DE112004001958T5

DE112004001958T5 - Verfahren zum Sortieren von Kohlenstoffnanoröhren

Info

Publication number: DE112004001958T5
Application number: DE112004001958T
Authority: DE
Inventors: Valery Portland Dubin
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2006-10-05
Also published as: US6921684B2; JP2007511454A; TWI256668B; WO2005041227A3; CN1886332A; TW200516641A; KR100847467B1; KR20060080938A; JP4528302B2; US20050106846A1; WO2005041227A2

Abstract

Verfahren, das umfaßt:
– Bereitstellen eines Substrats;
– Bereitstellen mehrerer halbleitender und metallischer Nanoröhren, die mit dem Substrat in Kontakt stehen;
– selektives Schützen einer der halbleitenden Nanoröhren oder der metallischen Nanoröhren und Beibehalten der anderen halbleitenden Nanoröhre oder der metallischen Nanoröhre als nicht geschützte Nanoröhren; und
– Auflösen der nicht geschützten Nanoröhren, um nur geschützte Nanoröhren beizubehalten.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Nanoröhren und insbesondere ein Verfahren und ein System zum Sortieren von Nanoröhren, die zum Beispiel aus Kohlenstoff gefertigt sind.

Eine einwandige Kohlenstoffnanoröhre (SW-CNT) ist eine Röhre in der Größenordnung von Nanometern, die durch eine zylindrische Hülle einer einzigen atomaren Schicht von Kohlenstoffatomen gebildet ist. Nanoröhren weisen einen Durchmesser von wenigen nm Länge bis zu 100 μm auf, so daß sie äußerst dünne Drähte bilden. Die atomare Struktur der SW-CNT kann durch Umhüllen eines Streifens einer einzigen atomaren Schicht einer Graphitplatte entlang einer bestimmten Richtung gebildet werden. Diese Richtung bestimmt den Durchmesser und die Chiralität der Nanoröhren.

Experimentelle und theoretische Studien haben interessante Eigenschaften von CNTs in Nanometergröße gezeigt, die neuartige elektronische Eigenschaften aufweisen, die je nach ihrem Radius oder Chiralitäten metallisch oder halbleitend sein können.

Während der Herstellung weisen SW-CNTs eine Mischung aus metallischen und halbleitenden Nanoröhren auf, wodurch es schwierig ist, diese zu handhaben. Folglich sind die Nanoröhren während der Herstellungen von Transistoren, Dioden und dergleichen zufällig verteilt worden. Die Anwendung von Nanoröhren in der Elektronik erfordert ausgewählte Nanoröhrenarten, zum Beispiel erfordert der Gebrauch von SW-CNTs als Transistorkanäle halbleitende SW-CNTs, während der Gebrauch von SW-CNTs als Leiter für Verbindungen auf dem Chip metallische SW-CNTs erfordert. Ein gesteuertes Verfahren zum verläßlichen Anordnen und Sortieren von Nanoröhren ist wünschenswert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt das Sortieren von halbleitenden Nanoröhren und das Entfernen von metallischen Nanoröhren dar.
2 stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung dar, die zum Sortieren metallischer Nanoröhren und Entfernen halbleitender Nanoröhren nützlich sind.
Ausführliche Beschreibung
Die Offenbarung beschreibt ein Verfahren zur Auswahl oder zum Sortieren einwandiger Nanoröhren, die Kohlenstoff, Bornitrid und metallische, auf Dichalkogenid basierende Nanoröhren enthalten. Eine einwandige Kohlenstoffnanoröhre (SW-CNT) kann aus verschiedenen Materialien gebildet werden. Typische Materialarten weisen im Allgemeinen metallische oder halbleitende Materialien auf. Die Offenbarung stellt Verfahren bereit, die eine Nanoröhre einer Materialart entfernen und gleichzeitig andere Arten von Nanoröhren zurückhalten. Der Prozeß der Auswahl eines bestimmten Nanoröhrenmaterialtyps statt eines anderen findet in der Herstellung von Transistoren, Widerständen und Dioden Anwendung.
Die physiochemischen Eigenschaften des Materials werden benutzt, um metallische Nanoröhren zu entfernen und dadurch halbleitende Nanoröhren zurückzuhalten. Zum Beispiel kann Strom verwendet werden, um metallische SW-CNTs zu verbrennen/aufzulösen, während halbleitende Nanoröhren durch Anwenden einer Gate-Spannung auf die halbleitende SW-CNT geschützt werden, um ihren spezifischen Widerstand zu erhöhen. In einem anderen Beispiel wird durch einen Kathodenschutz verhindert, daß sich metallische SW-CNTs auflösen, während die halbleitenden Nanoröhren durch eine starke Säure oder eine starke Säure und Photonenenergie aufgelöst werden. Die Photonenenergie erzeugt Elektron-Loch-Paare in der halbleitenden SW-CNT, um solche halbleitenden SW-CNTs in starken Säuren ohne die Auflösung von metallischen SW-CNTs selektiv aufzulösen.
Die beschriebenen Verfahren nutzen die Fähigkeit des selektiven Auflösens von Strom tragenden Nanoröhren, während „geschützte" Nanoröhren (das heißt, diejenigen, die nicht dazu fähig sind, Strom zu tragen) intakt bleiben. Verschiedene Verfahren zum „Schützen" einer Materialart und gleichzeitigem Durchlaufenlassen von Strom durch andere Materialarten sind im Stand der Technik bekannt.
Halbleitende SW-CNTs können durch Abbauen eines Halbleitermaterials von Trägern geschützt werden. Diese wird an den Stellen erreicht, an denen eine halbleitende SW-CNT mit einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode in Kontakt steht und eine Spannung an eine Gate-Elektrode angelegt wird, so daß Träger von der halbleitenden SW-CNT abgebaut werden. Auf diese Weise wird die halbleitende SW-CNT „geschützt", da sie nicht in der Lage ist, einen Strom zu führen, während die metallischen SW-CNTs Strom führen können. Danach wird ein Strom derart an die Nanoröhren angelegt, daß die metallischen (das heißt, nicht geschützten) Nanoröhren aufgelöst werden, wodurch halbleitende Nanoröhren von metallischen Nanoröhren ausgelesen/sortiert werden.
Diese kann auf einer dielektrischen Schicht (SiO₂) eines Siliziumsubstrats (zum Beispiel einer Siliziumscheibe) durchgeführt werden. Ein Muster von Elektroden/Leitern wird auf dem Substrat erzeugt und entspricht Source-/Drain-Bereichen. Die Bildung von Kontakten für die Source- und Drain-Elektroden kann durch Lithographie und Ätztechniken vorgenommen werden, um geätzte Bereiche zu bilden, wonach die geätzten Bereiche mit Metall gefüllt werden. Die Materialzusammensetzung der Elektroden/Leiter weist zum Beispiel Polysilizium, Salizide, (zum Beispiel Co, Ni und dergleichen), hochschmelzende Metalle (zum Beispiel Ni, Co, Mo, Ta, W, Nb, Zr, Hf Ir und La), Edelmetalle (zum Beispiel Ru, Rh, Pt und Au) und jegliche Kombination davon auf. Eine Lösung, die halbleitende und metallische SW-CNTs umfaßt, wird auf das Substrat verteilt und ein Kontakt mit der SW-CNT und den Elektroden-/Leitermustern wird durch selektive Metallabscheidungstechniken wie der Elektronenstrahl- oder fokussierten Ionenstrahl (FIB)-Metallabscheidung (Pt, Au, Ag und dergleichen) gebildet. Danach wird eine Spannung an das Substrat angelegt, um den spezifischen Widerstand der halbleitenden SW-CNTs (das heißt, Trägerabbau) zu modulieren. Ein Strom wird angelegt und wird die metallischen SW-CNTs selektiv durchlaufen, da die metallischen SW-CNTs im Vergleich zu den halbleitenden SW-CNTs einen geringeren spezifischen Widerstand aufweisen. Wenn der Strom durch die metallischen SW-CNTs läuft, wird das Metall heiß und verbrennt/löst sich auf.
Mit Bezug auf 1 ist eine SiO₂-Schicht 100 auf dem Substrat 200 dargestellt. Die Elektroden-/Leitermuster 250a und 250b sind auf der Schicht 100 angeordnet. Die Elektroden-/Leitermuster 250a und 250b sind eine Source- und eine Drain-Elektrode. Zum Beispiel kann 250a die Drain-Elektrode umfassen, während 250b die Source-Elektrode umfaßt. Mehrere SW-CNTs sind auf dem Substrat 200 angeordnet, das die SiO₂-Schicht 100 umfaßt. Die mehreren SW-CNTs umfassen zum Beispiel halbleitende SW-CNTs und metallische SW-CNTs. In 1 sind die SW-CNTs 300 und 400 dargestellt. Zum Beispiel sind eine metallische SW-CNT 300 und eine halbleitende SW-SNT 400 auf dem Substrat 200 angeordnet, das die Schicht 100 aufweist. Während des Betriebs wird eine Gate-Spannung angewendet, so daß die Source- und Drain-Elektroden-/Leitermuster 250a und 250b Träger von einer halbleitenden SW-CNT 400 entfernen. Die metallische SW-CNT 300 ist noch immer in der Lage, einen Strom zu führen. Der Strom wird angelegt und der Strom durchläuft selektiv die metallische SW-CNT 300 aufgrund eines im Vergleich zu der halbleitenden SW-CNT 400 niedrigeren spezifischen Widerstands. Die metallische SW-CNT 300 wird zunehmend heißer, bis sie verbrennt/sich auflöst und nur die halbleitende SW-CNT 400 zurückläßt.
Die vorhergehenden Verfahren sind zur Herstellung von Feldeffekttransistoren (FETs), Dioden und Widerständen nützlich. In manchen Fällen kann erwünscht sein, ein leitendes Muster für Verbindungen basierend auf metallischen Nanoröhren herzustellen.
Dementsprechend schließt die Offenbarung ebenfalls ein Verfahren ein, bei dem metallische Nanoröhren von halbleitenden Nanoröhren ausgelesen/sortiert werden. Metallische SW-CNTs können durch einen kathodischen Spannungsschutz geschützt werden. Der kathodische Spannungsschutz ist das Ergebnis einer insgesamt negativen Ladung auf einer metallischen SW-CNT. Dies wird an den Stellen erreicht, an denen eine metallische SW-CNT mit einer Kathode in Kontakt steht. Somit wird die metallische SW-CNT "geschützt", da die Nanoröhren nicht durch negativ geladene Säureanionen (zum Beispiel NO^3–, SO^4– und dergleichen) angehängt/aufgelöst werden, da die Anionen von der insgesamt negativen Ladung der metallischen SW-CNT zurückgestoßen werden, wohingegen halbleitende SW-CNTs starken Säuren ausgesetzt werden, welche sich an der halbleitenden SW-CNT einfressen. Demgemäß werden die halbleitenden (das heißt, nicht geschützten) Nanoröhren aufgelöst, wodurch metallische Nanoröhren von halbleitenden Nanoröhren ausgewählt/sortiert werden.
Um Verbindungen von leitenden Mustern zu bilden, wird eine Mischung aus halbleitenden und metallischen SW-CNTs auf einem Substrat verteilt, das ein Muster von Elektroden/Leitern umfaßt. Selektive Metalabscheidungstechniken werden dann benutzt, um mit Hilfe von Techniken wie der Elektronenstrahl- oder FIB-Metallabscheidung von Metallen wie Pt, Au und dergleichen Kontakte zu den SW-CNTs zu bilden. Danach wird ein negatives Potenzial durch die doppelte elektrische Schicht oder die Anode an die metallischen SW-CNTs und durch die dielektrische Schicht an das Halbleitersubstrat angelegt. Diese negative Spannung dient auch dazu, die Leitfähigkeit der halbleitenden SW-CNTs durch Abbauen der halbleitenden SW-CNTs zu modulieren. Eine starke Säure wie zum Beispiel HNO₃, H₂SO₄ oder dergleichen wird dann zu dem Substrat hinzugefügt, das die SW-CNTs umfaßt. Die starke Säure löst die halbleitende SW-CNT selektiv auf, während die metallischen SW-CNTs durch die negative Ladung (Kathodenschutz) geschützt werden. Die halbleitende SW-CNT kann ebenfalls von einer Kombination aus Säure und Induktion eines Photopotenzials in dem Halbleitermaterial aufgelöst werden. Ein Photopotenzial, das durch Photonenenergie erzeugt wird, die mit dem Abbaubereich des Halbleitermaterials in Kontakt tritt, führt zu der Bildung von Elektron-Loch-Paaren.
Eine Photonenenergiequelle, wie hierin verwendet, kann jede beliebige Art Lichtquelle sein, die Photonenenergie aussendet, zum Beispiel ein fokussierter Photonenenergiestrahl (zum Beispiel Licht), oder die unter Verwendung verschiedener Filter, Spiegel, Linsen und/oder Öffnungen zum Lenken eines fokussierten Photonenenergiestrahls modifiziert werden kann. Filter ermöglichen, die Lichtenergie auf Werte einzustellen, die geringer oder größer als ein Schwellenwert zur Erzeugung eines Photopotenzials sind oder diesem entsprechen. Die Photonenenergie, die mit dem Halbleitermaterial in Kontakt steht, kann modifiziert werden, um eine gewünschte geometrische Form wie einen fokussierten Punkt, eine fokussierte Linie von einem Millimeter Länge oder weniger, eine gekurvte „parenthetisch geformte" Geometrie und dergleichen zu erhalten. Dementsprechend umfassen Photonenenergiequellen Laserdioden oder Leuchtdioden, die Licht in den sichtbaren oder nahezu Infrarot-Wellenlängenbereichen ausstrahlen.
2 stellt ein Substrat 500 dar, das zum Beispiel auf einer Siliziumscheibe, einer Vorrichtungsschicht 600 und einer Schicht 700 eines Zwischenschicht-Dielektrikums (ILD) besteht, das zum Beispiel aus mit Kohlenstoff dotiertem Siliziumdioxid mit niedrigem k-Wert gebildet ist. Die Isolierschicht 700 weist eine gewünschte Dicke (zum Beispiel typischerweise etwa 3 Mikrometer bis 10 Mikrometer) auf. In der Regel wird ein niedriges k (Material mit niedriger dielektrischer Konstante) mit einer dielektrischen Konstante von weniger als etwa 3 benutzt, um Signalverzögerungszeiten zu verringern. Herkömmliches Siliziumdioxid kann als die Isolierschicht 700 benutzt werden. Andere beispielhafte Materialien, die in der ILD-Schicht benutzt werden können, schließen organische Materialien mit niedrigem k ein, die durch ein Rotationsbeschichtungsverfahren aufgebracht werden. Die Elektroden-/Leitermuster 750a und 750b werden auf der Isolierschicht 700 angeordnet. Mehrere SW-CNTs werden auf der Isolierschicht 700 angeordnet. Die mehreren SW-CNTs umfassen zum Beispiel halbleitende SW-CNTs und metallische SW-CNTs.
2 stellt die SW-CNTs 300 und 400 dar. Zum Beispiel werden die metallische SW-CNT 300 und die halbleitende SW-CNT 400 auf der Isolierschicht 700 angeordnet. Während des Betriebs wird eine Gate-Spannung angewendet, so daß die Elektroden-/Leitermuster 750a und 750b ein negatives Potenzial umfassen. Die metallische SW-CNT 300 wird negativ geladen und erhält einen Kathodenspannungsschutz. Danach wird eine Säure mit der Isolierschicht 700 in Kontakt gebracht, welche die SW-CNTs umfaßt. Die Säure löst die halbleitenden SW-CNTs 400 selektiv auf, da die negativ geladenen, kathodisch geschützten metallischen SW-CNTs vor der starken Säure geschützt sind. Eine optionale Photonenenergiequelle 800 ist in 2 dargestellt. Die optionale Photonenenergiequelle kann benutzt werden, um ein Photopotenzial zu erzeugen und somit die Auflösung der halbleitenden SW-CNT 400 weiter zu unterstützen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Sortieren von Nanoröhren und Bilden von Vorrichtungen, die auf selektiven Nanoröhrenarten basieren, wird bereitgestellt. Die Offenbarung stellt Verfahren zum Sortieren von Halbleiternanoröhren bereit, die bei der Bildung von Feldeffekttransistoren, Dioden und Widerständen nützlich sind. Die Offenbarung stellt ebenfalls Verfahren zum Sortieren metallischer Nanoröhren bereit, die bei der Bildung von Verbindungsvorrichtungen nützlich sind.

Claims

Verfahren, das umfaßt: – Bereitstellen eines Substrats; – Bereitstellen mehrerer halbleitender und metallischer Nanoröhren, die mit dem Substrat in Kontakt stehen; – selektives Schützen einer der halbleitenden Nanoröhren oder der metallischen Nanoröhren und Beibehalten der anderen halbleitenden Nanoröhre oder der metallischen Nanoröhre als nicht geschützte Nanoröhren; und – Auflösen der nicht geschützten Nanoröhren, um nur geschützte Nanoröhren beizubehalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Halbleitersubstrat ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Halbleitersubstrat eine Gate-Elektrode, eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Schützen der halbleitenden Nanoröhren durch ein Abbauen der halbleitenden Nanoröhren der Träger ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die metallischen Nanoröhren durch einen elektrischen Strom selektiv entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schützen der metallischen Nanoröhren durch einen Kathodenschutz in einer starken Säurelösung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die halbleitenden Nanoröhren durch die starke Säurelösung selektiv entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner ein Kontaktieren der halbleitenden Nanoröhren mit Photonenenergie umfaßt, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen.
Verfahren, das umfaßt: – Bereitstellen eines Substrats; – Bereitstellen mehrerer halbleitender und metallischer Nanoröhren, die mit dem Substrat in Kontakt stehen; – selektives Schützen der metallischen Nanoröhren vor dem Säureabbau durch einen Kathodenschutz; und – Kontaktieren des Substrats, das die Nanoröhren umfaßt, mit einer Säure, so daß die nicht geschützten Nanoröhren selektiv entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Substrat ein Zwischenschicht-Dielektrikum (ILD) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die halbleitenden Nanoröhren durch die starke Säurelösung selektiv entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner ein Kontaktieren der halbleitenden Nanoröhren mit Photonenenergie umfaßt, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen.
Verfahren, das umfaßt: – Bereitstellen eines Substrats; – Bereitstellen mehrerer halbleitender und metallischer Nanoröhren, die mit dem Substrat in Kontakt stehen; – selektives Schützen der halbleitenden Nanoröhren vor einem Stromfluß; und – Bereitstellen eines elektrischen Stroms zu den mehreren Nanoröhren, so daß nicht geschützte Nanoröhren selektiv entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Substrat ein Halbleitersubstrat ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Halbleitersubstrat eine Gate-Elektrode, eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Schützen der halbleitenden Nanoröhren durch das Abbauen von Trägern der halbleitenden Nanoröhren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die metallischen Nanoröhren durch den elektrischen Strom selektiv entfernt werden.
Verfahren zum Herstellen eines Feldeffekttransistors (FET), Kondensators oder Diode, das umfaßt: – Bereitstellen eines Substrats; – Bereitstellen mehrerer halbleitender und metallischer Nanoröhren, die mit dem Substrat in Kontakt stehen; – selektives Schützen der halbleitenden Nanoröhren vor einem Stromfluß; und – Bereitstellen eines elektrischen Stroms zu den mehreren Nanoröhren, so daß nicht geschützte Nanoröhren selektiv entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Substrat ein Halbleitersubstrat ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Halbleitersubstrat eine Gate-Elektrode, eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Schützen der halbleitenden Nanoröhren durch das Abbauen von Trägern der halbleitenden Nanoröhren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die metallischen Nanoröhren durch den elektrischen Strom selektiv entfernt werden.
Verfahren zum Bilden einer Vorrichtung mit Verbindungen, das umfaßt: – Bereitstellen eines Substrats; – Bereitstellen mehrerer halbleitender und metallischer Nanoröhren, die mit dem Substrat in Kontakt stehen; – selektives Schützen der metallischen Nanoröhren vor einem Säureabbau durch einen Kathodenschutz; und – Kontaktieren des Substrats, das die Nanoröhren umfaßt, mit einer Säure, so daß die nicht geschützten Nanoröhren selektiv entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Substrat ein Zwischenschicht-Dielektrikum (ILD) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die halbleitenden Nanoröhren durch die starke Säurelösung selektiv entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 23, das ferner das Kontaktieren der halbleitenden Nanoröhren mit Photonenenergie umfaßt, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen.