CN103441062A - 一种Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带的制备方法 - Google Patents

一种Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带的制备方法，涉及一种纳米材料。在SOI衬底上，用分子束外延或化学汽相沉积法生长一层Si/SiGe/Si结构，用全息激光干涉法对得到的样品曝光显影得周期在1μm以下的光栅阵列，利用ICP干法及湿法结合刻蚀图形，刻蚀深度为到达SOI衬底的埋层SiO2层；利用常规电阻式加热氧化炉对样品进行选择性氧化退火得到带宽达200nm以下的Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带。Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带是通过局部选择性氧化的方式将SOI衬底上的外延Si和SiGe进行氧化，从而减小带宽、调控Ge组份制备生成纳米尺度的半导体材料，简易、低成本、与硅传统工艺相兼容。

Description

一种Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带的制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米材料，尤其是涉及一种Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带的制备方法。
背景技术
纳米材料作为一种新型材料,已经展示了良好的应用前景,目前对纳米材料的应用研究热点主要集中在纳米管、纳米线、纳米薄膜、纳米复合材料等方面。随着器件尺寸的减小,量子限制效应、库仑阻塞效应等物理效应会越来越显著,将从更深层次揭示纳米半导体材料的新性能,为实现纳米器件的应用打下基础。虽然目前已初步实现了纳米晶体管、传感器等纳米器件的部分功能,但是纳米器件的研究仍处于起始阶段,离纳米器件的大规模集成还有相当大的距离。
硅纳米线（或纳米带）作为一类重要的一维半导体纳米材料,在纳米器件方面具有很好的应用前景,可以用于高性能场效应晶体管、单电子探测器和场发射显示器件等纳米器件的制备（[1]K.-Q.Peng,X.Wang,L.Li,Y.Hu,S.-T.Lee,Nano Today,8(2013)75-97；[2]N.Singh,K.D.Buddharaju,S.Manhas,A.Agarwal,S.C.Rustagi,G.Lo,N.Balasubramanian,D.-L.Kwong,Electron Devices,IEEE Transactions on,55(2008)3107-3118.）。而Ge材料及高Ge组分的SiGe具有高的载流子迁移率，有可能成为未来微纳特征尺寸集成电路金属-绝缘体-半导体（MOSFET）器件的沟道材料，且在Ge中引入应变，将进一步提高其载流子迁移率和在光通信波段的吸收系数，获得高性能的应变Ge MOSFET器件以及光电子器件。现有的关于SiGe及Ge纳米（线）带的制备方法主要是自下而上地沉积方法，其存在金属催化污染、纳米线不均匀、长度受限等问题。另一种自上而下的制备方法需采用电子束、离子束等光刻工艺，在Ge组份（特别是高Ge组份）控制、制备效率等方面仍存在困难（[3]G.Capellini,G.Kozlowski,Y.Yamamoto,M.Lisker,C.Wenger,G.Niu,P.Zaumseil,B.Tillack,A.Ghrib,M.de Kersauson,M.El Kurdi,P.Boucaud,T.Schroeder,Journal of applied physics,113(2013)013513；[4]Y.Jiang,N.Singh,T.Liow,W.Loh,S.Balakumar,K.Hoe,C.Tung,V.Bliznetsov,S.Rustagi,G.Lo,Electron Device Letters,IEEE,29(2008)595-598；[5]M.Bouwes Bavinck,M.Zielinski,B.J.Witek,T.Zehender,E.P.Bakkers,V.Zwiller,Nano letters,12(2012)6206-6211；[6]S.Hu,Y.Kawamura,K.C.Huang,Y.Li,A.F.Marshall,K.M.Itoh,M.L.Brongersma,P.C.McIntyre,Nano letters,12(2012)1385-1391）。
已有的制备SiGe及Ge纳米尺寸结构的方法都存在工艺条件要求高、Ge组份调控困难、难与传统硅工艺相兼容等缺点。
发明内容
本发明的目的在于针对目前存在的半导体纳米线的制备方法存在的金属催化污染、纳米线不均匀、长度受限、Ge组分调控等问题，提供一种Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带的制备方法。
本发明包括以下步骤：
1）在SOI衬底上，用分子束外延或化学汽相沉积法生长一层Si/SiGe/Si结构，清洗后得样品；
2）用全息激光干涉法对步骤1）得到的样品进行曝光显影，得到周期在1μm以下的光栅阵列，利用ICP干法及湿法结合刻蚀图形，刻蚀深度为到达SOI衬底的埋层SiO2层；
3）利用常规电阻式加热氧化炉对样品进行选择性氧化退火得到带宽达200nm以下的Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带。
在步骤1）中，表面Si层在氧化过程中起到保护Ge流失的作用。
在步骤3）中，所述选择性氧化是从顶部及两侧壁向内同时进行，从而减小纳米带的带宽；所述选择性氧化得到的SiGe合金纳米带的Ge组份在0～1之间，当Ge组分为1时，即制备出Ge纳米带；所述Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带的厚度为5～50nm，宽度为5～1000nm，长度为10μm以上。
由于经氧化形成的SiGe纳米带四周均被SiO2包围，可用HF缓冲液腐蚀纳米带，使其从衬底脱落，所述HF缓冲液可采用BOE溶液，BOE溶液的组成为HF∶NH4F∶H2O=3∶6∶10。
上述制备方法可用于Si基波导、Ge/SiGe沟道MOSFET器件和Ge光电子器件制备工艺流程中。
本发明与传统硅工艺生产相兼容，Ge组份可调，且能保证晶体质量的同时得到较长的SiGe纳米带。Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带是通过局部选择性氧化的方式将SOI衬底上的外延Si和SiGe进行氧化，从而减小带宽、调控Ge组份制备生成纳米尺度的半导体材料，可以用于制作硅基波导及电子或光电子器件。
本发明采用SOI衬底上外延生长的Si/SiGe/Si结构作为初始材料，一方面材料外延生长方便，技术成熟，另一方面材料生长的时间短。由于刻蚀出的光栅结构在氧化的过程中，条形台面的侧壁及顶层同时被氧化，因此加快了氧化的速率。SiGe的氧化具有选择性氧化Si形成SiO2，Ge不被氧化，凝聚在界面并向衬底隐埋SiO2层扩散的特点，所以氧化合适的时间，最终将生成不同Ge组分及带宽的SiGe纳米带。本发明是一种简易、低成本、与硅传统工艺相兼容的制备Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带的新方法。
附图说明
图1为本发明实施例制备Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带的流程示意图。
图2为氧化后SiGe纳米带的SEM测试结果，可见经过氧化的方法制备出线宽约为200nm的SiGe纳米带。
图3为高组分SiGe纳米带的拉曼光谱测试结果，由Ge-Ge峰和Si-Ge峰位拟合计算得到Ge组分为0.92。
图4为SiGe纳米带经BOE溶液腐蚀后脱落的SEM测试结果，纳米带保持完整。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
图1给出本发明制备Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带的流程示意图。其中：1为硅衬底，2为SiO2层，3为绝缘体上硅层；4为采用超高真空化学汽相淀积***外延生长Si/SiGe/Si结构；5为光刻胶；6为氧化生成的SiO2层；7为氧化浓缩生成的高Ge组分SiGe纳米带。
在SOI衬底上外延生长Si/SiGe/Si结构；对样品进行硅片标准清洗，涂上厚度约500nm厚的光刻胶；再利用全息激光干涉进行光刻得到周期1μm以下的光栅阵列；接着用ICP干法及湿法结合刻蚀到埋层的SiO2层；利用常规电阻式加热氧化炉对样品进行选择性氧化得到SiGe纳米带；最后可根据需要将纳米带置于BOE溶液中腐蚀适当的时间，使得纳米带下面的SiO2层也被腐蚀导致纳米带自动脱落，利用超声设备将其剥落至酒精溶液中以备用。
氧化后SiGe纳米带的SEM测试结果参见图2，由图2可见，经过氧化的方法制备出线宽约为200nm的SiGe纳米带。高组分SiGe纳米带的拉曼光谱测试结果参见图3，由Ge-Ge峰和Si-Ge峰位拟合计算得到Ge组分为0.92。SiGe纳米带经BOE溶液腐蚀后脱落的SEM测试结果参见图4，由图4可见，纳米带保持完整。

Claims (2)

1.一种Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在SOI衬底上，用分子束外延或化学汽相沉积法生长一层Si/SiGe/Si结构，清洗后得样品；
2）用全息激光干涉法对步骤1）得到的样品进行曝光显影，得到周期在1μm以下的光栅阵列，利用ICP干法及湿法结合刻蚀图形，刻蚀深度为到达SOI衬底的埋层SiO2层；
3）利用常规电阻式加热氧化炉对样品进行选择性氧化退火得到带宽达200nm以下的Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带。
2.如权利要求1所述一种Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带的制备方法，其特征在于在步骤3）中，所述Ge组分及带宽可调控的SiGe纳米带的厚度为5～50nm，宽度为5～1000nm，长度为10μm以上。
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