專利名稱：揀選碳納米管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米管，并且更特別地，涉及用于揀選(sorting)例如由碳制成的納米管的方法和系統(tǒng)。
背景單壁碳納米管(SW-CNT)是由碳原子的單原子層圓柱殼體形成的納米尺度管。納米管直徑有幾納米，長度直到100μm，以致它們形成了極細(xì)的線。SW-CNT的原子結(jié)構(gòu)可以通過沿某個(gè)方向卷繞(wrapping)石墨片單原子層的條帶來形成。卷繞方向決定了納米管的直徑和手性。
實(shí)驗(yàn)和理論研究已經(jīng)證明納米尺寸CNT的令人感興趣的特性包括新的電子特性，依據(jù)CTN的直徑和手性，這些電子特性可以是金屬性的或者是半導(dǎo)體性的。
在制造時(shí)，SW-CNT包括金屬性和半導(dǎo)體性納米管的混合物，因此難以處理。因此，在制備晶體管、二極管等時(shí)，納米管被任意分散。在電子學(xué)中應(yīng)用納米管需要選擇的納米管類型，例如，SW-CNT用作晶體管溝道時(shí)需要半導(dǎo)體性SW-CNT，而SW-CNT用作片上互連(on-chip interconnect)用導(dǎo)體時(shí)需要金屬性SW-CNT?？煽康夭贾?placing)和揀選納米管的受控方法是所期望的。
附圖的簡要說明

圖1說明了揀選半導(dǎo)體性納米管和除去金屬性納米管。
圖2顯示了可用于揀選金屬性納米管和除去半導(dǎo)體性納米管的方法和裝置。
詳細(xì)描述本公開描述了包括碳、硼—氮化物和二元金屬氧硫族化合物(metal dichalcogenid)基納米管的單壁納米管的選擇和揀選方法。單壁碳納米管(SW-CNT)可以由不同材料形成。典型的材料類型通常包括金屬性(metallic)或半導(dǎo)體性(semiconducting)材料。本公開提供了選擇性地去除一種材料類型的納米管而保留其他類型納米管的方法。相對于另一種材料類型納米管選擇一種材料類型納米管的處理方法在晶體管、電阻器和二極管生產(chǎn)中的得到應(yīng)用。
材料的生理化學(xué)(physio-chemical)特性被用來選擇性去除金屬性納米管并因此保留半導(dǎo)體性納米管。例如，電流可以用來燃燒/分解(dissolve)金屬性SW-CNT，而半導(dǎo)體性納米管通過在半導(dǎo)體SW-CNT上施加?xùn)烹妷簛硖岣咂潆娮瓒槐Ｗo(hù)。在另一實(shí)施例中，金屬性SW-CNT通過陰極保護(hù)使其免于分解，而半導(dǎo)體性納米管被強(qiáng)酸或強(qiáng)酸和光子能分解。光子能在半導(dǎo)體性SW-CNT中產(chǎn)生電子—空穴對以在強(qiáng)酸中選擇性地分解這樣的半導(dǎo)體性SW-CNT，而不分解金屬性SW-CNT。
所描述的方法利用了選擇性地分解載流的納米管的能力，而“被保護(hù)的”納米管(例如，那些不能載流的納米管)仍然完好無缺。各種“保護(hù)”一類材料而同時(shí)允許電流流經(jīng)另外一類材料的方法在本領(lǐng)域中是已知的。
半導(dǎo)體性SW-CNT可以通過耗盡半導(dǎo)體性材料的載流子的方式被保護(hù)。這種保護(hù)是在這樣的情況下完成的半導(dǎo)體性SW-CNT與源電極和漏電極接觸，并且電壓被施加在柵電極上，以致載流子從半導(dǎo)體性SW-CNT中被耗盡。因此，半導(dǎo)體性SW-CNT因?yàn)椴荒艹休d電流而被保護(hù)，而金屬性SW-CNT能承載電流。然后，電流被施加在納米管上，以致金屬性(例如，不被保護(hù)的)納米管被分解，因此從金屬性納米管中選擇/揀選了半導(dǎo)體性納米管。
這一過程可以在硅襯底(例如，硅晶片)的介電層(SiO2)上完成。電極/導(dǎo)體的圖形(pattern)被產(chǎn)生在襯底上，并對應(yīng)于源/漏電極區(qū)。到源電極和漏電極的接觸體(contact)的形成可以通過光刻和刻蝕技術(shù)來形成刻蝕區(qū)，然后用金屬填充所述刻蝕區(qū)來完成。電極/導(dǎo)體材料組成包括，例如，多晶硅、自對準(zhǔn)硅化物(salicide)(例如，Co，Ni，等等)、難熔金屬(例如，Ni、Co、Mo、Ta、W、Nb、Zr、Hf、Ir和La)，貴金屬(例如，Ru、Rh、Pt、和Au)，及其任意組合。包括半導(dǎo)體性和金屬性SW-CNT的溶液被分配(dispense)在襯底上，并且通過選擇性金屬沉積技術(shù)(例如電子束或者聚焦粒子束(FIB)輔助金屬沉積(Pt，Au，Ag，等等))來形成具有SW-CNT和電極/導(dǎo)體圖形的接觸體。然后，電壓被施加在襯底上來調(diào)節(jié)半導(dǎo)體性SW-CNT的電阻(也即，載流子耗盡)。因?yàn)榻饘傩許W-CNT與半導(dǎo)體性SW-CNT相比具有更低的電阻，所以電流被施加并將選擇性地穿過(traverse)金屬性SW-CNT。當(dāng)電流通過金屬性SW-CNT時(shí)，金屬變熱并且燃燒/分解。
現(xiàn)在參考圖1。圖1顯示了襯底200上的SiO2層100。電極/導(dǎo)體圖形250a和250b被設(shè)置(dispose)在層100上。電極/導(dǎo)體圖形250a和250b包括源電極和漏電極。例如，250a可以包括漏電極，而250b包括源電極。多個(gè)SW-CNT被設(shè)置在包括SiO2層100的襯底200上。所述的多個(gè)SW-CNT將包括，例如，半導(dǎo)體性SW-CNT和金屬性SW-CNT。圖1中的描述是SW-CNT 300和400。例如，金屬性SW-CNT 300和半導(dǎo)體性SW-CNT 400被設(shè)置在包括層100的襯底200上。在操作期間，柵電壓被施加，以致源電極和漏電極/導(dǎo)體圖形250a和250b從半導(dǎo)體性SW-CNT 400中去除載流子。金屬性SW-CNT 300仍然能承載電流。由于金屬性SW-CNT 300與半導(dǎo)體性SW-CNT 400相比具有更低的電阻，電流被施加并選擇性地穿過金屬性SW-CNT 300。金屬性單壁碳納米管(SW-CNT)變得越來越熱直到燃燒/分解掉，只留下半導(dǎo)體性SW-CNT 400。
前述的方法對于場效應(yīng)晶體管(FTT)、二極管和電阻器的制備是有用的。在一些實(shí)例中，期望制備基于金屬性納米管的用于互連的導(dǎo)電圖形。
因此，本公開也包括從半導(dǎo)體納米管中選擇/揀選金屬性納米管的方法。金屬性SW-CNT能通過陰極電壓保護(hù)而被保護(hù)。陰極電壓保護(hù)是金屬性SW-CNT上全部為負(fù)電荷的結(jié)果。這種保護(hù)是在金屬性SW-CNT與陰極接觸的情況下完成的。由此，金屬性SW-CNT被“保護(hù)”，因?yàn)榧{米管將不被帶負(fù)電荷的酸陰離子(例如，NO3-，SO4-，等等)附著/分解，這是由于這些陰離子受到金屬性SW-CNT全部的負(fù)電荷的排斥，而半導(dǎo)體性SW-CNT受到強(qiáng)酸作用，這些強(qiáng)酸將侵蝕掉半導(dǎo)體性SW-CNT。因此，半導(dǎo)體性(例如，不被保護(hù)的)納米管被分解掉，從而從半導(dǎo)體性納米管中選擇/揀選了金屬性納米管。
為了形成導(dǎo)電圖形的互連，半導(dǎo)體性和金屬性SW-CNT的混合物被分配在包括電極/導(dǎo)體圖形的襯底上。然后，選擇性金屬沉積技術(shù)被用來形成到SW-CNT的接觸件，采用金屬(如，Pt，Au，等等)的例如電子束或者FIB輔助金屬沉積技術(shù)。然后，負(fù)電勢通過雙電層和陽極被施加到金屬性SW-CNT，或者通過介電層被施加到半導(dǎo)體襯底。這一負(fù)電壓也起著通過耗盡半導(dǎo)體性SW-CNT來調(diào)節(jié)半導(dǎo)體性SW-CNT的傳導(dǎo)率的作用。然后，強(qiáng)酸(如，例如，HNO3、H2SO4等)被加到包括SW-CNT的襯底上。強(qiáng)酸將選擇性地分解半導(dǎo)體性SW-CNT而金屬性SW-CNT被負(fù)電荷保護(hù)(陰極保護(hù))。半導(dǎo)體性SW-CNT也可以被酸和在半導(dǎo)體性材料中光生電位感應(yīng)的組合所分解。通過光子能接觸半導(dǎo)體性材料耗盡區(qū)產(chǎn)生的光生電位導(dǎo)致了電子—空穴對的形成。
這里所使用的光子能的源可以是任何類型的發(fā)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種濾光器、反射鏡、透鏡、和/或光孔來引導(dǎo)光子能聚焦束而被改變(modify)。濾光器使調(diào)節(jié)光功率的值小于、等于或者大于用于生成光生電位的閾值成為可能。接觸半導(dǎo)體性材料的光子能可以被改變以獲得期望的幾何形狀，例如聚焦光點(diǎn)、長度為毫米或更短的聚焦線，彎曲的“圓括號形的(parenthetical shaped)”幾何形狀，等等。因此，光子能的源包括激光二極管或者光發(fā)射二極管，所述光子能的源在可見或非常近紅外的波長范圍上發(fā)射光。
圖2顯示襯底500，襯底500包括，例如，硅晶片，器件層600，以及層間電介質(zhì)(ILD)層700(例如由低k碳摻雜二氧化硅形成)。絕緣層700具有期望厚度(例如，典型地大約3微米到10微米)。為了減小信號延遲時(shí)間，典型地，使用介電常數(shù)約小于3的低-k(低介電常數(shù)材料)。傳統(tǒng)的二氧化硅可以被用作絕緣層700。其他可用在ILD層中的實(shí)例性材料包括用于旋涂方法涂覆的低k有機(jī)材料。電極/導(dǎo)體圖形750a和750b位于絕緣層700上。多個(gè)SW-CNT被設(shè)置在絕緣層700上。所述的多個(gè)SW-CNT將包括，例如，半導(dǎo)體性SW-CNT和金屬性SW-CNT。
圖2顯示SW-CNT 300和400。例如，金屬性SW-CNT 300和半導(dǎo)體性SW-CNT 400被設(shè)置在絕緣層700上。在操作期間，柵電壓被施加，以使電極/導(dǎo)體圖形750a和750b包括負(fù)電勢。金屬性SW-CNT 300變成帶負(fù)電荷，并受陰極電壓保護(hù)。然后，使酸與包括SW-CNT的絕緣層700接觸。因?yàn)榘雽?dǎo)體性SW-CNT 400帶負(fù)電，酸選擇性地分解半導(dǎo)體性SW-CNT 400，被陰極保護(hù)的金屬性SW-CNT被保護(hù)免于受到強(qiáng)酸的影響?？蛇x的光子能的源800示于圖2。可選的光子能的源800可以被用來產(chǎn)生光生電位，并由此進(jìn)一步輔助分解半導(dǎo)體性SW-CNT 400。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括提供襯底；提供多個(gè)與所述的襯底接觸的半導(dǎo)體性和金屬性納米管；選擇性地保護(hù)所述的半導(dǎo)體性納米管和金屬性納米管中的一種并留下所述的半導(dǎo)體性納米管或者金屬性納米管中的其他種作為不被保護(hù)的納米管；以及分解所述的不被保護(hù)納米管，只留下被保護(hù)的納米管。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的襯底是半導(dǎo)體襯底。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述的半導(dǎo)體襯底包括柵電極、源電極和漏電極。
4.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述的半導(dǎo)體性納米管的保護(hù)是通過耗盡所述半導(dǎo)體性納米管的載流子來進(jìn)行的。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述的金屬性納米管通過電流被選擇性地去除。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的金屬性納米管的保護(hù)是通過在強(qiáng)酸溶液中的陰極保護(hù)方式進(jìn)行的。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述的半導(dǎo)體性納米管通過所述的強(qiáng)酸溶液被選擇性地去除。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，進(jìn)一步包括使所述的半導(dǎo)體性納米管與光子能接觸以產(chǎn)生電子-空穴對。
9.一種方法，包括提供襯底；提供多個(gè)與所述的襯底接觸的半導(dǎo)體性和金屬性納米管；通過陰極保護(hù)選擇性地保護(hù)所述的金屬性納米管不被酸降解；以及使所述的包括所述納米管的襯底與酸接觸，以致所述的不被保護(hù)的納米管被選擇性地去除。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述的襯底包括層間電介質(zhì)(ILD)。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述的半導(dǎo)體性納米管被所述的強(qiáng)酸溶液選擇性地去除。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括使所述的半導(dǎo)體性納米管與光子能接觸，以產(chǎn)生電子-空穴對。
13.一種方法，包括提供襯底；提供多個(gè)與所述的襯底接觸的半導(dǎo)體性和金屬性納米管；選擇性地保護(hù)所述的半導(dǎo)體性納米管免受電流影響，以及向所述的多個(gè)納米管提供電流，以致不被保護(hù)的納米管被選擇性地去除。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述的襯底是半導(dǎo)體襯底。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述的半導(dǎo)體襯底包括柵電極、源電極和漏電極。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述半導(dǎo)體性納米管的所述保護(hù)是通過耗盡所述半導(dǎo)體性納米管的載流子的方式進(jìn)行的。
17.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述的金屬性納米管通過所述電流被選擇性地去除。
18.一種制造場效應(yīng)晶體管(FET)、電容器、或者二極管的方法包括提供襯底；提供多個(gè)與所述的襯底接觸的半導(dǎo)體性和金屬性納米管；選擇性地保護(hù)所述的半導(dǎo)體性納米管免受電流影響，以及向所述的多個(gè)納米管提供電流，以致所述的不被保護(hù)的納米管被選擇性地去除。
19.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述的襯底是半導(dǎo)體襯底。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述的半導(dǎo)體襯底包括柵電極、源電極和漏電極。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述的半導(dǎo)體性納米管的保護(hù)是通過耗盡所述半導(dǎo)體性納米管的載流子的方式進(jìn)行的。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述的金屬性納米管通過所述電流被選擇性地去除。
23.一種形成器件的方法，所述的器件包括互連，所述的方法包括提供襯底；提供多個(gè)與所述的襯底接觸的半導(dǎo)體性和金屬性納米管；通過陰極保護(hù)選擇性地保護(hù)所述的金屬性納米管免于酸降解；以及使包括所述納米管的所述襯底與酸接觸，以致所述的不被保護(hù)的納米管被選擇性地去除。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述的襯底包括層間電介質(zhì)(ILD)。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述的半導(dǎo)體性納米管被所述的強(qiáng)酸溶液選擇性地去除。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括使所述的半導(dǎo)體性納米管與光子能接觸，以產(chǎn)生電子-空穴對。
全文摘要
提供了揀選納米管和在選擇性的納米管類型的基礎(chǔ)上形成器件的方法。本公開提供了揀選在場效應(yīng)晶體管、二極管和電阻器的形成中有用的半導(dǎo)體性納米管的方法。本公開也提供了揀選在互連器件的形成中有用的金屬性納米管的方法。所述的方法包括納米管的選擇性耗盡和施加高電流通過其余的納米管的應(yīng)用，以及納米管的陰極保護(hù)和酸的應(yīng)用。
文檔編號C01B31/02GK1886332SQ200480035087
公開日2006年12月27日 申請日期2004年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月17日
發(fā)明者瓦萊利·迪賓 申請人:英特爾公司