衬底的制备方法及其在纳米线生长中的应用

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种用于构建高质量集成电路的衬底的制备方法与应用。

背景技术：

1、随着集成电路器件尺寸的微缩，在量子效应的限制下，传统二维的器件排布模式逐渐面临着集成度达到极限，隔离工艺要求越发严苛等问题，而以纳米线为基础的垂直晶体管为集成电路开拓了第三个维度。同时，随着光电器件对于性能需求的提升，在新型材料的冲击下，传统平面结构难以实现对于光子的充分吸收，而纳米线则因为独特的准一维结构，以极大的比表面积在单位器件面积内实现了更好的光学吸收。然而，上述纳米线的优势建立在能够定位生长出均匀整齐纳米线阵列的基础上。在诸多纳米线阵列形成工艺中，选择性区域生长(sag)因可重复性强等原因受到广泛研究，其中纳米线通过掩模层上图案化开孔直接选择性地生长在衬底上。然而，这种技术对于图案化掩模的制备提出了极大的考验，掩模图案化的形状、尺寸、平整度、均匀性等因素对于纳米线的生长都起到重要作用。鉴于以上情况，掩模层沉积质量好、图案化尺寸标准、孔洞尺寸小、掩模侧壁陡峭平整、下层生长基底完整、可重复性强的图案化衬底制备方法至关重要。

2、传统干法刻蚀如感应耦合等离子体刻蚀等方法存在选择性差、刻蚀完表面形貌差等问题。因不同层间干法刻蚀速率差异较小，且重复实验中因机器真空度、温度等的细微变化特定材料的刻蚀速率容易出现波动，故如果使用干法刻蚀掩模层将难以把控刻蚀终点确定刻蚀时间，并因此可能出现图案孔洞未完全打开或生长基底被严重过刻等问题，严重影响后续的材料生长过程。传统湿法刻蚀虽然能保证刻蚀选择性以及表面形貌的平整，但针对sinx等材料的湿法腐蚀无法实现较好的各向异性，腐蚀过程中无法保证获得孔洞尺寸。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，结合干法刻蚀、湿法腐蚀的优点，提供一种衬底的制备方法，以获得生长基底完整、图案化孔洞标准、可重复使用的衬底。所述衬底包括基底层和位于基底上的掩膜层，所述掩膜层具有竖直方向的通孔；基底层表面完整，可用于无缺陷/低缺陷纳米线的外延生长。

2、本发明衬底的制备方法，包括如下步骤：

3、步骤1、在基底层上依次沉积第一掩膜层和第二掩膜层，且第一掩膜层的厚度在5nm以内；第二掩膜层的厚度在20nm以上；5nm以内厚度的第一掩模层保证了在湿法刻蚀过程中，垂直方向上材料被完全除去时，水平方向上不会发生严重影响图案孔洞尺寸的腐蚀；20nm以上厚度的第二掩膜层保证了在衬底孔洞的深度要求以及后续的材料生长过程中，掩膜层不会被严重损伤或破坏。

4、步骤2、采用旋涂电子胶并曝光显影，对第二掩膜层进行干法刻蚀，刻至距离第一掩膜层5nm处；通过旋涂电子胶并曝光显影，可以根据本图案化衬底使用需求设计目标图案孔洞的尺寸形状等关键参数。第二掩膜层的干法刻蚀利用了其刻蚀各向异性较好的特点，保证电子胶上所设计图案能够保形转移至第二掩模层，同时5nm的裕度也为干法刻蚀提供了足够的刻蚀时间选择裕度，考虑到刻蚀速率的波动，也能保证不会刻蚀完第二掩膜层后继续刻蚀第一掩膜层。

5、步骤3、采用第二腐蚀液对第二掩膜层进行进一步刻蚀；所述第二腐蚀液对第二掩膜层的刻蚀速度为对第一掩膜层的刻蚀速度的50倍以上；在步骤2中干法刻蚀结束后，第二腐蚀液会在已转移的图案内继续腐蚀第二掩膜层，同时因为第二掩膜层与第一掩膜层较大的腐蚀速度差异，在一定时间范围内，可以认为第二腐蚀液的腐蚀过程将会停止在第一掩模层与第二掩膜层的界面处，保证了第二掩膜层完全去除，同时不会对第一掩膜层厚度产生较大影响，以致影响后续步骤的评估。

6、步骤4、终止第二腐蚀液的刻蚀，采用第一腐蚀液对第一掩膜层进行刻蚀，所述第一腐蚀液对第一掩膜层的刻蚀速度为对基底层的刻蚀速度的100倍以上；因为第一掩膜层与生长基底层较大的腐蚀速度差异，可以根据第一掩膜层的厚度与在第一腐蚀液作用下的腐蚀速度准确评估腐蚀时间，保证第一掩膜层完全去除的同时，获得平整的、未被腐蚀的生长基底层表面。

7、步骤5、终止第一腐蚀液的刻蚀，得到基底层表面完整，且图案孔洞尺寸在100nm以内的衬底。

8、在本发明的某些实施例中，基底层为si；第一掩膜层为二氧化硅，第二掩膜层为氮化硅，第一腐蚀液为常温体积分数0.8％的hf溶液，第二腐蚀液为温度100℃、质量分数为85％的磷酸溶液。

9、在本发明的某些实施例中，所述第二掩膜层的刻蚀时间为2分钟，第一掩膜层的刻蚀时间为20s。

10、在本发明的某些实施例中，所述第一掩膜层由原子层沉积完成，所述第二掩模层由化学气相沉积完成。

11、在本发明的某些实施例中，所述干法刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀，刻蚀气体为5sccm的chf3与15sccm的sf6。

12、本发明还涉及上述方法制备得到的衬底，及其在纳米线生长中的应用。本发明的基底，具有竖直方向的标准小孔，小孔生长纳米线技术，可以改善纳米线与基底的接触界面，减少界面缺陷，有助于提高载流子传输效率和器件的整体性能；另外，可实现纳米线的高度有序排列和精确控制其方向性，构建有序阵列以及高密度集成，在纳米科技和材料科学领域展现出巨大优势，在新能源、信息技术、生物医学等多个领域的应用前景越来越广泛。

13、本发明的有益效果在于：基于本发明，可构建孔径可控的小孔，在纳米线生长上展现出极大优势。

技术特征：

1.一种衬底的制备方法，所述衬底包括基底层和位于基底上的掩膜层，所述掩膜层具有竖直方向的通孔；其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基底层为si；第一掩膜层为二氧化硅，第二掩膜层为氮化硅，第一腐蚀液为常温体积分数0.8％的hf溶液，第二腐蚀液为温度100℃、质量分数为85％的磷酸溶液。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二掩膜层的刻蚀时间为2分钟，第一掩膜层的刻蚀时间为20s。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一掩膜层由原子层沉积完成，所述第二掩模层由化学气相沉积完成。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干法刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀，刻蚀气体为5sccm的chf3与15sccm的sf6。

6.如权利要求1所述方法制备得到的衬底。

7.权利要求6所述衬底在纳米线生长中的应用。

技术总结本发明针对现有技术的不足，结合干法刻蚀、湿法腐蚀的优点，提供一种衬底的制备方法，以获得生长基底完整、图案化孔洞标准、可重复使用的衬底。所述衬底包括基底层和位于基底上的掩膜层，所述掩膜层具有竖直方向的通孔；基底层表面完整，通孔直径标准，且在100nm以内，可用于无缺陷/低缺陷纳米线的外延生长。技术研发人员：张运炎,程志渊,陈洲翔,张林君,褚衍盟受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/9/26