一种纳米栅的制备方法、纳米栅及应用与流程

1.本发明属于半导体领域，具体涉及一种纳米栅的制备方法、纳米栅及应用。


背景技术：

2.利用现有的光刻技术制备纳米栅时，其栅长尺寸不仅依赖于光刻设备的分辨率，还取决于光刻工艺中的光刻胶种类、烘烤温度、曝光剂量、显影温度和时间等多种影响因素。这导致器件的栅长尺寸不易被精确控制，尤其是纳米尺度的栅制备困难。目前制备纳米栅的方式主要是通过使用极紫外光刻机工艺进行制备，所需要花费的成本较高，对于设备的需求较大，不容易进行生产。
3.除了使用极紫外光刻机进行100nm及其以下尺寸的微细图形的制备，还可以利用电子束曝光技术(ebl)进行制备，电子的德布罗意波长很短，可以制备得到10nm以下的精细结构。但是对于ebl而言，其效率较低，而且具有很强的邻近效应，对于装置的稳定性要求很高，同时针对电子束曝光的显影和刻蚀工艺也存在很大的问题。
4.需要研制新的制备方法，以便于可以简化纳米尺度的栅的制备，精确控制栅长尺寸，并实现纳米栅器件的制备，进而提升电子器件的性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对目前手段的缺点，针对纳米栅的制备和获取，提出结合薄膜沉积技术制备纳米栅的方法。
6.在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：
7.术语“ald”是指：atomiclayer deposition，原子层沉积。
8.术语“cmp”是指：chemical mechanical polishing，化学机械抛光。
9.术语“rie”是指：reaction ionetching，反应离子刻蚀。
10.术语“pecvd”是指：plasma enhanced chemical vapor deposition，等离子体增强化学的气相沉积。
11.术语“icp-cvd”是指：inductive coupled plasma chemical vapor deposition，感应耦合等离子体-化学气相沉积。
12.术语“lpcvd”是指：low pressure chemical vapor deposition，低压力化学气相沉积。
13.术语“duv光刻”是指：深紫外光刻。
14.术语“euv光刻”是指：极紫外光刻。
15.为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种纳米栅的制备方法，所述方法包括以下步骤：
16.(1)提供工艺制备所需的晶圆；
17.(2)在晶圆上上沉积第一隔离层材料；
18.(3)将步骤(2)所得第一隔离层利用图形制备技术制备图形结构；
19.(4)沉积第二隔离层材料，包覆所述图形结构；
20.(5)沉积第三隔离层材料，填充沟槽并覆盖表面；
21.(6)对步骤(5)所得材料表面进行平坦化，得到平坦的表面并且露出第一、第二、第三隔离层相间排列的结构；
22.(7)刻蚀去除相邻第二隔离层之间的第一、第三隔离层位置处材料，直至晶圆表面；
23.优选地，所述第一隔离层和所述第三隔离层的材料一致。
24.根据本发明第一方面的方法，其中，步骤(1)中所述晶圆材料选自以下一种或多种：石英、硅、镓砷、碳化硅、玻璃、蓝宝石等衬底；
25.优选地，所述晶圆为石英、玻璃；
26.更优选地，所述晶圆为具有功能层的晶圆。
27.根据本发明第一方面的方法，步骤(2)中所述第一隔离层材料厚度不小于步骤(4)中第二隔离层材料厚度的2倍；
28.优选地，步骤(4)中所述第二隔离层材料的厚度不低于1nm。
29.根据本发明第一方面的方法，步骤(3)中所述图形结构为条状图形；
30.优选地，所述条状图形间距不小于第二隔离层材料厚度的2倍。
31.根据本发明第一方面的方法，其中，所述隔离层的材料选自以下一种或多种：氮化硅、氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化铪、氧化钽、氧化锆、铝氮、氮化锆、氮化铪、氧化镍、氧化镓、氧化铌、氮化锆、多晶硅、光刻胶、聚酰亚胺等；
32.优选地，所述第一隔离层和第二隔离层的材料的刻蚀选择比大于2；1。
33.根据本发明第一方面的方法，其中，步骤(2)、(4)或(5)中所述沉积方法为薄膜沉积技术，优选地，所述薄膜沉积技术选自以下一种或多种：ald、pecvd、icp-cvd、lpcvd、反应离子磁控溅射、旋涂。
34.步骤(3)中所述图形制备技术选自以下一种或多种：光刻技术、电子束曝光技术、激光直写技术；
35.优选地，所述光刻技术选自以下一种或多种：紫外光刻、duv光刻、euv光刻、浸没式光刻。
36.根据本发明第一方面的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
37.(8)采用常规工艺处理非纳米栅保留区域，得到所需的台面结构；
38.优选地，所述常规工艺选自以下一种或多种：光刻、湿法腐蚀、干法刻蚀。
39.本发明的第二方面提供了一种纳米栅，所述纳米栅按照第一方面所述的方法制备；
40.优选地，所述纳米栅的线宽为100nm以下，优选为28nm以下，更优选为14nm以下，再优选为7nm以下，进一步优选为5nm以下，最优选为3nm以下。
41.本发明的第三方面提供了一种光栅器件，所述半导体器件包括按照第一方面所述的制备方法而制得的纳米栅和/或第二方面的纳米栅。
42.本发明的目的在于针对目前手段的缺点，针对纳米栅的制备和获取，提出结合薄膜沉积技术制备纳米栅的方法，提高器件的制备工艺，减少器件的制备成本。
43.本发明提供了一种利用薄膜沉积技术制备纳米栅的方法，包含以下步骤：
44.提供工艺所需的晶圆；
45.利用薄膜沉积技术在平坦表面上生长第一隔离层材料；
46.将第一隔离层利用光刻技术或者其他图形制备技术，制备得到相关图形结构；
47.利用薄膜沉积技术生长第二隔离层材料，包覆图形结构；
48.利用薄膜沉积技术生长第三隔离层材料，填充沟槽并覆盖表面；
49.利用cmp技术，得到平坦的表面并且露出第一、第二、第三隔离层相间排列的结构；
50.利用刻蚀技术，将第一、第三隔离层位置处材料去除，直至晶圆表面；
51.所述第一隔离层材料与第三隔离层材料一致；
52.所述晶圆不仅包含普通的衬底材料，如硅、镓砷、碳化硅等衬底，也包括石英、玻璃等，更包括具有功能层的晶圆；
53.所述利用薄膜沉积技术沉积隔离层材料，薄膜沉积技术包含但不仅限于ald、pecvd、icp-cvd、lpcvd、反应离子磁控溅射等技术、旋涂等；
54.所述利用薄膜沉积技术在晶圆沉积隔离层材料，其隔离层材料包含但不仅限于氮化硅、氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化铪、氧化钽、氧化锆、铝氮、氮化锆、氮化铪、氧化镍、氧化镓、氧化铌、氮化锆、光刻胶、聚酰亚胺等材料；
55.所述将第一隔离层利用光刻技术或者其他图形制备技术，制备得到相关图形结构，其中光刻技术包含普通的紫外光刻、duv光刻、euv光刻、浸没式光刻等可操控的光刻技术；
56.所述将第一隔离层利用光刻技术或者其他图形制备技术，制备得到相关图形结构，其中其他制备图形制备技术包含但不仅限于电子束曝光技术、激光直写技术等可操控的图形制备技术；
57.所述利用薄膜沉积技术沉积第二隔离层材料，包覆图形结构，其隔离层材料厚度应该至少为1nm；
58.所述利用薄膜沉积技术生长第一隔离层材料和第二隔离层材料，其刻蚀选择比应大于2：1；
59.所述的工艺过程中，非纳米栅保留区域可以采用常规工艺处理，得到所需的台面结构。
60.由第二隔离层的厚度决定其最终线宽，其厚度不做具体规定，可以覆盖目前的28nm，14nm，7nm工艺，甚至可以扩宽至5nm，3nm等工艺。
61.所述的工艺结果为纳米栅结构，该纳米栅后续的工艺应用包含但不仅限于光栅器件。
62.本发明的方法可以具有但不限于以下有益效果：
63.本发明方法可以简化纳米尺度的栅的制备，精确控制栅长尺寸，并实现纳米栅器件的制备。
附图说明
64.以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
65.图1示出了本发明实施例的流程图。
66.图2示出了本发明实施例制备第一隔离层的示意图。
67.图3示出了本发明实施例将第一隔离层上制备图形化结构的示意图。
68.图4示出了本发明实施例利用第二隔离层包覆图形化结构的示意图。
69.图5示出了本发明实施例利用第三隔离层填充沟槽的示意图。
70.图6示出了本发明实施例利用cmp进行表面平坦化之后的示意图。
71.图7示出了本发明实施例利用刻蚀技术去除第一、第三隔离层位置处材料的示意图。
72.1、晶圆；2、第一隔离层材料；3a、3b、3c、第二隔离层材料；4、第三隔离层材料。
具体实施方式
73.下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
74.本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
75.实施例1
76.本实施例用于说明本发明利用薄膜沉积技术制备纳米栅的方法。
77.具体流程如图1所示，其包含以下步骤：
78.s100：提供工艺制备所需的晶圆1；
79.s200：沉积第一隔离层材料2；
80.s300：在第一隔离层材料2表面制备条形图形结构；
81.s400：沉积第二隔离层材料3a、3b、3c；、
82.s500：沉积第三隔离层材料4，填充沟槽；
83.s600：对材料表面进行平坦化。
84.s700：刻蚀去除第一隔离层材料2、第三隔离层材料4以及位于其下部的第二隔离层材料3c，直至晶圆表面，形成纳米栅。
85.在本实施例中，s100中晶圆材料可以选自以下一种或多种：硅、镓砷、碳化硅、石英、蓝宝石、具有功能层的晶圆。
86.在一个优选实施例中，晶圆1的材料选择2英寸的石英晶圆。
87.s200中所述沉积方法为薄膜沉积技术，所述薄膜沉积技术选自以下一种或多种：ald、pecvd、icp-cvd、反应离子磁控溅射。
88.s200中所述第一隔离层材料3的厚度为5nm以上。
89.本实施例中隔离层的材料选自以下一种或多种：氮化硅、氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化铪、氧化钽、氧化锆、铝氮、氮化锆、氮化铪、氧化镍、氧化镓、氧化铌、氮化锆；
90.所述第一隔离层和第二隔离层的材料的刻蚀选择比至少为2：1。
91.在一个优选实施例中，利用cvd技术，沉积100nm的第一隔离层材料2氧化铝材料：沉积温度为380℃，采用的前驱体材料为三甲基铝和一氧化氮，沉积时间为3min，如图2所示。
92.s300中所述图形制备技术选自以下一种或多种：光刻技术、电子束曝光技术、激光
直写技术；所述光刻技术选自以下一种或多种：紫外光刻、duv光刻、euv光刻、浸没式光刻。
93.在一个优选实施例中，利用光刻步骤制备表面条形结构，得到的线宽为100nm，间距为140nm，周期为240nm图形结构。然后将条形结构转移到第一隔离层材料2氧化铝上：利用光刻胶做掩膜，结合rie刻蚀技术，采用bcl3作为刻蚀气体，功率为150w，刻蚀时间为3min，将光刻胶的图形转移到氧化铝上，其线条宽度为100nm，两条氧化铝结构之间的沟槽宽度为140nm，如图3所示。
94.s400中所述沉积方法为薄膜沉积技术，所述薄膜沉积技术选自以下一种或多种：ald、pecvd、icp-cvd、lpcvd、反应离子磁控溅射。s400中所述第二隔离层材料的厚度为1nm以上
95.在一个优选实施例中，利用ald技术，生长20nm的第二隔离层材料3二氧化硅沉积温度为200℃，采用的前驱体材料为氨基硅烷和水汽，沉积时间为1h，包覆表面图形结构，如图4所示。
96.s500中所述沉积方法为薄膜沉积技术，所述薄膜沉积技术选自以下一种或多种：ald、pecvd、icp-cvd、lpcvd、反应离子磁控溅射。
97.在一个优选实施例中，利用cvd技术，沉积100nm厚的第三隔离层材料4氧化铝材料，沉积温度为380℃，采用的前驱体材料为三甲基铝和一氧化氮，填充图形的沟槽，如图5所示。
98.s600中所述平坦化方法选自以下一种或多种：cmp技术、psg技术、离子选择性轰击。
99.在一个优选实施例中，利用cmp技术进行表面平坦化：利用抛光机结合氧化铝抛光液进行抛光处理，抛光速率为10nm/min，使其残留的隔离层的高度为初始沉积的氧化铝的高度，即100nm，使得表面露出氧化铝、氧化硅、氧化铝相间排列的图形，如图6所示。
100.s700中所述刻蚀方法选自以下一种或多种：rie、icp。
101.在一个优选实施例中，利用rie刻蚀技术刻蚀去裸露的第一隔离层材料2氧化铝，采用bcl3作为刻蚀气体，功率为150w，刻蚀时间为3min，得到宽度为10nm的纳米栅结构，如图7所示。
102.图2对应于本实施例中在硅表面生长氧化硅的示意图；图3对应于本实施例中在氧化硅上制备图形化结构的示意图；图4对应于本发明中生长氮化硅覆盖氧化硅结构的示意图；图5对应于本发明沉积氧化硅材料全覆盖沟槽之后的示意图；图6对应于本发明利用cmp进行表面平坦化之后的示意图；图7对应于将裸露的氧化铝刻蚀去除之后的示意图。
103.尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。