CN1886332A - 拣选碳纳米管的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了拣选纳米管和在选择性的纳米管类型的基础上形成器件的方法。本公开提供了拣选在场效应晶体管、二极管和电阻器的形成中有用的半导体性纳米管的方法。本公开也提供了拣选在互连器件的形成中有用的金属性纳米管的方法。所述的方法包括纳米管的选择性耗尽和施加高电流通过其余的纳米管的应用，以及纳米管的阴极保护和酸的应用。

Description

拣选碳纳米管的方法
发明领域
本发明涉及纳米管，并且更特别地，涉及用于拣选(sorting)例如由碳制成的纳米管的方法和系统。
背景
单壁碳纳米管(SW-CNT)是由碳原子的单原子层圆柱壳体形成的纳米尺度管。纳米管直径有几纳米，长度直到100μm，以致它们形成了极细的线。SW-CNT的原子结构可以通过沿某个方向卷绕(wrapping)石墨片单原子层的条带来形成。卷绕方向决定了纳米管的直径和手性。
实验和理论研究已经证明纳米尺寸CNT的令人感兴趣的特性包括新的电子特性，依据CTN的直径和手性，这些电子特性可以是金属性的或者是半导体性的。
在制造时，SW-CNT包括金属性和半导体性纳米管的混合物，因此难以处理。因此，在制备晶体管、二极管等时，纳米管被任意分散。在电子学中应用纳米管需要选择的纳米管类型，例如，SW-CNT用作晶体管沟道时需要半导体性SW-CNT，而SW-CNT用作片上互连(on-chip interconnect)用导体时需要金属性SW-CNT。可靠地布置(placing)和拣选纳米管的受控方法是所期望的。
附图的简要说明
图1说明了拣选半导体性纳米管和除去金属性纳米管。
图2显示了可用于拣选金属性纳米管和除去半导体性纳米管的方法和装置。
详细描述
本公开描述了包括碳、硼—氮化物和二元金属氧硫族化合物(metal dichalcogenid)基纳米管的单壁纳米管的选择和拣选方法。单壁碳纳米管(SW-CNT)可以由不同材料形成。典型的材料类型通常包括金属性(metallic)或半导体性(semiconducting)材料。本公开提供了选择性地去除一种材料类型的纳米管而保留其他类型纳米管的方法。相对于另一种材料类型纳米管选择一种材料类型纳米管的处理方法在晶体管、电阻器和二极管生产中的得到应用。
材料的生理化学(physio-chemical)特性被用来选择性去除金属性纳米管并因此保留半导体性纳米管。例如，电流可以用来燃烧/分解(dissolve)金属性SW-CNT，而半导体性纳米管通过在半导体SW-CNT上施加栅电压来提高其电阻而被保护。在另一实施例中，金属性SW-CNT通过阴极保护使其免于分解，而半导体性纳米管被强酸或强酸和光子能分解。光子能在半导体性SW-CNT中产生电子—空穴对以在强酸中选择性地分解这样的半导体性SW-CNT，而不分解金属性SW-CNT。
所描述的方法利用了选择性地分解载流的纳米管的能力，而“被保护的”纳米管(例如，那些不能载流的纳米管)仍然完好无缺。各种“保护”一类材料而同时允许电流流经另外一类材料的方法在本领域中是已知的。
半导体性SW-CNT可以通过耗尽半导体性材料的载流子的方式被保护。这种保护是在这样的情况下完成的：半导体性SW-CNT与源电极和漏电极接触，并且电压被施加在栅电极上，以致载流子从半导体性SW-CNT中被耗尽。因此，半导体性SW-CNT因为不能承载电流而被保护，而金属性SW-CNT能承载电流。然后，电流被施加在纳米管上，以致金属性(例如，不被保护的)纳米管被分解，因此从金属性纳米管中选择/拣选了半导体性纳米管。
这一过程可以在硅衬底(例如，硅晶片)的介电层(SiO2)上完成。电极/导体的图形(pattern)被产生在衬底上，并对应于源/漏电极区。到源电极和漏电极的接触体(contact)的形成可以通过光刻和刻蚀技术来形成刻蚀区，然后用金属填充所述刻蚀区来完成。电极/导体材料组成包括，例如，多晶硅、自对准硅化物(salicide)(例如，Co，Ni，等等)、难熔金属(例如，Ni、Co、Mo、Ta、W、Nb、Zr、Hf、Ir和La)，贵金属(例如，Ru、Rh、Pt、和Au)，及其任意组合。包括半导体性和金属性SW-CNT的溶液被分配(dispense)在衬底上，并且通过选择性金属沉积技术(例如电子束或者聚焦粒子束(FIB)辅助金属沉积(Pt，Au，Ag，等等))来形成具有SW-CNT和电极/导体图形的接触体。然后，电压被施加在衬底上来调节半导体性SW-CNT的电阻(也即，载流子耗尽)。因为金属性SW-CNT与半导体性SW-CNT相比具有更低的电阻，所以电流被施加并将选择性地穿过(traverse)金属性SW-CNT。当电流通过金属性SW-CNT时，金属变热并且燃烧/分解。
现在参考图1。图1显示了衬底200上的SiO2层100。电极/导体图形250a和250b被设置(dispose)在层100上。电极/导体图形250a和250b包括源电极和漏电极。例如，250a可以包括漏电极，而250b包括源电极。多个SW-CNT被设置在包括SiO2层100的衬底200上。所述的多个SW-CNT将包括，例如，半导体性SW-CNT和金属性SW-CNT。图1中的描述是SW-CNT 300和400。例如，金属性SW-CNT 300和半导体性SW-CNT 400被设置在包括层100的衬底200上。在操作期间，栅电压被施加，以致源电极和漏电极/导体图形250a和250b从半导体性SW-CNT 400中去除载流子。金属性SW-CNT 300仍然能承载电流。由于金属性SW-CNT 300与半导体性SW-CNT 400相比具有更低的电阻，电流被施加并选择性地穿过金属性SW-CNT 300。金属性单壁碳纳米管(SW-CNT)变得越来越热直到燃烧/分解掉，只留下半导体性SW-CNT 400。
前述的方法对于场效应晶体管(FTT)、二极管和电阻器的制备是有用的。在一些实例中，期望制备基于金属性纳米管的用于互连的导电图形。
因此，本公开也包括从半导体纳米管中选择/拣选金属性纳米管的方法。金属性SW-CNT能通过阴极电压保护而被保护。阴极电压保护是金属性SW-CNT上全部为负电荷的结果。这种保护是在金属性SW-CNT与阴极接触的情况下完成的。由此，金属性SW-CNT被“保护”，因为纳米管将不被带负电荷的酸阴离子(例如，NO3-，SO4-，等等)附着/分解，这是由于这些阴离子受到金属性SW-CNT全部的负电荷的排斥，而半导体性SW-CNT受到强酸作用，这些强酸将侵蚀掉半导体性SW-CNT。因此，半导体性(例如，不被保护的)纳米管被分解掉，从而从半导体性纳米管中选择/拣选了金属性纳米管。
为了形成导电图形的互连，半导体性和金属性SW-CNT的混合物被分配在包括电极/导体图形的衬底上。然后，选择性金属沉积技术被用来形成到SW-CNT的接触件，采用金属(如，Pt，Au，等等)的例如电子束或者FIB辅助金属沉积技术。然后，负电势通过双电层和阳极被施加到金属性SW-CNT，或者通过介电层被施加到半导体衬底。这一负电压也起着通过耗尽半导体性SW-CNT来调节半导体性SW-CNT的传导率的作用。然后，强酸(如，例如，HNO3、H2SO4等)被加到包括SW-CNT的衬底上。强酸将选择性地分解半导体性SW-CNT而金属性SW-CNT被负电荷保护(阴极保护)。半导体性SW-CNT也可以被酸和在半导体性材料中光生电位感应的组合所分解。通过光子能接触半导体性材料耗尽区产生的光生电位导致了电子—空穴对的形成。
这里所使用的光子能的源可以是任何类型的发射光子能的光源，所述的光子能例如，可以是光子能聚焦束(例如，光)，或者，所述的光子能可以采用各种滤光器、反射镜、透镜、和/或光孔来引导光子能聚焦束而被改变(modify)。滤光器使调节光功率的值小于、等于或者大于用于生成光生电位的阈值成为可能。接触半导体性材料的光子能可以被改变以获得期望的几何形状，例如聚焦光点、长度为毫米或更短的聚焦线，弯曲的“圆括号形的(parenthetical shaped)”几何形状，等等。因此，光子能的源包括激光二极管或者光发射二极管，所述光子能的源在可见或非常近红外的波长范围上发射光。
图2显示衬底500，衬底500包括，例如，硅晶片，器件层600，以及层间电介质(ILD)层700(例如由低k碳掺杂二氧化硅形成)。绝缘层700具有期望厚度(例如，典型地大约3微米到10微米)。为了减小信号延迟时间，典型地，使用介电常数约小于3的低-k(低介电常数材料)。传统的二氧化硅可以被用作绝缘层700。其他可用在ILD层中的实例性材料包括用于旋涂方法涂覆的低k有机材料。电极/导体图形750a和750b位于绝缘层700上。多个SW-CNT被设置在绝缘层700上。所述的多个SW-CNT将包括，例如，半导体性SW-CNT和金属性SW-CNT。
图2显示SW-CNT 300和400。例如，金属性SW-CNT 300和半导体性SW-CNT 400被设置在绝缘层700上。在操作期间，栅电压被施加，以使电极/导体图形750a和750b包括负电势。金属性SW-CNT 300变成带负电荷，并受阴极电压保护。然后，使酸与包括SW-CNT的绝缘层700接触。因为半导体性SW-CNT 400带负电，酸选择性地分解半导体性SW-CNT 400，被阴极保护的金属性SW-CNT被保护免于受到强酸的影响。可选的光子能的源800示于图2。可选的光子能的源800可以被用来产生光生电位，并由此进一步辅助分解半导体性SW-CNT 400。

Claims (26)

1.一种方法，包括：
提供衬底；
提供多个与所述的衬底接触的半导体性和金属性纳米管；
选择性地保护所述的半导体性纳米管和金属性纳米管中的一种并留下所述的半导体性纳米管或者金属性纳米管中的其他种作为不被保护的纳米管；以及
分解所述的不被保护纳米管，只留下被保护的纳米管。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述的衬底是半导体衬底。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述的半导体衬底包括栅电极、源电极和漏电极。
4.如权利要求4所述的方法，其中所述的半导体性纳米管的保护是通过耗尽所述半导体性纳米管的载流子来进行的。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述的金属性纳米管通过电流被选择性地去除。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述的金属性纳米管的保护是通过在强酸溶液中的阴极保护方式进行的。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述的半导体性纳米管通过所述的强酸溶液被选择性地去除。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括使所述的半导体性纳米管与光子能接触以产生电子-空穴对。
9.一种方法，包括：
提供衬底；
提供多个与所述的衬底接触的半导体性和金属性纳米管；
通过阴极保护选择性地保护所述的金属性纳米管不被酸降解；以及
使所述的包括所述纳米管的衬底与酸接触，以致所述的不被保护的纳米管被选择性地去除。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述的衬底包括层间电介质(ILD)。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述的半导体性纳米管被所述的强酸溶液选择性地去除。
12.如权利要求9所述的方法，进一步包括使所述的半导体性纳米管与光子能接触，以产生电子-空穴对。
13.一种方法，包括：
提供衬底；
提供多个与所述的衬底接触的半导体性和金属性纳米管；
选择性地保护所述的半导体性纳米管免受电流影响，以及
向所述的多个纳米管提供电流，以致不被保护的纳米管被选择性地去除。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述的衬底是半导体衬底。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述的半导体衬底包括栅电极、源电极和漏电极。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述半导体性纳米管的所述保护是通过耗尽所述半导体性纳米管的载流子的方式进行的。
17.如权利要求17所述的方法，其中所述的金属性纳米管通过所述电流被选择性地去除。
18.一种制造场效应晶体管(FET)、电容器、或者二极管的方法包括：
提供衬底；
提供多个与所述的衬底接触的半导体性和金属性纳米管；
选择性地保护所述的半导体性纳米管免受电流影响，以及
向所述的多个纳米管提供电流，以致所述的不被保护的纳米管被选择性地去除。
19.如权利要求19所述的方法，其中所述的衬底是半导体衬底。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述的半导体衬底包括栅电极、源电极和漏电极。
21.如权利要求18所述的方法，其中所述的半导体性纳米管的保护是通过耗尽所述半导体性纳米管的载流子的方式进行的。
22.如权利要求18所述的方法，其中所述的金属性纳米管通过所述电流被选择性地去除。
23.一种形成器件的方法，所述的器件包括互连，所述的方法包括：
提供衬底；
提供多个与所述的衬底接触的半导体性和金属性纳米管；
通过阴极保护选择性地保护所述的金属性纳米管免于酸降解；以及
使包括所述纳米管的所述衬底与酸接触，以致所述的不被保护的纳米管被选择性地去除。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述的衬底包括层间电介质(ILD)。
25.如权利要求23所述的方法，其中所述的半导体性纳米管被所述的强酸溶液选择性地去除。
26.如权利要求23所述的方法，进一步包括使所述的半导体性纳米管与光子能接触，以产生电子-空穴对。
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