專利名稱：碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種納米電子器件技術(shù)領(lǐng)域的制備方法，具體來講，涉及的 是一種碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管的制備方法。
背景技術(shù)：
人們對碳納米管晶體管已經(jīng)投入大量研究，并取得一定進(jìn)展，目前碳納米管 場效應(yīng)晶體管的制備方法主要有如下幾種1.采用顯微物理操縱的方法將碳納米
管移動(dòng)連接到電極上，如AFM探針撥動(dòng)的方法，該方法能精確控制碳納米管，但 操作難度很大，效率很低，很難實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)；2.采用CVD的方法在硅片表面 生長碳納米管，使之與源漏電極相連，該方法雖能通過催化劑控制碳納米管生長 的位置，但碳納米管生長方向隨機(jī)性很大，操作的可重復(fù)性以及碳納米管和電極 之間的電接觸性能很得以難控制；3.將純化后的碳納米管直接超聲分散有機(jī)溶劑 中形成混合液，將碳納米管混合液旋涂于預(yù)先刻有源漏電極圖案的硅片上，這種 方法使碳納米管在硅片上任意分布，無法控制其取向性;4.采用外加輔助電場等， 使超聲懸浮在有機(jī)溶劑中的碳納米管趨向連接到源漏電極之間，是由于碳納米管 之間的吸附作用，該方法在電極部位連接的碳納米管往往比較混亂地吸附在一 起，碳納米管任意纏繞問題很大，重復(fù)性和電學(xué)性能很差，使得利用交變電場輔 助制作碳納米管場效應(yīng)晶體管的工作局限于將單根的碳納米管或碳納米管束連 接到兩相對的電極上；5.先將碳納米管旋涂在未刻有源漏電極圖案的硅片上，然 后選擇合適的碳納米管，在其上采用光刻技術(shù)制作出源漏電極圖案，該方法存在 碳納米管任意分布，光刻時(shí)定位、套刻困難等不足，其制作效率不高。除此之外， 上述所有器件都面臨一個(gè)共同的問題，金屬性與半導(dǎo)體性碳納米管的分離。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號CN1490856A，
公開日為2004 年4月21日，發(fā)明名稱為 一種陣列碳納米管薄膜晶體管的制備方法，該專利 公開了一種采用陣列碳納米管薄膜制作晶體管的方法。該方法使用金屬酞菁在 Si(V高摻雜硅基片上生長一層陣列碳納米管薄膜，然后在膜上用真空蒸鍍的方法沉積金電極作為源、漏電極，制成具有場效應(yīng)性能的晶體管。其不足之處是-該方法制得的陣列碳納米管薄膜中碳納米管堆積在一起，不能有效地均勻分散， 這將使碳納米管與源漏電極不能形成良好的歐姆接觸，碳納米管之間存在偶合效 應(yīng)，影響晶體管的性能。而且，該方法制作陣列碳納米管薄膜晶體管時(shí)使用的源 漏電極尺寸很大，間距為0. 1-0. 5毫米，寬度為50-66毫米，而集成電路中晶體 管的尺寸遠(yuǎn)小于此，因此該方法不能適應(yīng)當(dāng)前微電子與集成電路產(chǎn)業(yè)特征尺寸日 益縮小的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種碳納米管薄膜場效應(yīng)晶 體管的制備方法，并結(jié)合能夠與傳統(tǒng)微電子加工工藝很好兼容的等離子體刻蝕技 術(shù)，成功分離金屬性和半導(dǎo)體性碳納米管，得到性能優(yōu)秀的電子器件。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括如下步驟
第一步，在微電極之間形成碳納米管薄膜，這一步驟可采用以下兩種方案中
任一種實(shí)現(xiàn)
方案一，交變電場雙向電泳方法
a. 在表面含有絕緣層的硅片上采用光刻技術(shù)制作出電極對圖案，將該電極對 相對的兩電極作為場效應(yīng)晶體管器件的源漏電極；
b. 將碳納米管的懸浮液滴在預(yù)制成的源漏電極表面形成液體層；
C.通過在源漏電極上施加交變偏壓，使碳納米管在雙向電泳力的作用下在源 漏電極之間形成定向碳納米管薄膜。 方案二，自組裝方法
a) 將清洗干凈的帶絕緣層硅片浸泡在H2S0jn HA混合溶液中；
b) 將沖洗干凈的帶絕緣層硅片浸泡在APS溶液(ammonium persulfate,過 硫酸銨)中；
c) 將烘干后的帶絕緣層硅片在碳納米管懸浮液中浸泡，使碳納米管在硅片 上自組裝形成碳納米管薄膜；
d) 采用光刻技術(shù)在碳納米管薄膜上制作出源漏電極圖案。 在通過上述兩種方案在微電極之間形成碳納米管薄膜后，繼續(xù)下列步驟。 第二步，去除金屬性碳納米管，以硅襯底作為背面柵極得到具有良好性能的碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管。去除碳納米管可以采用以下兩種方案
方案一在室溫到60(TC范圍，0.01到lOOOOOPa壓強(qiáng)下，采用等離子體刻
蝕，去除金屬性碳納米管。
方案二先施加?xùn)艍菏拱雽?dǎo)體性碳納米管截止，然后接源漏電壓，使源漏電 流從金屬性的碳納米管上通過，將金屬性的碳納米管燒斷，留下半導(dǎo)體性的碳納 米管。
所述的絕緣層或者是以下無機(jī)材料中的一種二氧化硅、氧化鋁、氮化硅、 氟化鈣，或者是以下聚合材料中的一種環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺。
所述的源漏電極之間的間距介于20-20000nm之間，源漏電極相對寬度為 1-1000um。
所述的電極材料是Au、 Al、 Ti、 Ni、 W、 Cu中的一種。電極材料的選擇主要 考慮其與碳納米管的接觸電阻和導(dǎo)電性。
所述的第一步的源漏電極或者是絕緣襯底上的電極對，或者是表面有絕緣層 的導(dǎo)電襯底上的電極對。這種期間結(jié)構(gòu)的安排是為了避免源漏電極之間的短路。
所述的交變電場的頻率在lk-100MHz之間，電場為0. 5V/u m-50V/ii m，操縱 的沉積時(shí)間為5s-10min，溫度為0°C-70°C。
所述HzS04和HA體積比范圍為1-6: 1，浸泡時(shí)間為0小時(shí)到24小時(shí)，浸泡 溫度為0-100度。
所述將沖洗干凈的硅片浸泡在APS溶液中0-24h， APS溶液中H20和APS的 體積比范圍為(5-10000): 1。
所述將烘干后的硅片在濃度為0. l-10mg/ml的碳納米管懸浮液中浸泡 0-72h。
所述的等離子體發(fā)生氣體是甲垸與氬氣的混合氣體，或者氫氣，等離子體功 率為10-500W范圍，處理時(shí)間10s-60min，反應(yīng)腔室壓強(qiáng)為30-200Pa，反應(yīng)溫度 為0-700。C。
本發(fā)明的工作原理是用電泳或者自組裝方法，使碳納米管薄膜鋪排在微電 極之間，得到接觸良好的結(jié)構(gòu)；用等離子體處理或者電燒方法，去除金屬性碳納 米管，防止源漏電極之間形成短路，保證晶體管能夠正常穩(wěn)定工作。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明能有效去除金屬性碳納米管，得到性能可靠的
6晶體管。碳納米管與金屬電極間能形成良好的歐姆接觸；制備的碳納米管場效應(yīng) 晶體管具有良好的開關(guān)性能(開關(guān)比〉104);可以制備具有同比條件下單根碳納 米管為溝道制作成的場效應(yīng)晶體管高得多的跨導(dǎo)值(gm可提高20倍以上)，而且 比單根管為溝道的場效應(yīng)晶體管具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。等離子體刻蝕工藝能夠 很好的與現(xiàn)有微電子加工工藝兼容，具有能滿足微電子行業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的要求。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下 進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限 于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例l
本實(shí)施例采用交變電場雙向電泳方法得到碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管。將碳 納米管置于氯仿中，并在頻率為30KHz的超聲波下分散2分鐘，形成穩(wěn)定分散的 碳納米管懸浮液。
在含有500nm厚的二氧化硅絕緣層的硅片上采用光刻技術(shù)制作出平行相對的 Au電極對圖案，其電極間距為llim，正對的寬度為10ym。在源漏電極之間， 加一個(gè)頻率為5MHz，場強(qiáng)為10V/ ix m的高頻正弦交流電壓。將濃度為0. 5 u g/ml 的碳納米管懸浮液地在源漏電極上，使其在交變電場的作用下定向沉積，沉積時(shí) 間為40s，沉積溫度為25'C。這樣在電極之間得到碳納米管薄膜。
用75%甲垸和25%氬氣的混和氣體的等離子體刻蝕去除金屬性碳納米管，反 應(yīng)溫度為30(TC，功率400W，反應(yīng)時(shí)間10min，反應(yīng)腔體內(nèi)壓強(qiáng)為70Pa。處理后， 以硅襯底作為背面柵極得到性能優(yōu)異的碳納米管晶體管?？鐚?dǎo)l. 13uS，導(dǎo)通電 流0. 08u A。
實(shí)施例2
本實(shí)施例采用自組裝方法得到碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管。將清洗干凈的帶 絕緣層硅片浸泡在H2S0jB HA混合溶液中，其中H2S(X和HA體積比范圍為3: 1， 浸泡時(shí)間為16小時(shí)，浸泡溫度為80度，然后將沖洗干凈的硅片浸泡在APS溶液 中10h， APS溶液中HzO和APS的體積比范圍為100: 1，接著將烘干后的硅片在 濃度為10mg/ml的碳納米管懸浮液中浸泡24h，使碳納米管在硅片上自組裝形成 碳納米管薄膜。在硅片上采用光刻技術(shù)制作出平行相對的Au電極對圖案，其電極間距為1 pm，正對的寬度為10y m。
用75%甲垸和25%氬氣的混和氣體的等離子體刻蝕去除金屬性碳納米管，反 應(yīng)溫度為300°C，功率200W，反應(yīng)時(shí)間30rain，反應(yīng)腔體內(nèi)壓強(qiáng)為70Pa。處理后， 以硅襯底作為背面柵極得到性能優(yōu)異的碳納米管晶體管?？鐚?dǎo)0.95wS，導(dǎo)通電 流1. 16u A。
實(shí)施例3
本實(shí)施例采用交變電場雙向電泳方法得到碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管。將碳 納米管置于氯仿中，并在頻率為30KHz的超聲波下分散2分鐘，形成穩(wěn)定分散的 碳納米管懸浮液。
在含有500nm厚的氮化硅絕緣層的硅片上采用光刻技術(shù)制作出平行相對的 Au電極對圖案，其電極間距為lum，正對的寬度為10um。在源漏電極之間， 加一個(gè)頻率為5MHz，場強(qiáng)為10V/y m的高頻正弦交流電壓。將濃度為0. 5 tx g/ml 的碳納米管懸浮液地在源漏電極上，使其在交變電場的作用下定向沉積，沉積時(shí) 間為40s，沉積溫度為25。C。這樣在電極之間得到碳納米管薄膜。
用75%甲烷和25%氬氣的混和氣體的等離子體刻蝕去除金屬性碳納米管，反 應(yīng)溫度為300°C，功率200W，反應(yīng)時(shí)間30min，反應(yīng)腔體內(nèi)壓強(qiáng)為70Pa。處理后， 以硅襯底作為背面柵極得到性能優(yōu)異的碳納米管晶體管?？鐚?dǎo)1.25wS，導(dǎo)通電 流O. 92uA。
實(shí)施例4
本實(shí)施例采用自組裝方法得到碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管。將清洗干凈的帶 絕緣層硅片浸泡在H2SOjQ &02混合溶液中，其中H2S04和&02體積比范圍為3: 1， 浸泡時(shí)間為16小時(shí)，浸泡溫度為80度，然后將沖洗千凈的硅片浸泡在APS溶液 中10h， APS溶液中H20禾tl APS的體積比范圍為100: 1，接著將烘干后的硅片在 濃度為10mg/ml的碳納米管懸浮液中浸泡24h,使碳納米管在硅片上自組裝形成 碳納米管薄膜。
在硅片上采用光刻技術(shù)制作出平行相對的Au電極對圖案，其電極間距為1 y m，正對的寬度為lOum。
用75%甲烷和25%氬氣的混和氣體的等離子體刻蝕去除金屬性碳納米管，反應(yīng)溫度為300°C，功率400W，反應(yīng)時(shí)間10min，反應(yīng)腔體內(nèi)壓強(qiáng)為70Pa。處理后， 以硅襯底作為背面柵極得到性能優(yōu)異的碳納米管晶體管?？鐚?dǎo)0.85uS，導(dǎo)通電 流0. 96 y A。 實(shí)施例5
本實(shí)施例采用自組裝方法得到碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管。將清洗干凈的帶 絕緣層硅片浸泡在仏S04和HA混合溶液中，其中H2S04ff HA體積比范圍為3: 1， 浸泡時(shí)間為16小時(shí)，浸泡溫度為80度，然后將沖洗干凈的硅片浸泡在APS溶液 中10h， APS溶液中H20和APS的體積比范圍為100: 1，接著將烘干后的硅片在 濃度為10mg/ml的碳納米管懸浮液中浸泡24h，使碳納米管在硅片上自組裝形成 碳納米管薄膜。
在硅片上采用光刻技術(shù)制作出平行相對的Al電極對圖案，其電極間距為1 um，正對的寬度為lOwm。
用75%甲烷和25%氬氣的混和氣體的等離子體刻蝕去除金屬性碳納米管，反 應(yīng)溫度為300°C，功率IOOW，反應(yīng)時(shí)間60min，反應(yīng)腔體內(nèi)壓強(qiáng)為70Pa。處理后， 以硅襯底作為背面柵極得到性能優(yōu)異的碳納米管晶體管?？鐚?dǎo)0.91iiS，導(dǎo)通電 流1.21iiA。
實(shí)施例6
本實(shí)施例采用交變電場雙向電泳方法得到碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管。將碳 納米管置于氯仿中，并在頻率為30KHz的超聲波下分散2分鐘，形成穩(wěn)定分散的 碳納米管懸浮液。
在含有500mn厚的環(huán)氧樹脂絕緣層的硅片上采用光刻技術(shù)制作出平行相對 的Cu電極對圖案，其電極間距為lum，正對的寬度為10um。在源漏電極之間， 加一個(gè)頻率為5MHz，場強(qiáng)為5V/ii m的高頻正弦交流電壓。將濃度為0. 5 U g/ml 的碳納米管懸浮液地在源漏電極上，使其在交變電場的作用下定向沉積，沉積時(shí) 間為40s，沉積溫度為25'C。這樣在電極之間得到碳納米管薄膜。
用75%甲烷和25%氬氣的混和氣體的等離子體刻蝕去除金屬性碳納米管，反 應(yīng)溫度為400。C，功率300W，反應(yīng)時(shí)間30min，反應(yīng)腔體內(nèi)壓強(qiáng)為200Pa。處理 后，以硅襯底作為背面柵極得到性能優(yōu)異的碳納米管晶體管?？鐚?dǎo)0.89uS，導(dǎo) 通電流1. 35ii A。
權(quán)利要求
1、一種碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于包括如下步驟第一步，在微電極之間形成碳納米管薄膜，采用以下兩種方案中任一種方案一，交變電場雙向電泳方法a.在表面含有絕緣層的硅片上采用光刻技術(shù)制作出電極對圖案，將該電極對相對的兩電極作為場效應(yīng)晶體管器件的源漏電極；b.將碳納米管的懸浮液滴在預(yù)制成的源漏電極表面形成液體層；c.通過在源漏電極上施加交變偏壓，使碳納米管在雙向電泳力的作用下在源漏電極之間形成定向碳納米管薄膜；方案二，自組裝方法a.將清洗干凈的帶絕緣層硅片浸泡在H2SO4和H2O2混合溶液中；b.將沖洗干凈的帶絕緣層硅片浸泡在APS溶液中；c.將烘干后的帶絕緣層硅片在碳納米管懸浮液中浸泡，使碳納米管在硅片上自組裝形成碳納米管薄膜；d.采用光刻技術(shù)在碳納米管薄膜上制作出源漏電極圖案；第二步，去除金屬性碳納米管，得到具有良好性能的碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管；所述去除碳納米管采用以下兩種方案中一種方案一在室溫到600℃范圍，0.01Pa到100000Pa壓強(qiáng)下，采用等離子體刻蝕，去除金屬性碳納米管；方案二先施加?xùn)艍菏拱雽?dǎo)體性碳納米管截止，然后接源漏電壓，使源漏電流從金屬性的碳納米管上通過，將金屬性的碳納米管燒斷，留下半導(dǎo)體性的碳納米管。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征 是，所述的絕緣層是指以下無機(jī)材料中的一種二氧化硅、氧化鋁、氧化硅、氟 化鈣，或者是以下聚合材料中的一種環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征是，所述的源漏電極是絕緣襯底上的電極對，或者是表面有絕緣層的導(dǎo)電襯底上的電極對，漏電極之間的間距介于20nm-20000nm之間，源漏電極相對寬度為1 y m -1000 ixm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管的制備方法， 其特征是，所述的電極材料是Au、 Al、 Ti、 Ni、 W、 Cu中的一種。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征 是，所述的交變電場的頻率在lk-100MHz之間，電場為0. 5V/ii m-50V/u m，操 縱的沉積時(shí)間為5s-10min，溫度為0°C_7(TC。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征 是，所述H2S04和HA混合溶液中，H2S04和HA體積比范圍為1-6: 1，浸泡時(shí)間 為0小時(shí)到24小時(shí)，浸泡溫度為0-100度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征 是，所述將沖洗干凈的硅片浸泡在APS溶液中，其時(shí)間為0-24h， APS溶液中H20 和APS的體積比范圍為5-10000: 1。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征 是，所述將烘干后的硅片在碳納米管懸浮液中浸泡，是指將烘干后的硅片在濃度 為0. l-10mg/ml的碳納米管懸浮液中浸泡0-72h。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征 是，所述的等離子體發(fā)生氣體是甲烷與氬氣的混合氣體，或者氫氣，等離子體功 率為10-500W范圍，處理時(shí)間10s-60min，反應(yīng)腔室壓強(qiáng)為30-200Pa，反應(yīng)溫度 為0-700 。C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米電子器件的碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管的制備方法，步驟為在表面含有絕緣層的硅片上采用光刻技術(shù)制作出源漏電極圖案，將碳納米管通過交變電場雙向電泳的方法沉積在源漏電極之間形成碳納米管薄膜，然后用等離子體刻蝕的方法選擇性去除沉積的碳納米管中的金屬性碳納米管，得到具有良好性能的碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管；另一種為將碳納米管通過自組裝的方法沉積在表面含有絕緣層的硅片上形成碳納米管薄膜，然后采用光刻技術(shù)在碳納米管薄膜上制作出源漏電極圖案，接著用等離子體刻蝕的方法選擇性去除沉積的碳納米管中的金屬性碳納米管，得到具有良好性能的碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管。
文檔編號H01L21/208GK101540285SQ20091004940
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者偉 張, 張亞非, 潘曉艷, 林 胡, 陳長鑫 申請人:上海交通大學(xué)