CN107086180A - 一种单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的制备方法 - Google Patents
一种单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的制备方法，1)采用具有一定硬度，耐300℃温度的支撑性材料作为洁净衬底的表面；2)在衬底上通过光刻刻蚀技术制作出深度约100±10nm，8μm*2μm周期性回环的引导沟道；3)通过平面纳米线引导生长方法，使直径约50±10nm直径的晶体纳米线精确地沿着所述引导沟道生长，形成单根纳米线多通道复用形状的纳米线；4)通过光刻和蒸镀技术在纳米线特定位置的两侧制作80‑120nm厚度的金属块作为金属电极；5)利用ALD在纳米线阵列上方定义覆盖介质层；6)通过光刻热蒸发在介质层上方特定位置定义栅极，厚度为100nm。
Description
一、技术领域
本发明涉及光电器件和纳米材料领域，涉及晶体纳米线光电器件及制备，涉及在衬底上利用沟道引导横向纳米线生长技术，通过微加工工艺，制作形成高性能薄膜晶体管产品的制作方法。本发明是特别是涉及沟道引导定向生长、电学集成的平面半导体纳米线制备的导电通道复用薄膜晶体管的方法。
二、背景技术
当前社会，微电子及光电子器件等半导体器件已经广泛应用于现代科技、国民经济和日常生活中的方方面面，这些品种繁多的半导体器件与材料的外延技术密切相关。
液-液相-固相(SLS)生长机制SLS生长的机理有点类似于VLS机制，与VLS机制的区别仅在于，在VLS机制生长过程中，所需的原材料由气相提供；而在SLS机制生长过程中，所需的原料是从溶液中提供的，一般来说，此方法中常用低熔点金属(如In、Sn或Bi等)作为助溶剂(fluxdroplet)，相当于VLS机制中的催化剂。
光电显示产业21世纪以来，世界光电产业发展迅速。2016年，全球光电产业的市场规模己达10万亿美元。国外光电子产业主要在美国、西欧和日本。中国目前光电产业位居世界第二位。
中国光电技术产品市场十几年来始终保持在两位数的高速增长速度。随着信息技术、激光加工技术、激光医疗与光子生物学、激光全息、光电传感、显示技术等光电技术的快速发展以及光电技术与数字技术、多媒体技术、机电技术等领域的结合与渗透，我国已经形成市场可观、发展潜力巨大的光电产业。
三、发明内容
针对上述问题，本发明的目的是，提供一种制备高质量平面半导体薄膜晶体管器件的方法。尤其是沿特定沟道定向生长、转移和集成方法制备平面半导体纳米线器件。
本发明采取以下技术方案：一种单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的制备方法，其特征步骤包括：1)采用具有一定硬度，耐350℃温度的支撑性材料作为衬底；2)在洁净衬底的表面上通过光刻刻蚀技术制作出深度约90-300nm(不超过350nm深)如图2中2-1所示形状的引导沟道；3)再次使用光刻对准技术在沟道的特定位置上定义催化剂区域，通过平面纳米线引导生长方法，使直径约50±10nm直径的晶体纳米线精确地沿着探针位置的所述引导沟道生长，形成如图2中2-1所示形状的纳米线；蒸镀电极金属(如，Al,Pt)，在于引导沟道特定位置形成几十至一百纳米的金属膜图案作为金属探针的电极部分；
进一步的，通过光刻和蒸镀技术在纳米线特定位置处(如图2中2-2所示)制作80-120nm金属电极，作为源漏极；4)在纳米线上方特定位置蒸镀介质层，并定义蒸镀100nm金属作为栅极(如图2中2-3所示)；
所述衬底为硅片、玻璃或陶瓷片，硅片P型或者N型单晶硅片、P型或者N型多晶硅片，玻璃为普通玻璃，石英玻璃等非晶体衬底。
步骤3)中，再次使用光刻对准技术在沟道的位置上催化剂区域，通过平面纳米线引导生长方法，使直径约50±10nm直径的晶体纳米线精确地沿着探针位置的所述引导沟道生长，形成特定性状(如图2中2-1所示)的纳米线；蒸镀In,Sn等催化剂金属，在于引导沟道特定位置形成几十纳米的金属膜图案；在PECVD系统中利用等离子体处理技术，在350℃、功率2-5W时进行处理，使金属膜缩球形成直径在几百纳米到几微米之间的准纳米催化颗粒；再次使用PECVD系统覆盖一层适当厚度的非晶硅(几纳米到几百纳米)的非晶硅作为前驱体介质层；在真空氛围下，350℃环境中退火，利用IP-SLS生长模式，使得纳米线从催化剂区域沿着引导沟道生长，形成并获得特定性状(如图2中2-1所示)的纳米线。
通过光刻刻蚀方法制作引导沟道；其中刻蚀方法用湿法刻蚀：氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)等碱性腐蚀体系，也可以是氢氟酸+硝酸(HF+HNO3)、氢氟酸+硝酸+醋酸(HF+HNO3+CH3COOH)等酸性腐蚀体系，还可以是乙二胺邻苯二酚(EthyleneDiaminePyrocatechol)等体系；或者采用干法刻蚀，即利用ICP-RIE进行刻蚀。
生长出晶体纳米线，纳米线为Si，Ge,SiGe,Ga等晶体材料形成。
源漏电极金属使用PT(12nm)-AL(80nm)体系,可以是Ti-Au体系，是Ni金属，金属接触均使用快速热退火过程提高接触性能。可使用热蒸发系统或者电子束蒸发系统。
介质层使用Al2O3(30nm),氮化硅，氧化硅,氧化铪，氧化铬等多种介质层；
栅电极金属使用PT(12nm)-AL(80nm)体系,可以是Ti-Au体系，是Ni金属。可使用热蒸发系统或者电子束蒸发系统。
本发明制备方法，单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的特征是具有高迁移率(＞100㎝2/v.s)高开关比(＞106)，亚阈值电压接近于0，SSD小于(160mV/)的高性能器件；
根据制备方法得到的单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件，其中长宽比包括0.01-100任意比例，纳米线总长度在50-200um，导电沟道使用数量从1-200，纳米线为Si，Ge,SiGe,Ga等晶体材料制备，直径在20-80nm。
本发明的有益效果，本发明采用IP-SLS等方法在PECVD中生长沟道台阶引导的纳米线，并利用现代微加工技术进行制作成根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件。IP-SLS方法可以生长平面纳米线，结合台阶沟道引导技术就可以生长出高质量、特定形状的平面半导体单晶纳米线。通过光刻蚀技术形成的引导沟道和定位的催化剂区域后就可实现纳米线生长的自定位、自定向。由于此类纳米线由于特殊的形状和高效的导电性质，能大大提高薄膜晶体管的电流密度，提高薄膜晶体管的性能。本项技术为基于平面半导体纳米线的高性能场效应晶体管、传感器、光电器件和平板显示提供了关键技术基础，有着广阔的前景。
四、附图说明
图1：单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件制备过程流程图；
图2：单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件原理示意图；图2中2-1纳米线从催化剂区域沿着特定引导沟道生长，形成并获得特定形状的纳米线；图2中2-2搭上金属电极，为源漏电极；图2中2-3通过光刻热蒸发在介质层上方特定位置定义栅极。
图3：单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件SEM形貌图，图中a、b对应了两种不同比例的形貌图；
图4：单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件电学性能图。
五、具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、作用和有点更加明了，以下结合具体实例，对本发明进行进一步的详细解说。
一种在衬底上，通过制作特定形状的沟道，利用平面纳米线生长过程中引导台阶的导向作用，获得精确引导的高质量纳米线，并能够进行导电沟道复用，大大提高器件集成，获得高电流密度的薄膜晶体管材料，并能够驱动平面显示材料。本技术使用常规的PECVD，CVD等多种薄膜沉积系统和微加工系统实现。本发明解决了以硅为代表的各种半导体纳米线，在特定引导沟道中大规模引导生长，并实现单根纳米线多导电通道复用，提高电流密度的关键技术问题。该方法包括以下方法步骤：1、对衬底进行标准化清洗，去除表面氧化层以及其他杂质。2、利用光刻刻蚀技术形成特定形状的衬底沟道，其后定义催化剂沟道，并蒸镀In等金属，在PECVD系统中利用等离子体处理技术使之形成直径在几十纳米到几个微米之间的纳米催化颗粒；3、继续在PECVD系统中覆盖一层适当厚度的非晶硅层作为前驱体介质；4、在真空中或者氢气、氮气等非氧化性气氛中退火(温度在300℃以上)，利用IP-SLS生长模式获得沟道台阶引导的纳米线，即为单根线多通道复用的纳米线；5利用光刻蒸镀技术在特定位置定义源漏电极，并在导电通道上面定义蒸镀介质层，再次通过光刻蒸镀技术在介质层上方定义栅极电极，即制作成纳米线单根线多通道复用薄膜晶体管器件。
流程图如附图1所示。一种平面单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的生长、转移和集成平面半导体纳米线的技术。是特定沟道下的定向生长、转移和集成平面半导体纳米线的方法，其步骤如下：1)通过酸碱热溶液或者分别通过丙酮、酒精、去离子水超声处理对覆盖氧化层的晶体衬底进行处理，去除表面附着的杂质，暴露出晶体洁净表面。2)利用光刻刻蚀技术定义生物探针引导生长沟道，再次使用光刻对准技术在沟道的特定位置上定义催化剂区域。3)蒸镀In,Sn金属，通过lift off，使之仅存在于引导沟道特定位置形成几十纳米的金属膜图案；4)在PECVD系统中利用等离子体处理技术，在350℃、功率2-5W时进行处理，使金属膜缩球形成直径在几百纳米到几微米之间的准纳米催化颗粒；5)再次使用PECVD系统覆盖一层适当厚度的非晶硅(几纳米到几百纳米)的非晶硅作为前驱体介质层。6)在真空氛围下，350℃环境中退火，利用IP-SLS生长模式，使得纳米线从催化剂区域沿着特定引导沟道生长，形成并获得特定形状(如图2中2-1所示)的纳米线。7)再次利用光刻对准技术和金属蒸镀技术，在特定形状(如图2中2-1所示)的纳米线特定位置(如图2中2-2所示)搭上金属电极，为源漏电极。8)利用ALD在纳米线阵列上方定义覆盖介质层；6)通过光刻热蒸发在介质层上方特定位置定义栅极，厚度为100nm(见图2中2-3)。
衬底可以是P型或者N型单晶硅衬底，可以是P型或者N型多晶硅片，也可以是普通玻璃，石英玻璃等非晶体衬底。
通过光刻刻蚀制作出深度约200nm的引导沟道，特定性状(如图2中2-1所示)的引导沟道，其中长宽比包括0.01-100任意比例，纳米线总长度在50-200um，导电沟道使用数量从1-200，纳米线为Si，Ge,SiGe,Ga等晶体材料制备，直径在20-80nm。刻蚀方法可用湿法刻蚀：氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)等碱性体系，也可以是氢氟酸+硝酸(HF+HNO3)、氢氟酸+硝酸+醋酸(HF+HNO3+CH3COOH)等酸性体系，还可以是乙二胺邻苯二酚(EthyleneDiaminePyrocatechol)等体系；也可以是干法刻蚀体系，利用ICP-RIE进行刻蚀。
平面生长的纳米线可以是Si,SiGe,Ge,Ga平面单晶纳米线阵列，直径分布在40～100nm之间。
利用光刻蒸镀技术制作金属电极，可使用热蒸发系统、电子束蒸发系统等，金属电极接触使用PT(12nm)-AL(80nm)体系,可以是Ti-Au体系，可以是Ni金属，金属电极接触均使用快速热退火过程提高接触性能。
更具体的：300nmSiO2氧化层衬底上平面生物探针纳米线器件制备包括以下步骤：
1)采用300nmSiO2氧化层衬底(经表面氧化的硅片)，分别使用丙酮、酒精、去离子水超声处理，去除衬底表面附着的杂质。硅片可采用纯单晶或多晶硅硅片。
2)通过有掩膜光刻技术在衬底表面定义特定性状(如图2中2-1所示)的图形，使用ICP-RIE刻蚀在表面形成沟道，清洗光刻胶之后形成特定性状(如图2中2-1所示)的阵列。
3)在PECVD系统中，在1-50W功率下利用等离子体处理技术使之形成直径在几百纳米到几个微米之间的纳米催化颗粒；350℃的温度下形成直径在几百纳米的纳米催化颗粒。
4)继续在PECVD系统中覆盖一层适当厚度的非晶硅层作为前驱体介质层；300℃-400℃下覆盖一层适当厚度的非晶硅层。真空中或者氢气、氮气等非氧化性气氛中退火在400℃下，催化液滴被激活后可以吸收周围的非晶硅，从而可以诱导生长出平面硅纳米线，同时纳米线会沿着引导沟道侧壁定向生长，形成所需的沟道。
5)在氢气氛围中利用等离子体处理表面残余的非晶硅15分钟直至表面颜色恢复正常色泽。
6)再次使用光刻定义源漏电极图形(如图2中2-2)，使用电子束蒸发技术，蒸镀10nm铂和60nm铝，之后清洗掉的光刻胶和残余的金属。
7)利用ALD在纳米线阵列上方定义覆盖介质层；
8)通过光刻热蒸发在介质层上方特定位置定义栅极，厚度为100nm(见图2中2-3)。
本发明重点在于，由于此类纳米线由于特殊的形状和高效的导电性质，能大大提高薄膜晶体管的电流密度，提高薄膜晶体管的性能。本发明为基于平面半导体纳米线的高性能场效应晶体管、传感器、光电器件和平板显示提供了关键技术基础。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的制备方法，其特征步骤包括：1)采用具有一定硬度，耐300℃温度的支撑性材料作为洁净衬底的表面；2)在衬底上通过光刻刻蚀技术制作出深度约90-300nm，8μm*2μm周期性回环的引导沟道；3)通过平面纳米线引导生长方法，使直径约50±10nm直径的晶体纳米线精确地沿着所述引导沟道生长，形成单根纳米线多通道复用形状的纳米线；4)通过光刻和蒸镀技术在纳米线特定位置的两侧制作80-120nm厚度的金属块作为金属电极；5)利用ALD在纳米线阵列上方定义覆盖介质层；6)通过光刻热蒸发在介质层上方特定位置定义栅极，厚度为100nm。
2.根据权利要求1所述的单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的制备方法，其特征是所述衬底为硅片、玻璃或陶瓷片，硅片P型或者N型单晶硅片、P型或者N型多晶硅片，玻璃为普通玻璃，石英玻璃等非晶体衬底。
3.根据权利要求1所述的单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的制备方法，其特征步骤包括：步骤3)中，再次使用光刻对准技术在沟道的位置上催化剂区域，通过平面纳米线引导生长方法，使直径约50±10nm直径的晶体纳米线精确地沿着探针位置的所述引导沟道生长，形成纳米线；蒸镀In,Sn金属，在于引导沟道特定位置形成几十纳米的金属膜图案；在PECVD系统中利用等离子体处理技术，在350℃、功率2-5W时进行处理，使金属膜缩球形成直径在几百纳米到几微米之间的准纳米催化颗粒；再次使用PECVD系统覆盖一层几纳米到几百纳米厚度的非晶硅的非晶硅作为前驱体介质层；在真空氛围下，350℃环境中退火，利用IP-SLS生长模式，使得纳米线从催化剂区域沿着引导沟道生长，形成并获得引导沟道形状的纳米线。
4.根据权利要求1所述的单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的制备方法，其特征是通过光刻刻蚀方法制作引导沟道；其中刻蚀方法用湿法刻蚀：氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)等碱性腐蚀体系，或是氢氟酸+硝酸(HF+HNO3)、氢氟酸+硝酸+醋酸(HF+HNO3+CH3COOH)酸性腐蚀体系，或是乙二胺邻苯二酚(Ethylene DiaminePyrocatechol)体系；或者采用干法刻蚀，即利用ICP-RIE进行刻蚀。
5.根据权利要求1所述的单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的制备方法，其特征是生长出晶体纳米线，纳米线为Si，Ge,SiGe,Ga晶体材料形成。
6.根据权利要求1所述的单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的制备方法，其特征是生长出如图2-1所示周期性阵列形状的纳米线。
7.根据权利要求1所述的单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的制备方法，其特征是金属电极使用PT12nm-AL80nm体系,或是Ti-Au体系、Ni金属，金属接触均使用快速热退火过程提高接触性能；使用热蒸发系统或者电子束蒸发系统。
8.根据权利要求1所述的单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的制备方法，其特征是在纳米线特定区域定义源漏电极，使得每个纳米线通道均能得到使用；在纳米线特性区域覆盖介质层并定义栅极，使得每个纳米线通道均能得到使用。
9.根据权利要求1所述的单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件的制备方法，生物探针特征是具有高迁移率(＞100㎝2/v.s)高开关比(＞105)，亚阈值电压接近于0，SSD小于(400mV/dec)的高性能器件。
10.根据权利要求1-8之一所述的制备方法得到的单根纳米线多通道复用薄膜晶体管器件，其特征是长宽比0.01-100任意比例，纳米线总长度在50-200um，导电沟道使用数量1-200，纳米线为Si，Ge,SiGe,Ga晶体材料制备，直径在20-80nm。
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