[发明专利]基于排列的高深宽比纳米粒子网络的电子设备的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米结构的材料以及他们在微电子设备中的应用。具体地，本发明涉及构成高深宽比(high aspect ratio)纳米粒子的排列结构以及在制造微电子设备中使用高深宽比纳米粒子的排列结构的低成本处理。

背景技术

在过去的40-50年，基于硅的互补金属氧化物半导体(CMOS)电子器件经历了显著发展。期望的是，通过不断引入新的材料和设备结构以提高性能和降低成本，CMOS电子器件将继续成为信息技术的中坚力量。

然而，基于硅的电子器件在低端和高端市场两个方面正在面临不断增加的挑战。

在低端市场中，有机电子在过去十年取得了巨大发展。特定类型的有机材料和低成本、大面积制造工艺(例如印刷)的结合能够生产出薄的、轻量级的、柔韧的和低成本的电子设备。目前，有机电子设备的性能受到有机材料中电荷载体的非常低的移动性的限制。这意味着，射频电路或快速显示设备的制造仍旧是一个挑战。一旦解决了这些问题，有机电子设备将与基于硅的设备实现竞争。

在高端市场中，CMOS微电子技术正快速达到理论缩放极限。进一步的缩放努力期望将设备扩展到纳米电子领域。例如，已示出基于各个高深宽比纳米粒子(其具有几纳米的直径和大约0.1-10微米的长度)的结合的各种设备。高深宽比纳米粒子的典型实例是碳纳米管(CNT)。这种设备的实例包括场效应晶体管(FET)、二极管、逻辑电路元件、发光设备和不同类型的传感器。

具体地，一种碳纳米管，半导体单壁碳纳米管(SWNT)作为一维电子材料非常有前景。SWNT具有一些特殊的有趣的属性，例如，高达100,000cm²/Vs的室温电荷移动性(这大于比晶体硅移动性更大的量级)、多达10⁹A/cm²的载流能力以及大于10⁵的ON/OFF电流比。SWNT的这些独特属性促使研究者制造比传统基于硅的电子设备具有更好性能和更高缩放密度的设备。

目前，并未很好地建立基于电子电路的单CNT的大规模制造的行业规模化进程。此外，由于个体CNT的有限载流能力，需要在单设备中并排排列多个CNT，以匹配于对应的基于硅设备的电流密度。个体CNT的精确定位超出了电流生长的能力和组装技术，并且为基于CNT的电子应用造成主要的技术障碍。

另一方面，代替尝试在设备制造中操控个体高深宽比纳米粒子，已设想出在设备结构中使用自然形成的高深宽比纳米粒子。典型的实例是碳纳米管网络(CNTN)，这是沉积在衬底上的CNT阵列，非常类似多孔薄膜。使用本领域中已知的处理，可简单地生成随机导向的CNTN。如果CNTN的密度足够高，纳米管将互连并形成连续电路径。CNTN的有引人注意的特征是其保持个体CNT的许多有趣的电子器件属性，同时提供用于大规模生产的处理能力。相比于有机或聚合体半导体材料，CNTN提供高于10倍的电荷移动性，更低的操作电压以及放置于各种衬底上的能力。

制造CNTN的方法可包括：(1)本地化合成处理，其中CNTN衬底也是CNT生长衬底；和(2)远程合成处理，其中CNT独立于衬底生产，并随后沉积在衬底上。

在本地化CNTN合成中，从衬底上某些位置沉积的纳米大小催化剂颗粒在衬底上生长CNTN。在这个处理中，CNT生长通常需要高生长温度(典型地大于700℃)。这意味着衬底必须能够承受高温。本地化合成可能对于低成本电子器件中使用的许多衬底是不可接受的，特别对于各种类型的聚合物衬底。

远程合成处理考虑在低温衬底(例如硅、玻璃和各种聚合物)上生成CNTN。CNT的生长和CNTN的沉积在时间和空间上分离。例如，CNT可按自由形式生长，并随后在溶液中分散。溶液可经由旋涂或喷溅沉积在衬底上。然后，使得衬底干化。应指出，CNT在溶液中的分散是极困难的工艺。

近来，提出了基于浮粒的远程合成处理。在该处理中，将CNT在气体中合成，然后从气相直接干化沉积在衬底上。同构CNTN在低温下形成在衬底上。相比于基于溶液的方法，基于浮粒的方法包括更少的步骤。因此，对于大规模生产，这是简单的、低成本和可接受的。

在CNTN沉积在衬底上之后，在衬底上建立微电子设备结构。传统集成电路(IC)制造方法可用于摹制(pattern)CNTN层，并沉积和摹制电介质和金属层。在微米级摹制CNTN的最简单和最广泛使用的方法是标准光刻和剥离处理。