CN105304499A - 一种制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体制造领域，公开了一种制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，首先提供一硅衬底，接着在硅衬底上制备碳纳米管；然后制备以碳纳米管为沟道材料的场效应晶体管；再接着在碳纳米管场效应晶体管四周形成沟槽，且沟槽的四周相邻的端点处保留预设尺寸的桥接；然后对硅衬底进行横向刻蚀，以使碳纳米管场效应晶体管的底部保持悬空；最后采用PDMS印章工艺将碳纳米管场效应晶体管转移至柔性衬底，形成柔性碳纳米管场效应晶体管。本发明兼容了目前主流的高性能碳纳米管晶体管的制备工艺，通过集成柔性封装工艺，实现了柔性碳纳米管场效应晶体管的大规模量产，其市场应用价值广阔。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，涉及一种制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法。
背景技术
近年来，随着柔性显示技术和智能可穿戴产品的迅速发展，柔性电子学受到越来越多的关注，对柔性场效应晶体管(FieldEffectTransistor，FET)的研究也逐渐成为热点课题，目前较为成熟的柔性晶体管制备工艺主要是基于有机半导体材料，或采用低温多晶硅工艺。有机半导体材料虽然具有较好的柔韧性和较低的工艺成本，但其较低的载流子迁移率极大地限制了器件性能的提升，同时，有机半导体材料还极易受到氧气和湿度的影响，从而导致器件的可靠性存在很大问题。此外，低温多晶硅工艺虽然可以在一定程度上改善有机半导体材料的可靠性问题，但其器件性能仍然很难得到有效提升，同时其复杂的制造工艺也极大地增加了生产成本，从而限制了其应用推广，因此，目前对于柔性晶体管的研究重点仍然是寻找合适的无机半导体材料，以制备高性能的柔性晶体管，并克服有机半导体材料的可靠性问题。
研究发现，单壁碳纳米管(SWNT)具有独特的电学特性，尤其是半导体的单壁碳纳米管具有非常高的载流子迁移率，在场效应晶体管中可表现出弹道输运特性，是制备高性能的场效应晶体管的理想材料。同时，碳纳米管还具有优异的材料特性，如良好的机械柔韧性和延展性以及光学透明性，这使得碳纳米管成为制备柔性电子器件的理想材料。但是由于受限于工艺条件和制备能力，柔性碳纳米管场效应晶体管的制备成本高且产量较低，柔性碳纳米管场效应晶体管要想获得大规模的实际应用，必须首选研发出低成本的量产工艺技术。
因此，本领域技术人员亟需提供一种制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，不仅与传统的微电子加工工艺相兼容，同时为柔性碳纳米管场效应晶体管的量产提供可能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，不仅与传统的微电子加工工艺相兼容，同时为柔性碳纳米管场效应晶体管的量产提供可能。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，包括以下步骤：
步骤S01，提供一硅衬底，并在所述硅衬底上形成二氧化硅层；
步骤S02，在具有二氧化硅层的硅衬底上制备碳纳米管；
步骤S03，制备以所述碳纳米管为沟道材料的场效应晶体管；
步骤S04，采用光刻和刻蚀工艺在碳纳米管场效应晶体管四周形成沟槽，且所述沟槽的四周相邻的端点处保留预设尺寸的桥接；
步骤S05，对所述硅衬底进行横向刻蚀，以使碳纳米管场效应晶体管的底部保持悬空；
步骤S06，采用PDMS印章工艺将碳纳米管场效应晶体管转移至柔性衬底，形成柔性碳纳米管场效应晶体管。
优选的，所述步骤S02中，在所述二氧化硅层上制备碳纳米管包括以下方法：
在所述硅衬底上预先定位催化剂颗粒，并通过化学气相沉积工艺原位生长碳纳米管薄膜或平行阵列的碳纳米管；或者，
将已生长好的平行阵列的碳纳米管直接转移至所述硅衬底；或者，
通过化学修饰法在所述硅衬底上淀积碳纳米管薄膜。
优选的，所述步骤S03中，制备以所述碳纳米管为沟道材料的场效应晶体管，具体包括以下步骤：
步骤S031，制备源漏电极；
步骤S032，在所述二氧化硅层上淀积高K栅介质层；
步骤S033，制备栅电极以及栅电极引出线；
步骤S034，制备源漏电极接触孔，引出所述源漏电极。
优选的，采用光刻、刻蚀以及金属剥离工艺制备源漏电极和栅电极，所述源漏电极以及栅电极包括钛粘附层和金电极层，或者包括钛粘附层和钯电极层。
优选的，采用原子层淀积工艺形成所述高K栅介质层，所述高K栅介质层的材质为HfO2或Al2O3。
优选的，采用光刻、刻蚀以及金属剥离工艺制备所述源漏电极接触孔。
优选的，所述步骤S04中，利用光刻和刻蚀工艺在碳纳米管场效应晶体管四周形成沟槽，具体包括以下步骤：
步骤S041，采用光刻工艺在所述碳纳米管场效应晶体管的四周定义出沟槽图形，并使沟槽的四周相邻的端点处保留预设尺寸的桥接；
步骤S042，采用刻蚀工艺对所述高K栅介质层以及二氧化硅层进行刻蚀，且刻蚀停止于所述硅衬底的上表面。
优选的，所述步骤S05中，采用KOH或TMAH溶液对所述硅衬底进行横向湿法刻蚀。
优选的，所述步骤S06中，所述柔性衬底包括有机柔性衬底以及无机柔性衬底。
优选的，所述有机柔性衬底的材料包括聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯；所述无机柔性衬底的材料包括铝箔或锡箔。
与现有的方案相比，本发明提供了一种制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，首先在硅衬底上制备碳纳米管，接着制备碳纳米管场效应晶体管，最后通过PDMS印章工艺将碳纳米管场效应晶体管转移至柔性衬底，本发明兼容了目前主流的高性能碳纳米管晶体管的制备工艺，通过集成柔性封装工艺，实现了柔性碳纳米管场效应晶体管的大规模量产，其市场应用价值广阔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法的流程示意图；
图2a-2e是本发明中形成柔性碳纳米管场效应晶体管的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图对本发明的制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法进行详细说明。图1是本发明中制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法的流程示意图；图2a-2e是本发明中形成柔性碳纳米管场效应晶体管的结构示意图。
如图1所示,本发明提供了一种制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，包括以下步骤：
步骤S01，提供一硅衬底100，并在硅衬底100上形成二氧化硅层200。
具体的，本步骤中，优选<111>晶向的硅衬底100，然后在<111>晶向的硅衬底上优先采用热氧化工艺形成二氧化硅层200，本步骤中的热氧化工艺参数采用半导体工艺中的标准热氧化工艺参数即可，值得说明的是，采用其他生长工艺在硅衬底100上形成二氧化硅200均在本发明的保护范围，实际工艺过程中，本领域技术人员可根据实际需要选择生长二氧化硅200的工艺。
步骤S02，在具有二氧化硅层的硅衬底100上制备碳纳米管300(请参阅图2a)。
具体的，本步骤中，制备碳纳米管300包括多种方法：第一种方法是在硅衬底100上预先定位催化剂颗粒，并通过化学气相沉积工艺原位生长碳纳米管薄膜或平行阵列的碳纳米管300；第二种方法是将已生长好的平行阵列的碳纳米管300直接转移至硅衬底100；第三种方法是通过化学修饰法在硅衬底100上淀积碳纳米管薄膜。
步骤S03，制备以碳纳米管300为沟道材料的场效应晶体管400(请参阅图2b)。
本步骤中，制备以碳纳米管300为沟道材料的场效应晶体管400，具体包括以下步骤：
步骤S031，制备源漏电极401；本实施例中，可采用光刻、刻蚀以及金属剥离工艺制备源漏电极401，源漏电极401可包括钛粘附层和金电极层，或者包括钛粘附层和钯电极层。
步骤S032，在二氧化硅层200上淀积高K栅介质层402；本实施例中，采用原子层淀积工艺形成高K栅介质层402，高K栅介质层402的材质优选为HfO2或Al2O3。
步骤S033，制备栅电极403以及栅电极引出线404；本实施例中，可采用光刻、刻蚀以及金属剥离工艺制备栅电极403，栅电极403可包括钛粘附层和金电极层，或者包括钛粘附层和钯电极层。
步骤S034，制备源漏电极接触孔405，引出所述源漏电极401；本实施例中，优选采用光刻、刻蚀以及金属剥离工艺制备源漏电极接触孔405。
步骤S04，采用光刻和刻蚀工艺在碳纳米管场效应晶体管四周形成沟槽500，且所述沟槽500的四周相邻的端点处保留预设尺寸的桥接(请参阅图2c)。
本步骤中，在沟槽500的四周相邻的端点处保留预设尺寸的桥接的目的是使得后续形成的底部悬空的碳纳米管场效应晶体管的四个顶角处保留必要的支撑结构。
具体的，利用光刻和刻蚀工艺在碳纳米管场效应晶体管四周形成沟槽500，具体包括以下步骤：
步骤S041，采用光刻工艺在所述碳纳米管场效应晶体管的四周定义出沟槽图形，并使沟槽的四周相邻的端点处保留预设尺寸的桥接；
步骤S042，采用刻蚀工艺对高K栅介质层402以及二氧化硅层200进行刻蚀，且刻蚀停止于硅衬底100的上表面。本步骤中，可采用湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺对高K栅介质层402以及二氧化硅层200进行刻蚀，其中，干法刻蚀工艺可采用反应离子(RIE)进行刻蚀，湿法刻蚀工艺可采用氢氟酸(HF)溶液进行刻蚀。
步骤S05，对硅衬底100进行横向刻蚀，以使碳纳米管场效应晶体管的底部保持悬空。
具体的，本步骤中，在沟槽500下方对硅衬底100进行横向刻蚀，可采用KOH或TMAH溶液对所述硅衬底100进行横向湿法刻蚀，具体工艺参数可根据制备的碳纳米管晶体管的尺寸进行设定，在此不作赘述。
步骤S06，采用PDMS印章工艺将碳纳米管场效应晶体管转移至柔性衬底600，形成柔性碳纳米管场效应晶体管(请参阅图2d以及2e)。
具体的，本步骤中，在形成底部悬空的碳纳米管场效应晶体管后，最后利用PDMS印章技术将悬空的碳纳米管场效应晶体管转移至目标柔性衬底600上，即可形成柔性碳纳米管场效应晶体管。图2d为PDMS印章覆盖悬空的碳纳米管晶体管的示意图；图2e为转移后的柔性碳纳米管场效应晶体管的示意图。柔性衬底600可任意选取有机柔性衬底或者无机柔性衬底，其中，有机柔性衬底的材料600包括聚酰亚胺(Polymide)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚对二甲苯；无机柔性衬底的材料包括铝箔或锡箔，本实施例中选择聚酰亚胺作为目标柔性衬底。
综上所述，本发明提供了一种制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，首先在硅衬底上制备碳纳米管，接着制备碳纳米管场效应晶体管，最后通过PDMS印章工艺将碳纳米管场效应晶体管转移至柔性衬底，本发明兼容了目前主流的高性能碳纳米管晶体管的制备工艺，通过集成柔性封装工艺，实现了柔性碳纳米管场效应晶体管的大规模量产，其市场应用价值广阔。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01，提供一硅衬底，并在所述硅衬底上形成二氧化硅层；
步骤S02，在具有二氧化硅层的硅衬底上制备碳纳米管；
步骤S03，制备以所述碳纳米管为沟道材料的场效应晶体管；
步骤S04，采用光刻和刻蚀工艺在碳纳米管场效应晶体管四周形成沟槽，且所述沟槽的四周相邻的端点处保留预设尺寸的桥接；
步骤S05，对所述硅衬底进行横向刻蚀，以使碳纳米管场效应晶体管的底部保持悬空；
步骤S06，采用PDMS印章工艺将碳纳米管场效应晶体管转移至柔性衬底，形成柔性碳纳米管场效应晶体管。
2.根据权利要求1所述的制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，其特征在于，所述步骤S02中，制备碳纳米管包括以下方法：
在所述硅衬底上预先定位催化剂颗粒，并通过化学气相沉积工艺原位生长碳纳米管薄膜或平行阵列的碳纳米管；或者，
将已生长好的平行阵列的碳纳米管直接转移至所述硅衬底；或者，
通过化学修饰法在所述硅衬底上淀积碳纳米管薄膜。
3.根据权利要求1所述的制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，其特征在于，所述步骤S03中，制备以所述碳纳米管为沟道材料的场效应晶体管，具体包括以下步骤：
步骤S031，制备源漏电极；
步骤S032，在所述二氧化硅层上淀积高K栅介质层；
步骤S033，制备栅电极以及栅电极引出线；
步骤S034，制备源漏电极接触孔，引出所述源漏电极。
4.根据权利要求3所述的制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，其特征在于，采用光刻、刻蚀以及金属剥离工艺制备源漏电极和栅电极，所述源漏电极以及栅电极包括钛粘附层和金电极层，或者包括钛粘附层和钯电极层。
5.根据权利要求3所述的制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，其特征在于，采用原子层淀积工艺形成所述高K栅介质层，所述高K栅介质层的材质为HfO2或Al2O3。
6.根据权利要求3所述的制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，其特征在于，采用光刻、刻蚀以及金属剥离工艺制备所述源漏电极接触孔。
7.根据权利要求3所述的制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，其特征在于，所述步骤S04中，利用光刻和刻蚀工艺在碳纳米管场效应晶体管四周形成沟槽，具体包括以下步骤：
步骤S041，采用光刻工艺在所述碳纳米管场效应晶体管的四周定义出沟槽图形，并使沟槽的四周相邻的端点处保留预设尺寸的桥接；
步骤S042，采用刻蚀工艺对所述高K栅介质层以及二氧化硅层进行刻蚀，且刻蚀停止于所述硅衬底的上表面。
8.根据权利要求1所述的制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，其特征在于，所述步骤S05中，采用KOH或TMAH溶液对所述硅衬底进行横向湿法刻蚀。
9.根据权利要求1所述的制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，其特征在于，所述步骤S06中，所述柔性衬底包括有机柔性衬底以及无机柔性衬底。
10.根据权利要求9所述的制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，其特征在于，所述有机柔性衬底的材料包括聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯；所述无机柔性衬底的材料包括铝箔或锡箔。
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