ACS Nano|通过定向自组装和顺序渗透合成协同图案化制造的高密度亚10纳米硅纳米线，适用于多种应用

本研究提出了一种协同图案化技术，结合定向自组装光刻（DSA）和顺序渗透合成（SIS），用于在硅绝缘体（SOI）基板上制造具有小临界尺寸、高展弦比和高密度的硅纳米线。通过优化聚苯乙烯嵌块-聚（甲基丙烯酸甲酯）（PS-b-PMMA）导向模板和 SIS 循环，聚合物模板原位转化为具有高蚀刻选择性的氧化铝（AlO _{2 3} ）硬掩膜。结合单层二氧化硅（SiO ₂ ）中间掩膜策略，该方法大大简化了器件制造流程，同时利用 SiO ₂ 蚀刻的灵活性实现硅纳米线的渐进扩展。聚焦离子束透射电子显微镜（FIB-TEM）表征确认了纳米线的顶宽约 6.6 纳米，底部宽约 14.9 纳米，间距约 28 纳米，高度约 53.5 纳米，这些线材在多种应用中被广泛应用。暴露的 10 纳米硅纳米线通道展现出超灵敏的气体感应能力，对 2.5 ppm 氨（NH）反应率达 49.8 ₃ %，显著优于传统 NH ₃ 传感器。硅纳米线进一步结合高 k/金属栅极工艺，展示了其在鳍片场效应晶体管（FinFET）中的应用。该器件显示开关比超过 10 ⁷ ，亚阈值摆幅低至 69.59 mV/dec，展示了 DSA-SIS 工艺制造的 Fin 通道的卓越静电控制。 这项工作不仅提供了高密度硅纳米线的成本效益制造解决方案，还展示了 DSA-SIS 技术在具有纳米结构的半导体器件中传感和集成电路作中的应用潜力。

该研究以题为“High-Density Sub-10 nm Silicon Nanowires Fabricated via Directed Self-Assembly and Sequential Infiltration Synthesis Synergistic Patterning for Multiple Applications”发表在ACS Nano上。

DSA-SIS 工艺制备硅纳米线的流程与结构表征：（a）硬掩模图形转移工艺流程示意图。（b）带有 PECVD 生长的 SiO2 硬掩模（~19 nm）的 SOI 衬底的 TEM 横截面图。（c）用于 DSA 的电子束光刻导向模板的 SEM 图像。（d）PS-b-PMMA 的 DSA 图形（经轻度刻蚀以增强衬度）的 SEM 图像。（e）经过 2 次 SIS 循环并将图形转移至 SiO2 硬掩模后的俯视 SEM 图像（平均特征尺寸：16.54 nm）。

图2

SIS 循环次数对图形保真度的影响演变：（a-c）经过 2/3/4 次 SIS 循环（去除 PS 相后）的 Al2O3 纳米结构 SEM 图像。（d-f）使用 Al2O3 硬掩模刻蚀后对应的 SiO2 图形。（g-i）去除 Al2O3 后的最终 SiO2 结构。

图3

硅纳米线宽度调控策略与验证：（a）通过多步修整减小特征尺寸的工艺流程。（b）图形化后的 SiO2 硬掩模线条（平均特征尺寸：16.54 nm）。（c）预修整后的线条（0.25% HF，10 秒；平均特征尺寸：14.56 nm）。（d）鳍状结构刻蚀后的形貌（平均特征尺寸：15.22 nm）。（e）经过 2 次后修整循环后的减薄线条（特征尺寸：14.64 nm）。（f）SC-1 清洗液处理后的最终形貌（65 °C，3 分钟；特征尺寸：13.78 nm）。（g）关键步骤中特征尺寸缩减的统计分析。

图4

亚10纳米硅纳米线暴露的传感器结构：（a）传感器结构示意图。（b）源漏接触区域的TEM横截面图，展示了梯形硅纳米线及其轮廓（顶部宽度：5.3 nm，底部宽度：13 nm）。（c）Ti和Si的EDS元素分布图。（d）鳍状结构切割后定义沟道区。（e）在N2、100 ppm NH3和100 ppm NO2气氛下的ID-VBG响应特性（插图为基于ID-VBG曲线计算得到的响应度随VBG的变化关系）。（f）传感器在VBG = -10 V条件下对2.5−20 ppm NH3的浓度依赖性动态响应。（g）传感器在VBG = -10 V条件下暴露于10 ppm NH3时的循环重复性测试。

图5

DSA-SIS 工艺制备的 JL FinFET 电学性能：（a）器件的 3D 示意图与光学显微图像。（b）栅控沟道区域的 FIB-TEM 横截面图（顶部特征尺寸：6.6 nm）。（c）Si/Hf/O/Ti 的 EDS 元素分布图。（d）与平面器件对比的转移特性曲线（ID-VTG）（VD = 0.1/1 V）。（e）不同 VTG 下的输出特性曲线（ID-VD）。（f）与平面器件对比的跨导（Gm）特性曲线。

总结

参考文献：