的工艺实施方法，具体包括如下步骤：
(1)确定电子束曝光时的参考方向：由于(100)向的SOI衬底的标识边是沿<110>晶向方向的，可以作为划片的参考边，在后续的电子束曝光过程中，进一步作为电子束曝光时的参考方向；
(2)热氧化：对图1中所示的SOI衬底上的顶层硅3进行热氧化，在顶层硅3的表面形成一层20nm厚的二氧化硅掩膜层4，此层热氧化的二氧化硅在后续的工艺中作为各向异性湿法腐蚀的掩膜层。
(3)旋涂电子束胶：在图1中所示的热氧化的二氧化硅4表面旋涂一层电子束胶5PMMA EL4，涂胶的转速为3000rpm，得到的胶的厚度约为200nm，前烘温度为180℃，在热板上烘烤10分钟。
(4)电子束曝光：在旋涂有电子束胶5PMMA EL4的SOI衬底表面进行电子束曝光，曝光图形设计为在纳米线上开口的结构形式。通过四甲基二戊酮(MIBK)与异丙醇(IPA)的混合液显影，异丙醇(IPA)定影，氮气吹干后将所设计的曝光图形转移到电子束胶5上，在烘箱中进行坚膜，温度为110℃，时间为10分钟。
(5)二氧化硅掩膜层的腐蚀：利用氢氟酸(HF)、氟化氨(NH4F)和水(H2O)的混合液对(4)中处理后的样品进行各向同性腐蚀，腐蚀时间20秒，用丙酮去除电子束胶，此时，曝光图形从胶层转移到了二氧化硅掩膜层。
(6)依赖晶面三维限制硅纳米结构的形成：以四甲基氢氧化铵
(TMAH)、异丙醇(IPA)和水(H2O)的混合溶液作为硅各向异性腐蚀液，最终在硅上制备出晶面依赖的三维限制的硅纳米结构。曝光图形中纳米线上开口的区域在各向异性湿法腐蚀过程中垂直方向和水平方向上都会受到腐蚀，最终形成由两个向下倾斜的向内收缩的晶面对接而成的凹陷结构，其它区域的顶层硅厚度未受到腐蚀过程的影响，还保持制备掩膜后的厚度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。