三维微制造方法及高密度三维精细结构技术

用控制在任意电子束直径和电流密度的电子束辐照在包括简单物质ＧａＡｓ和ＩｎＰ的Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［ｙ］Ｉｎ↓［１－ｘ－ｙ］Ａｓ↓［ｚ］Ｐ↓［１－ｚ］（０≤ｘ＜１，０≤ｙ和ｚ≤１）衬底的表面上形成的薄膜的表面，以使在ＧａＡｓ表面上形成的任何自然氧化物膜经历选择性的Ｇａ↓［２］Ｏ↓［３］替代或形成。随后，将所述衬底的温度调整到给定的温度，以便在除了Ｇａ↓［２］Ｏ↓［３］替代的区域以外的区域中实现所述自然氧化物膜的脱离。通过分子束外延生长技术，在其自然氧化物膜脱离侧的衬底上进行Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体晶体的选择性生长，从而实现衬底密度的提高。因此，可以实现具有沿着晶体生长方向纳米量级均匀的晶体膜厚度的电路图形的在位形成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种三维极精细构图方法，其中通过分子束外延方法，在化合物半导体AlxGayIn1-x-yAszP1-z上外延生长III-V族化合物半导体晶体。
技术介绍
现在，光学精细图形光刻已经达到进一步发展以及使半导体相关的工业在经济和工业领域中仍然保持牵引作用的极限，发展一种新的方法论以扩大范围是非常紧急的事情。认为纳米技术可打破僵局，将精细图形光刻从复杂性、大尺寸和高成本的束缚中释放出来。旨在提供一种三维纳米制造技术，以满足以少的量(允许的设计变化和低成本)制造各种器件的需要。尤其从“光电子学”的角度，无污染和无缺陷是绝对需要的，并且“器件的批量生产”和“允许的在位(on site)控制”也是需要的。对于光刻有两个要求吞吐量(与抗蚀剂的感光度相关)的提高和分辨率(对抗蚀剂的分辨能力)的改善。需要平衡这些因素。电子束的波长比光的波长短，因此通过采用电子束可以克服光学光刻中的分辨率限制。从吞吐量的观点来看，与光学光刻的情况一样，有机抗蚀剂已经被广泛用于电子束光刻。无机抗蚀剂的分辨率良好，但是由于其低的感光度而未被采用。在有机抗蚀剂中，PMMA被广泛采用；其感光度相对低，但其分辨率良好。开发无机抗蚀剂的目的在于将无机抗蚀剂的感光度提高到等于或超过PMMA的感光度的程度。电子束光刻的另一个问题是通常所称的“邻近效应”，其是由来自入射电子束以及来自抗蚀剂和衬底的二次电子的散射引起的。这使抗蚀剂中的曝光区域明显大于入射电子束的大小，因此降低了对线间间隔的分辨率。为了减小邻近效应，已经做了各种可能的努力。例如，在侵入衬底之前，通过使电子束穿过多层抗蚀剂，从而由于对电子束的折射率的控制而减小有效束的大小，可以减小邻近效应。然而，事实上，邻近效应(超过电子束大小的曝光区域的扩大)仍然限制着精细图形光刻。通常考虑两种抗蚀剂的感光度数字型抗蚀剂感光度和模拟型抗蚀剂感光度。数字型抗蚀剂感光度根据电子束能量的剂量，在特定临界数值处显示出突然的变化，而模拟型抗蚀剂感光度显示出在特定限制范围内随电子束能量的剂量的连续的变化。因为容易获得所需的空间分辨率，数字型抗蚀剂对亚微米精细图形光刻是有利的。形成于其中的“硬”反应区域被用作掩模，其在随后的步骤起选择性地允许蚀刻或生长(称为“再生长”)的作用。另一方面，虽然模拟型抗蚀剂在空间分辨率方面受到限制，其在随后的处理中可以用作“软”掩模，因此，在控制高度差时，其被用于精细图形光刻。为了提供所希望的三维极精细结构，在随后的进程中必须改善模拟型抗蚀剂的空间分辨率和特性。在掩模图形实现之后的选择性生长加工采用了这样的生长方法，其中采用其表面扩散长度很长的气体物类(CVD、GSMBE或CBE)；掩模图形一般是通过光学光刻制造的，因此，掩模宽度(其中生长被选择性地抑制的区域宽度)非常大，使得需要通过扩散来消除在掩模上凸起的原始生长材料的原子在未掩蔽区域中选择性生长。将这样的选择性生长应用于包括GaN的每种化合物半导体，并用于Si工艺，作为为制造三维结构而建立的一种实践。关于对亚微米及更小的三维结构的控制，存在极精细掩模区域被气体物类的增大的表面扩散长度掩埋的问题。在相对小的掩模区域的情况下，表面扩散长度必须短(虽然仍大于掩模宽度)。专利申请公开号H8-172053公开了一种采用CVD方法的选择性生长，特别是通过金属有机化学气相沉积方法(下文中称为“MOCVD”)在III-V族化合物半导体上的选择性生长。专利申请公开H8-172053采用了“MOCVD”方法，因此表面原子的扩散长度太长而不允许在III-V族化合物半导体衬底上选择性生长，并因此不能在其上实现所希望的高密度集成。生长的膜厚度也不是以纳米量级在所有晶体生长方向上都一致。考虑到以上情况，本专利技术的一个目的是提供一种三维极精细图形光刻，其便于在衬底上“在位”、高密度集成，同时将其电路图形控制为以纳米量级在晶体生长方向上晶体厚度恒定。本专利技术的另一个目的是提供一种极精细、高密度的三维结构。
技术实现思路
根据本专利技术的三维极精细构图方法包括以于步骤制备包括AlxGayIn1-x-yAszP1-z(0≤x＜1，0≤y，z≤1)的III-V族化合物半导体衬底；将其电流密度由束的直径控制的电子束投射在所述衬底表面上，从而用III族氧化物选择性地替代在所述衬底表面上形成的自然氧化物或者选择性地形成III族氧化物；将所述衬底的温度提高到预定温度，以允许除了被替代的或形成的部分以外的部分从所述衬底表面脱离；以及通过采用固体生长材料的分子束外延方法，允许在所述自然氧化物剥离侧上，尤其在被所述III族氧化物替代的部分上或在除了被所述III族氧化物替代的部分以外的区域上，选择性晶体生长III-V族化合物半导体。优选地，通过在被所述III族氧化物替代的部分上或者在除了被所述III族氧化物替代的部分以外的区域中选择性生长所述III-V族化合物半导体晶体，制造根据本专利技术的三维极精细结构。在根据本专利技术的方法中，在包括AlxGayIn1-x-yAszP1-z化合物半导体的III-V族化合物半导体的晶体表面上形成的自然氧化物未被去除，但电子束注入到自然氧化物中，以使III族氧化物可以形成为高度结晶和化学稳定的状态，且除了III族氧化物以外的自然氧化物的部分通过加热被脱离，从而便于在表面上形成希望的电路图形。在以高密度形成电路图形时，通过控制MBE方法的生长条件控制表面原子的扩散长度，从而便于选择性生长III-V族化合物半导体，允许以纳米量级在生长方向上“在位地”形成晶体膜厚度恒定的电路图形。有利地，以纳米量级高密度地形成电路图形所包括的成本相对较低。附图说明图1示出了根据本专利技术的三维极精细图形光刻；图2是示出了根据本专利技术的三维极精细图形光刻的实例1中的衬底表面的AFM观测的照片；图3是示出了根据本专利技术的三维极精细图形光刻的实例2中的衬底表面的AFM观测的照片；以及图4是示出了根据本专利技术的三维极精细图形光刻的实例3中的衬底表面的AFM观测的照片。具体实施例方式下面参考附图说明根据本专利技术的一个实施例的三维极精细图形光刻和根据本专利技术的一个实施例的三维高密度纳米结构。在图1中，GaAs层1具有在其顶面上形成的As2O3、As2O和其它氧化物的自然氧化物2。在根据本专利技术的三维极精细图形光刻中，在真空中将电子束4投射在As2O3自然氧化物2上，然后，不去除自然氧化物2，保持其原来的状态。电子束4在自然氧化物2上的投射使化学稳定的氧化物Ga2O3替代在衬底1的顶面上的As2O3、As2O和其它氧化物(见图1a)。优选地，以单线扫描模式投射电子束。加速电压范围从10到50kV，线剂量范围从10nC/cm到1μC/cm。其表面氧化物2被Ga2O3部分替代的GaAs层1在580到620℃的温度范围下被加热，以使除了Ga2O3区域以外的自然氧化物2的部分脱离。因此，除了Ga2O3区域以外的自然氧化物部分和衬底1的顶面的相邻部分被去除(见图1b)。在该进程中，控制电子束以在GaAs衬底1的顶面上绘制所希望的电路图形，从而可以在GaAs衬底1的顶面上形成电路图形。接着，通过MBE方法，允许在代替去除的自然氧化物的GaAs衬底上选择性生长GaAs，其中采用以下细节实施该MBE方法使GaAs将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维极精细构图方法，包括以下步骤：制备包括Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［ｙ］Ｉｎ↓［１－ｘ－ｙ］Ａｓ↓［ｚ］Ｐ↓［１－ｚ］（０≤ｘ＜１，０≤ｙ，ｚ≤１）的Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体衬底；将其电流密度由束的直径控制的电子束投射在所述衬底表 面上，从而用Ⅲ族氧化物选择性地替代在所述衬底表面上形成的自然氧化物或者选择性地形成Ⅲ族氧化物；将所述衬底的温度提高到预定温度，以允许除了被替代的或形成的部分以外的部分从所述衬底表面脱离；以及通过采用固体生长材料的分子束外延方 法，允许在所述自然氧化物剥离侧上，尤其在被所述Ⅲ族氧化物替代的部分上或在除了被所述Ⅲ族氧化物替代的部分以外的区域上，选择性晶体生长Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种三维极精细构图方法，包括以下步骤制备包括AlxGayIn1-x-yAszP1-z(0≤x＜1，0≤y，z≤1)的III-V族化合物半导体衬底；将其电流密度由束的直径控制的电子束投射在所述衬底表面上，从而用III族氧化物选择性地替代在所述衬底表面上形成的自然氧化物或者选择性地形成III族氧化物；将所述衬底的温度提高到预定温度，以允许除了被替代的或形成的部分以外的部分从所述衬底表面脱离；以及通过采用固体生长材料的分子束外延方法，允许在所述自然氧化物剥离侧上，尤其在被所述III族氧化物替代的部分上或在除了被所述III族氧化物替代的部分以外的区域上，选择性晶体生长III-V族化合物半导体。2.根据权利要求1的三维极精细构图方法，其中加速电压在10至50kV的范围内选择；线剂量的范围为10nC/cm至1μC/cm，以及以单线扫描模式实现利用所述电子束的辐照。3.根据权利要求2的三维极精细构图方法，其中使所述电子束沿其投射的方向与所述衬底的晶体取向(100)、(110)、(111)、(-1-1-1)对准；所述III-V族化合物半导体的生长温度范围为300至650℃；所述固体生长材料的V族分子与III族原子的流量比FV/FIII的范围为1至20；所述III-V族化合物半导体的晶体生长速度范围为0.1至2ML/sec；所述III-V族化合物半导体晶体生长的膜厚度近似等于所述电子束的线与线的间隔，允许所述III-V族化合物半导体的选择性晶体生长。4.根据权利要求2的三维极精细构图方法，其中将所述III族氧化物的宽度控制为小于所述电子束的直径。5.根据权利要求2的三维极精细构图方法，其中具有不同形状的各种三维极精细结构仅仅通过控制所述电子束的辐照间隔而制成。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：金子忠昭，佐野直克，阪上洁，
申请(专利权)人：瑞必尔，
类型：发明
国别省市：FR[法国]