本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種控制砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體技術(shù)作為信息產(chǎn)業(yè)的核心和基礎(chǔ)，是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)進步和綜合國力的重要標志。在過去的40多年中，硅基集成技術(shù)遵循摩爾定律通過縮小器件的特征尺寸來提高器件的工作速度、增加集成度以及降低成本，硅基CMOS器件的特征尺寸已經(jīng)由微米尺度縮小到納米尺度。然而當(dāng)MOS器件的柵長縮小到90納米以下，柵介質(zhì)(二氧化硅)的厚度已經(jīng)逐漸減小到接近1納米，關(guān)態(tài)漏電增加、功耗密度增大、遷移率退化等物理極限使器件性能惡化，傳統(tǒng)硅基微電子集成技術(shù)開始面臨來自物理與技術(shù)方面的雙重挑戰(zhàn)。

從材料方面來說，采用高遷移率材料替代傳統(tǒng)硅材料作為襯底材料將是半導(dǎo)體集成技術(shù)的重要發(fā)展方向。因為砷化鎵(GaAs)的電子遷移率顯著高于硅材料，所以砷化鎵(GaAs)被認為有望取代硅材料以適應(yīng)22納米以下邏輯器件的需求。另一方面，從器件微結(jié)構(gòu)上來說，為了進一步提高柵對溝道載流子濃度的控制能力，以鰭狀柵、納米線為代表的三維結(jié)構(gòu)將取代傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)，成為22納米節(jié)點以下的主流結(jié)構(gòu)?；谝陨蟽牲c，砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)將在未來發(fā)揮更加重要的作用。傳統(tǒng)的襯底刻蝕技術(shù)往往需要依靠離子刻蝕或者溶液腐蝕的辦法。前者通常成本較高且容易引入離子損傷導(dǎo)致的缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明目的在于通過控制氧氣分壓及反應(yīng)溫度，使砷化鎵與氧氣反應(yīng)生成易揮發(fā)的三氧化二砷(As₂O₃)和一氧化二鎵(Ga₂O)，從而提供一種控制砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種控制砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法，利用控制砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)尺寸的裝置對砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)的尺寸進行控制，包括：把砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)置于腔體中；利用熱氧化法對所述砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)的尺寸進行控制。

優(yōu)選地，所述利用熱氧化法對砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)的尺寸進行控制包括：將腔體抽真空；向所述腔體通入含氧混合氣體；將所述腔體內(nèi)的溫度升至反應(yīng)溫度，所述砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，所述砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)的尺寸減小。

優(yōu)選地，所述將腔體抽真空包括：利用分子泵將腔體抽真空，關(guān)閉分子泵。

優(yōu)選地，所述向腔體通入含氧混合氣體包括：打開混合氣瓶和高純氣瓶，調(diào)節(jié)第一通氣管線和第二通氣管線的流量計，向腔體內(nèi)充入含氧混合氣體和高純氣體。

優(yōu)選地，所述將腔體內(nèi)的溫度升至反應(yīng)溫度，砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)包括：利用加熱裝置將腔體內(nèi)的溫度升溫至反應(yīng)溫度并保溫，氧化反應(yīng)開始進行，砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)的外層部分和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成三氧化二砷蒸汽和一氧化二鎵，砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)的尺寸減小。

優(yōu)選地，調(diào)節(jié)氧氣分壓至0.01-10帕斯卡區(qū)間，腔體內(nèi)的反應(yīng)溫度至500-700攝氏度區(qū)間。

優(yōu)選地，當(dāng)氧氣分壓介于0.01-0.1帕斯卡之間，腔體內(nèi)的反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)至500-650攝氏度區(qū)間。

優(yōu)選地，當(dāng)氧氣分壓介于0.1-10帕斯卡之間，腔體內(nèi)的反應(yīng)溫度應(yīng)調(diào)節(jié)至550-700攝氏度區(qū)間。

優(yōu)選地，所述砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)是單晶、多晶或者非晶砷化鎵納米線、納米帶、量子點、鰭狀柵。

優(yōu)選地，所述含氧混合氣體是氮氣、氬氣、氦氣、氖氣的一種或多種與氧氣的的混合氣體；所述高純氣體是氮氣、氬氣、氦氣、氖氣的一種或多種。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的控制砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法具有以下有益效果：

(1)通過加熱氧化方法實現(xiàn)砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)尺寸的減小，一方面杜絕了引入雜質(zhì)離子，另一方面避免了離子刻蝕造成的損傷，且兼具成本低廉的優(yōu)勢，具有非常重要的應(yīng)用價值和經(jīng)濟價值；

(2)本方法的刻蝕速率在0.01納米每分鐘至30納米每分鐘之間，可以實現(xiàn)砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)尺寸在亞22納米及以上節(jié)點上的精確控制，具有高精度的控制效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的控制砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)尺寸的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的控制砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法流程圖；

圖3為600攝氏度下砷化鎵(100)單晶的平均熱氧化刻蝕速率隨氧分壓的變化曲線；

圖4為氧氣分壓為1帕斯卡條件下，砷化鎵(100)單晶的平均熱氧化刻蝕速率隨溫度變化曲線。

符號說明

101-砷化鎵納米線；102-外層部分；103-直徑更細的砷化鎵納米線；104-腔體；105-加熱裝置；106-分子泵；107-第一通氣管線；108-第二通氣管線；109-混合氣瓶；110-高純氣瓶。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

本發(fā)明將砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)置于氧氣和其它惰性氣體的混合氣體中，通過調(diào)節(jié)氣體流量比進而控制氧氣分壓以及反應(yīng)溫度，實現(xiàn)砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)尺寸的控制。

參見圖1，本發(fā)明實施例的控制砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法，利用一控制砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)尺寸的裝置，該裝置的腔體104側(cè)壁安裝有加熱裝置105，混合氣瓶109經(jīng)第一通氣管線107連通腔體104，高純氣瓶110經(jīng)第二通氣管線108連通腔體104，在第一通氣管線107和第二通氣管線108中均設(shè)置有流量計，腔體104還與分子泵106連通，腔體104用于放置砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)。

混合氣體可以是氧氣與氮氣(N₂)、氬氣(Ar)，氦氣(He)、氖氣(Ne)的其中一種或多種的混合氣體，其中以氮氣(N₂)成本最為低廉，當(dāng)采用氮氣時，混合氣瓶109的氧氣濃度為0.1％，高純氣瓶110的氮氣純度為99.99995％。

加熱裝置105為碘鎢燈式光致加熱裝置，腔體104為厚壁石英腔體，第一通氣管線107和第二通氣管線108為耐氧化管線，分子泵106為轉(zhuǎn)速75kRPM的分子泵，極限真空度為10^-4帕斯卡。

本實施例的控制砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法，參見圖2，首先，把砷化鎵納米線101置于腔體104中。

其次，利用分子泵106將腔體104抽真空至小于5x10^-3帕斯卡，關(guān)閉分子泵106。

接著，打開混合氣瓶109和高純氣瓶110，調(diào)節(jié)第一通氣管線107和第二通氣管線108的流量計，使混合氣瓶109的流量為0.25sccm，高純氣瓶110的流量為250sccm，向腔體104內(nèi)充入兩路氣體，直到腔體的氣體壓強恒定在1個標準大氣壓。

然后，利用加熱裝置105將腔體104的反應(yīng)溫度以5度/秒的速度升溫至600攝氏度，保溫，氧化反應(yīng)開始進行。隨著氧化反應(yīng)的進行，砷化鎵納米線的外層部分102逐漸和氧氣發(fā)生反應(yīng)形成三氧化二砷蒸汽和一氧化二鎵，從而獲得直徑更細的砷化鎵納米線103。

在本發(fā)明中，砷化鎵納米線101是利用金屬離子催化方法制備而成的單晶砷化鎵納米線。納米線初始線寬度為50納米，線長度為10微米。

進一步地，本發(fā)明的裝置和方法還適用于其他砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)，砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)可以是物理方法或者化學(xué)方法制備的單晶、多晶或者非晶砷化鎵納米線、納米帶、量子點、鰭狀柵等等。砷化鎵納米線、納米帶可以是獨立的或團簇的依附于或者不依附于襯底材料的納米線、納米帶。砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)的微觀尺寸介于2納米x2納米x2納米至200微米x200微米x200微米之間。

本發(fā)明針對不同的氧氣分壓區(qū)間對砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)進行加熱處理，調(diào)節(jié)腔體104的氣體壓強以及各組分流量比，氧氣分壓應(yīng)調(diào)節(jié)至0.01-10帕斯卡區(qū)間。當(dāng)氧氣分壓介于0.01-0.1帕斯卡之間，腔體104內(nèi)的反應(yīng)溫度應(yīng)調(diào)節(jié)至500-650攝氏度區(qū)間。當(dāng)氧氣分壓介于0.1-10帕斯卡之間，腔體104內(nèi)的反應(yīng)溫度應(yīng)調(diào)節(jié)至550-700攝氏度區(qū)間。

進一步，納米微結(jié)構(gòu)的尺寸的刻蝕速率具有如下趨勢。刻蝕速率由氧氣分壓和反應(yīng)溫度以及砷化鎵材料的晶態(tài)和取向決定?？涛g速率隨溫度的升高而增加、隨氧氣分壓的增加而增加。

圖3為600攝氏度下砷化鎵(100)單晶在不同氧氣分壓下熱氧化刻蝕隨時間變化的曲線。如圖3所示，平均刻蝕速率隨著氧氣分壓的升高而升高。從0.1帕斯卡下的1納米每分鐘到100帕斯卡下的9納米每分鐘。值得指出的是，該刻蝕速率的誤差值也隨著氧氣分壓的升高而增大。所以，對于刻蝕精度要求比較高的情況，如本例中的砷化鎵納米線，選擇在低氧分壓條件下進行比較合適。

圖4為氧氣分壓為1帕斯卡條件下，砷化鎵(100)單晶的平均熱氧化刻蝕速率隨溫度變化曲線。如圖4所示，平均刻蝕速率隨著溫度的升高而升高，從500攝氏度下的2納米每分鐘到800攝氏度下的約5納米每分鐘。

從材料的晶態(tài)和取向來說，對于刻蝕速率，單晶(110)＞單晶(100)＞單晶(111)。通過改變溫度、氧氣分壓，對于不同的砷化鎵材料，可以實現(xiàn)介于0.01-30納米每分鐘之間的刻蝕速率。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對本發(fā)明的控制砷化鎵納米微結(jié)構(gòu)尺寸的方法和裝置有了清楚的認識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限于實施例中提到的各種方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍；

(2)上述實施例可基于設(shè)計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實施例。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。