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一種納米尺度多晶硅線條的制備方法

文檔序號:10688927閱讀:608來源:國知局
一種納米尺度多晶硅線條的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納米尺度多晶硅線條的制備方法。本發(fā)明采用在襯底上形成非晶硅薄膜層,然后在非晶硅薄膜層上刻蝕出納米尺度細(xì)線條,最后進(jìn)行退火處理,再結(jié)晶得到高質(zhì)量低內(nèi)部缺陷的柱狀多晶硅;本發(fā)明再結(jié)晶后得到的多晶硅的晶粒尺寸顯著提高,內(nèi)部缺陷減少,結(jié)晶效果好;再結(jié)晶后得到的多晶硅,由于晶粒間界更少,方塊電阻下降,載流子遷移率提高,對提高多晶硅金屬?氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MOSFET的性能有積極效果;能夠通過設(shè)計納米尺度細(xì)線條的寬度來控制多晶硅的結(jié)晶大小,可控性和均勻性高;與體硅CMOS工藝完全相兼容,工藝簡單,成本代價小,適用于三維集成。
【專利說明】
一種納米尺度多晶硅線條的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù),具體涉及一種納米尺度多晶硅線條的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]集成電路發(fā)明至今已有五十多年,集成電路一直遵循摩爾定律發(fā)展,S卩:在價格不變的情況下,集成電路的集成度每十八個月增加一倍,性能提升一倍。隨著時間的推移,集成度在逐步提高,器件尺寸隨之減小。但隨著器件尺寸的縮小也給器件性能帶來了一系列挑戰(zhàn):源漏電場對溝道的影響增加,使得柵對溝道的控制能力減弱;柵介質(zhì)厚度按比例減薄,柵泄漏電流逐漸增加;源漏寄生電阻增加降低了器件的驅(qū)動電流;溝道橫向電場和縱向電場的增加,載流子在溝道中散射增加,迀移率降低。所以,減小特征尺寸的難度越來越大。傳統(tǒng)晶體管的物理極限不斷逼近,更小特征尺寸的制造技術(shù)越來越困難,集成電路的功耗不斷增大。在這種情況下,如何繼續(xù)保持微電子技術(shù)以摩爾定律所描述的速度持續(xù)發(fā)展,已經(jīng)成為今天整個行業(yè)都在努力解決的問題。
[0003]三維集成技術(shù)的出現(xiàn),為半導(dǎo)體和微電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供了一個新的技術(shù)方案。所謂三維集成,廣義上是指將多層集成電路芯片堆疊鍵合,通過穿透襯底的三維互連實現(xiàn)多層之間的電信號連接。三維集成是一種與器件結(jié)構(gòu)和工藝無關(guān)的技術(shù)方向能夠不依賴于特征尺寸的不斷縮小而仍舊保持摩爾定律向前發(fā)展。狹義上的三維集成指在前道工藝中將不同器件分不同層次堆疊連接起來,實現(xiàn)單位面積上的集成度提升。
[0004]利用多晶硅薄膜作為有源層形成場效應(yīng)晶體管,能夠在不增加芯片面積的基礎(chǔ)上增加芯片集成度,在三維集成方面擁有巨大潛力。但是多晶硅場效應(yīng)晶體管的性能直接依賴于多晶硅薄膜的特性,直接淀積的多晶硅薄膜的晶粒尺度、表面粗糙度、薄膜電阻率等方面對于制備高性能器件還存在優(yōu)化空間,由于對非晶硅改性得到高質(zhì)量多晶硅薄膜可控性高,一直是業(yè)界研究的熱點。因此,如何通過工藝條件優(yōu)化使得非晶硅薄膜質(zhì)量提高成為研究的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題,本發(fā)明提出了一種納米尺度多晶硅線條的制備方法,通過光刻出非晶硅的納米尺度細(xì)線條,再進(jìn)行快速熱退火結(jié)晶,納米尺度細(xì)線條限制晶粒生長,達(dá)到薄膜晶粒尺寸增大且生長方向可控、尺寸可控的目的。
[0006]本發(fā)明的納米尺度多晶硅線條的制備方法,包括以下步驟:
[0007]I)在硅襯底上制備一層介質(zhì)隔離層;
[0008]2)在介質(zhì)隔離層上淀積一層非晶硅,形成非晶硅薄膜層;
[0009]3)利用光刻技術(shù),在非晶硅薄膜層上形成光刻膠,并形成光刻膠的圖案,光刻膠的圖案為納米尺度細(xì)線條;
[0010]4)利用光刻膠作為掩膜,在非晶硅薄膜層上刻蝕出納米尺度細(xì)線條;
[0011]5)對刻蝕出納米尺度細(xì)線條的非晶硅進(jìn)行退火結(jié)晶處理,納米尺度細(xì)線條的邊界限制晶粒的生長,多晶硅的晶粒生長方向傾向于沿細(xì)線條長度方向,從而在介質(zhì)隔離層上得到高質(zhì)量低內(nèi)部缺陷的柱狀多晶硅。
[0012]其中,在步驟I)中,采用熱氧化方法在硅襯底上制備介質(zhì)隔離層;介質(zhì)隔離層的材料采用氧化硅或氮化硅。
[0013]在步驟2)中,淀積的方法采用低壓化學(xué)氣相淀積(Low Pressure Chemical VaporDeposit1n,LPCVD)或等離子體增強化學(xué)氣相淀積(Plasma Enhanced Chemical VaporDep0Siti0n,PECVD),保證淀積的非晶硅薄膜層具有較好的厚度均勻性。非晶硅薄膜層的厚度在40nm?120nm之間。
[0014]在步驟3)中,光刻技術(shù)采用電子束光刻或193nm浸沒式光刻。納米尺度細(xì)線條的寬度在5nm?120nm之間,長度在10nm?20μηι之間。
[0015]在步驟4)中,刻蝕采用反應(yīng)離子刻蝕(Reactive 1n Etching,RIE)或電感親合等離子體(Inductively Coupled Plasma,ICP)的具有較好各向異性的刻蝕技術(shù)。
[0016]在步驟5)中,退火方法采用快速熱退火(Rapid Temperature Annealing,RTA)或爐退火,兩種退火方式的溫度區(qū)間為800°C?1100°C,優(yōu)選950°C ;快速熱退火的時間為1s?120s,優(yōu)選60s;爐退火的時間為1min?60min,優(yōu)選30min。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0018](I)再結(jié)晶后得到的多晶硅的晶粒尺寸顯著提高,內(nèi)部缺陷減少,結(jié)晶效果好;
[0019](2)再結(jié)晶后得到的多晶硅,由于晶粒間界更少,方塊電阻下降,載流子迀移率提高,對提高多晶硅金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MOSFET的性能有積極效果;
[0020](3)能夠通過設(shè)計納米尺度細(xì)線條的寬度來控制多晶硅的結(jié)晶大小,可控性和均勾性尚;
[0021](4)與體硅CMOS工藝完全相兼容,工藝簡單,成本代價小,適用于三維集成。
【附圖說明】
[0022]圖1為根據(jù)本發(fā)明的納米尺度多晶硅線條的制備方法在硅襯底上制備介質(zhì)隔離層的示意圖,其中,(a)為俯視圖,(b)為沿圖(a)中A-A’的剖面圖;
[0023]圖2為根據(jù)本發(fā)明的納米尺度多晶硅線條的制備方法淀積非晶硅薄膜層的示意圖,其中,(a)為俯視圖,(b)為沿圖(a)中A-A,的剖面圖;
[0024]圖3為根據(jù)本發(fā)明的納米尺度多晶硅線條的制備方法在非晶硅薄膜層上形成納米尺度細(xì)線條的示意圖,其中,(a)為俯視圖,(b)為沿圖(a)中A-A’的剖面圖;
[0025]圖4為根據(jù)本發(fā)明的納米尺度多晶硅線條的制備方法退火非晶硅再結(jié)晶的示意圖,其中,(a)為俯視圖,(b)為沿圖(a)中A-A,的剖面圖;
[0026]圖5為根據(jù)本發(fā)明的納米尺度多晶硅線條的制備方法的一個實施例得到的多晶硅的拉曼光譜圖;
[0027]圖6為根據(jù)本發(fā)明的納米尺度多晶硅線條的制備方法的一個實施例得到的多晶硅的電阻率箱線圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖,通過具體實施例,進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0029]本實施例的納米尺度多晶硅線條的制備方法,包括以下步驟:
[0030]I)在Si (100)的襯底I上熱氧化形成10nm厚的S12介質(zhì)隔離層2,如圖1所示。
[0031]2)在介質(zhì)隔離層2上利用LPCVD方法淀積40nm厚的非晶硅薄膜層3,如圖2所示。
[0032]3)利用電子束光刻,形成光刻膠的圖案,光刻膠的圖案為60nm/90nm/120nm寬,20μm長的納米尺度細(xì)線條,線間距保持為180nm,光刻形成光刻膠的圖案包括以下步驟:
[0033]3-1)在基片表面涂六甲基二硅胺HMDS或三甲基甲硅烷基二乙胺TMSDEA,以增強光刻膠與基片的粘附力;
[0034]3-2)旋涂光刻膠,形成厚度均勻沒有缺陷的光刻膠薄膜;
[0035]3-3)前烘,使光刻膠中的溶劑揮發(fā),降低灰塵粘污,提高光刻膠的粘附性;
[0036]3-4)曝光;
[0037]3-5)曝光后烘焙,促進(jìn)光刻膠受光照之后的化學(xué)反應(yīng);
[0038]3-6)顯影,形成光刻膠圖案;
[0039]3-7)堅膜烘焙,蒸發(fā)掉剩余的溶劑,使光刻膠變硬,再次提高光刻膠對基片的粘附性;
[0040]3-8)鏡檢,檢查光刻工藝的好壞,例如線寬是否達(dá)標(biāo)等問題。
[0041]4)利用各向異性干法刻蝕下層40nm的非晶硅薄膜,非晶硅薄膜層上形成納米尺度細(xì)線條4,如圖3所示。
[0042]5)以950°C,35s的退火條件進(jìn)行快速熱退火,非晶硅再結(jié)晶,納米尺度細(xì)線條的邊界限制多晶硅的生長,從而在介質(zhì)隔離層上得到沿線條長度方向的柱狀多晶硅5,如圖4所不O
[0043]本實施例的實驗結(jié)果:
[0044]拉曼測試可以表征再結(jié)晶非晶硅薄膜得到的多晶硅的結(jié)晶度和晶粒尺寸。由圖5的拉曼光譜可知,拉曼峰位置在單晶硅峰520cm—1附近,表明非晶硅線條經(jīng)過RTA再結(jié)晶退火后具有良好的再結(jié)晶效果;從光譜圖形狀角度分析可知隨著線條寬度的增加,半高寬(FWHW)逐漸變大,表明再結(jié)晶的晶粒尺寸下降。隨著線條寬度增加,尺寸限制作用減弱,非晶硅再結(jié)晶質(zhì)量有所下降,表明尺寸限制這種工藝改良方法能夠有效地提高非晶硅薄膜再結(jié)晶質(zhì)量。
[0045]由圖6可知,隨著非晶硅的納米尺度細(xì)線條寬度的下降,電阻率降低,這表明隨著線條寬度下降,尺寸限制作用增強,晶粒增大,載流子迀移率上升,使得非晶硅薄膜電阻率降低;同時,從圖中可知隨著再結(jié)晶的非晶硅的線條寬度下降,電阻率值的離散性降低,這表明在尺寸限制的作用下,再結(jié)晶得到的多晶硅質(zhì)量一致性提高。
[0046]本發(fā)明采用先形成納米尺度細(xì)線條再退火結(jié)晶,與現(xiàn)有的先退火形成多晶硅再刻蝕形成線條的方法相比,能夠利用尺寸限制作用有效地提高多晶硅線條的晶粒尺寸,減小晶界缺陷,同時由于晶粒更大,載流子迀移率更高,多晶硅線條的電阻率更低。
[0047]綜上,本發(fā)明對提高非晶硅薄膜晶粒尺寸、優(yōu)化薄膜電阻率有積極作用。
[0048]最后需要注意的是,公布實施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明,但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi),各種替換和修改都是可能的。因此,本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容,本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1.一種納米尺度多晶硅線條的制備方法,其特征在于,所述制備方法包括以下步驟: 1)在硅襯底上制備一層介質(zhì)隔離層; 2)在介質(zhì)隔離層上淀積一層非晶硅,形成非晶硅薄膜層; 3)利用光刻技術(shù),在非晶硅薄膜層上形成光刻膠,并形成光刻膠的圖案,光刻膠的圖案為納米尺度細(xì)線條; 4)利用光刻膠作為掩膜,在非晶硅薄膜層上刻蝕出納米尺度細(xì)線條; 5)對刻蝕出納米尺度細(xì)線條的非晶硅進(jìn)行退火結(jié)晶處理,納米尺度細(xì)線條的邊界限制晶粒的生長,多晶硅的晶粒生長方向傾向于沿細(xì)線條長度方向,從而在介質(zhì)隔離層上得到柱狀多晶娃。2.如權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,在步驟I)中,采用熱氧化方法在硅襯底上制備介質(zhì)隔離層。3.如權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,在步驟I)中,所述介質(zhì)隔離層的材料采用氧化硅或氮化硅。4.如權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,在步驟2)中,淀積的方法采用低壓化學(xué)氣相淀積LPCVD或等離子體增強化學(xué)氣相淀積PECVD。5.如權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,在步驟2)中,非晶硅薄膜層的厚度在40nm ?120nm 之間。6.如權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,在步驟3)中,光刻技術(shù)采用電子束光刻或193nm浸沒式光刻。7.如權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,在步驟3)中,納米尺度細(xì)線條的寬度在5nm?120nm之間,長度在100]11]1?2(^1]1之間。8.如權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,在步驟4)中,刻蝕采用反應(yīng)離子刻蝕RIE或電感耦合等離子體ICP。9.如權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,在步驟5)中,退火方法采用快速熱退火RTA或爐退火。10.如權(quán)利要求9所述的制備方法,其特征在于,快速熱退火或爐退火的溫度在800°C?.1100 °C之間;快速熱退火的時間在I Os?120s之間;爐退火的時間在I Omin?60min之間。
【文檔編號】H01L21/308GK106057664SQ201610603257
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月27日 公開號201610603257.5, CN 106057664 A, CN 106057664A, CN 201610603257, CN-A-106057664, CN106057664 A, CN106057664A, CN201610603257, CN201610603257.5
【發(fā)明人】黎明, 陳珙, 張昊, 楊遠(yuǎn)程, 黃如
【申請人】北京大學(xué)
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