專利名稱：一種制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化合物半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種制備懸浮ZnO納米線場效 應(yīng)晶體管的方法。
背景技術(shù)：
一維納米材料是在二維方向上為納米尺度，長度上為宏觀尺度的新型材料，早在 1970年法國科學(xué)家就首次研制出直徑為7nm的碳纖維。在過去十年中，由于在納電子以及 納米光電子方面具有巨大應(yīng)用前景，半導(dǎo)體準(zhǔn)一維納米線已經(jīng)受到了國際上廣泛的關(guān)注。 1991年日本用高分辨率電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)了碳納米管，推動了整個一維納米材料的研究。近 十年來，人們利用各種方法又陸續(xù)合成了多種一維納米材料，如納米管、納米棒、納米線、 半導(dǎo)體量子線、納米帶和納米線陣列等。其制備的成功不僅為探索小尺度量子效應(yīng)，以及分 子水平納米光電子器件等基礎(chǔ)物理研究提供了可貴的研究對象，也預(yù)示著巨大的應(yīng)用前景 和經(jīng)濟利益，必將給傳輸材料、微電子、醫(yī)藥等領(lǐng)域帶來革命性的改變，并會影響到人們的 日常生活。2006年，哈佛大學(xué)的向杰等人制備了 Ge/Si core-shell納米線，發(fā)現(xiàn)由于能帶結(jié) 構(gòu)的影響，會在中心的Ge線中產(chǎn)生受限的一維空穴氣，從而可以實現(xiàn)很高的遷移率以及高 性能的晶體管，證明了納米線作為高性能電子器件的可行性，推動了國際上納米電子器件 的大力發(fā)展。在各種一維納米結(jié)構(gòu)中，被稱為“第三代半導(dǎo)體材料”的ZnO逐漸得到了人們的重 視，ZnO是一種II-VI族直接帶隙的新型多功能半導(dǎo)體材料，被稱為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材 料。ZnO晶體為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，禁帶寬度約為3.37eV，激子束縛能約為60meV。ZnO具備半導(dǎo) 體、光電、壓電、熱電、氣敏和透明導(dǎo)電等特性，在傳感、聲、光、電等諸多領(lǐng)域有著廣闊的潛 在應(yīng)用價值。與其他半導(dǎo)體材料如SiC、InP等相比，ZnO有許多優(yōu)異性質(zhì)，如ZnO本身無 毒對人身體無害，在可見光透明并可以吸收紫外線，具有較大的機電耦合系數(shù)，對某些氣體 能在其表面吸附解析等等。根據(jù)微觀觀察結(jié)果，納米線ZnO晶體具有良好的晶形，截面為 完整的六角型，在器件制造過程中可以避免所謂的微管缺陷。純凈的納米線ZnO作為一種 直接帶隙寬禁帶N型半導(dǎo)體，不需要摻雜即可與P型半導(dǎo)體構(gòu)成P-N-P結(jié)構(gòu)；而且，納米線 Zn0(l lOOnm)由于顆粒尺寸細(xì)微化，表現(xiàn)出與常規(guī)材料不同的奇異特性，如表面效應(yīng)、小 尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)等.這些性質(zhì)使得ZnO納米線在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如在激 光器、傳感器、場效應(yīng)晶體管、發(fā)光二極管、邏輯線路、自旋電子器件以及量子計算機等的結(jié) 構(gòu)單元等都具有重要的應(yīng)用。近年來，對ZnO材料和器件的研究受到廣泛關(guān)注。研究范圍涵 蓋了 ZnO體單晶、薄膜、量子線、量子點等材料的生長和特性以及ZnO傳感器、透明電極、壓 敏電阻、太陽能電池窗口、表面聲波器件、探測器及發(fā)光二極管(Light-emitting Diodes, 縮寫LED)等器件的制備和研究方面。在各種由ZnO納米線構(gòu)成的一維納米線器件中，ZnO納米線場效應(yīng)晶體管由于其 獨特的性能，近幾年來受到了國際上廣泛的關(guān)注。ZnO納米線場效應(yīng)晶體管(ZnO NW FET)是一種利用ZnO納米線作為溝道來實現(xiàn)的場效應(yīng)晶體管，其特征是采用新型M0SFET結(jié)構(gòu)，ZnO 納米線與柵氧和金屬形成金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管在壓電效 應(yīng)，光學(xué)效應(yīng)，電磁，化學(xué)傳感等方面均有潛在的廣泛應(yīng)用。在這其中，由于ZnO納米線具有 很高的表面積/體積比，制作成功的ZnO納米線場效應(yīng)晶體管還可被廣泛用于氣體探測上， 特別是有害氣體的探測，如CO、NH3等，通過監(jiān)測場效應(yīng)晶體管跨導(dǎo)的變化可以檢測出化學(xué) 氣體的組成及濃度，并且，檢測完成后可通過控制器件柵壓的變化來排出有毒氣體元素，具 有可恢復(fù)化學(xué)傳感器的功能，發(fā)展前景遠(yuǎn)大。與目前常規(guī)的Sn02傳感器相比，ZnO納米線場效應(yīng)晶體管用作化學(xué)傳感器時具有 尺寸小，成本低，可恢復(fù)性等一系列優(yōu)點，而且，Sn02傳感器的檢測原理是通過監(jiān)測氣體在 多孔氣敏元件上時電阻的變化來實現(xiàn)探測功能，這種類型的傳感器最適合檢測低濃度有毒 氣體，在氣體濃度較高并不適合；而ZnO納米線場效應(yīng)晶體管是采用監(jiān)測器件電導(dǎo)的變化 來監(jiān)測有毒氣體，這使得在高濃度下ZnO納米線場效應(yīng)晶體管成為一種極佳的選擇，具有 成為下一代化學(xué)傳感器的潛質(zhì)。有鑒與此，進(jìn)行ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的研制工作是非 常有必要的。盡管，ZnO納米線場效應(yīng)晶體管在傳感器方面具有強大潛力，已經(jīng)得到了廣泛的關(guān) 注，但仍有很多問題亟待解決。其中最重要的就是關(guān)鍵工藝的突破，眾所周知，ZnO納米線 場效應(yīng)晶體管是一種利用ZnO納米線作為溝道來實現(xiàn)的場效應(yīng)晶體管，在納米級的溝道情 況下，其制備工藝與常規(guī)的場效應(yīng)晶體管不同，納米線從本征襯底到器件襯底上的沉積和 定位工作，以及源漏金屬與納米線溝道形成歐姆接觸等都是制約ZnO納米線器件實現(xiàn)傳感 器應(yīng)用的方面。并且，納米線的輸運機制未能得到很好的模擬，無法對器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化， 從而無法對器件工藝進(jìn)行有效的指導(dǎo)作用。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種比較簡單易行的制備懸浮ZnO納米線 場效應(yīng)晶體管的方法，以實現(xiàn)懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的制作，并對器件進(jìn)行退火，使 器件更加穩(wěn)定，性能大幅度提高。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法， 該方法包括在P++型硅襯底上生長一層二氧化硅介質(zhì)，形成場效應(yīng)晶體管襯底；在該場效應(yīng)晶體管襯底上涂一層光刻膠，光刻曝光；蒸發(fā)源漏金屬，形成懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的源漏；蒸發(fā)背面金屬，形成懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的柵極；將ZnO納米線沉積到已經(jīng)蒸發(fā)源漏金屬的場效應(yīng)晶體管襯底上；進(jìn)行退火處理，完成懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的制備。上述方案中，所述ZnO納米線采用中科大的ZnO納米線，長度大于30 u m,寬度小于 liim，ZnO納米線的長寬比大于30 1。上述方案中，所述場效應(yīng)晶體管襯底由P++型硅襯底及其上面生長的一層厚度為3000 A的二氧化硅介質(zhì)構(gòu)成。上述方案中，所述蒸發(fā)源漏金屬時采用的金屬為Ti/Au，其中Ti厚度為400A，Au 厚度為6000A。上述方案中，所述在場效應(yīng)晶體管襯底上涂一層光刻膠的步驟中，涂的是負(fù)性光 刻膠AZ5214，轉(zhuǎn)速4000r/min，膠厚為1. 5 y m，然后前烘90秒，溫度為100°C。上述方案中，所述光刻曝光的步驟中，是使用源漏版進(jìn)行光刻，反轉(zhuǎn)80秒，溫度為 115°C，泛曝60秒，顯影55秒；觀察線條清晰后RIE打底膠，02,60sccm, 20W, 120秒；然后漂 酸，所使用的酸為HF，其中HF H20 = 1 10，漂20秒。上述方案中，所述蒸發(fā)源漏金屬的步驟中，源漏金屬采用Ti/Au，其中Ti厚度為 400A，au 厚度為6000A。上述方案中，所述將ZnO納米線沉積到已經(jīng)蒸發(fā)源漏金屬的場效應(yīng)晶體管襯底上 的步驟，具體包括將原生長ZnO納米線的玻璃襯底放在異丙醇中經(jīng)過超聲波降解，降解后 ZnO納米線大部分從原玻璃襯底脫離并分散在異丙醇溶液中；采用滴管將ZnO納米線滴到 所述布滿源漏金屬的場效應(yīng)晶體管襯底上，實現(xiàn)將ZnO納米線沉積在該場效應(yīng)晶體管襯底 上。上述方案中，所述進(jìn)行退火處理，是在N2氣氛圍中，采取的退火溫度為600°C，退火 時間為1分鐘。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、由于采用本發(fā)明的制備方法，所以實現(xiàn)了 ZnO納米線從原玻璃襯底到場效應(yīng)晶 體管襯底的沉積和定位，為納米線器件制備奠定了基礎(chǔ)。2、本發(fā)明提出的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法，為以后的進(jìn)一步的納 米線場效應(yīng)晶體管及化學(xué)傳感器的制備有指導(dǎo)意義。3、本發(fā)明提出的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法，工藝簡單易行，節(jié)約 了成本。4、本發(fā)明結(jié)合常規(guī)的場效應(yīng)晶體管制備機制，制定出一套制備懸浮ZnO納米線場 效應(yīng)晶體管的方法，實現(xiàn)了納米線到襯底的沉積和定位，為下一步的ZnO化學(xué)傳感器制備
奠定基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明提供的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法流程圖；圖2是本發(fā)明提供的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法中，所使用的ZnO 納米線圖片；圖3是本發(fā)明提供的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法中，制備工藝器件 剖面圖。圖4是本發(fā)明提供的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法中，退火前的器件 實物圖形。圖5是本發(fā)明提供的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法中，退火前的測試 圖。
圖6是本發(fā)明提供的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法中，退火后的器件 實物圖形。圖7是本發(fā)明提供的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法中，退火后的測試 圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。一般的ZnO納米線場效應(yīng)晶體管制備過程中，需要將ZnO納米線從自身生長襯底 上面剝離下來沉積到P++型Si襯底上面，而在器件制備過程中，ZnO納米線是沉積在襯底 表面的，僅靠靜電吸附作用，在光刻膠剝離或者清洗過程中，很容易導(dǎo)致納米線脫落，而且 附著有ZnO納米線的襯底在蒸發(fā)金屬剝離的過程中也極易導(dǎo)致ZnO納米線的脫落，從而使 整個場效應(yīng)晶體管制作失敗。所以，為了避免納米線在光刻膠剝離或者清洗過程中脫落，本 發(fā)明擬采用懸浮ZnO納米線作為場效應(yīng)晶體管的溝道解決問題，使ZnO納米線在襯底上附 著之后不再需要光刻和剝離，故不需要再考慮ZnO納米線的脫落問題，從而大大簡化了整 個ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的工藝流程。本發(fā)明的核心思想是首先在P++型Si襯底上生長Si02介質(zhì)，并蒸發(fā)背面金屬， 然后蒸發(fā)源漏金屬，形成基本的器件結(jié)構(gòu)，通過異丙醇水解超聲的辦法使ZnO納米線從自 身玻璃襯底上面剝離下來，將納米線沉積到已經(jīng)蒸發(fā)好源漏金屬的襯底上面然后定位，用 ZnO納米線作為場效應(yīng)晶體管的溝道，懸浮于源漏金屬之間，利用源漏金屬與ZnO納米線形 成基本的場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，采用退火使得ZnO納米線和源漏金屬形成良好的歐姆接觸， 利用P++型Si襯底上的背面金屬作為柵極，從而形成性能良好的懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶 體管。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法流程 圖，該方法包括步驟101 在P++型硅襯底上生長一層二氧化硅介質(zhì)，形成場效應(yīng)晶體管襯底；所 述場效應(yīng)晶體管襯底由P++型硅襯底及其上面生長的一層厚度為3000 A的二氧化硅介質(zhì) 構(gòu)成。步驟102 在該場效應(yīng)晶體管襯底上涂一層光刻膠，光刻曝光；在本步驟中，涂的 是負(fù)性光刻膠AZ5214，轉(zhuǎn)速4000r/min，膠厚為1. 5 y m，然后前烘90秒，溫度為100°C ；光 刻曝光是使用源漏版進(jìn)行光刻，反轉(zhuǎn)80秒，溫度為115°C，泛曝60秒，顯影55秒；觀察線條 清晰后RIE打底膠，02,60sccm,20ff, 120秒；然后漂酸，所使用的酸為HF，其中HF H20 = 1 10，漂 20 秒。步驟103 蒸發(fā)源漏金屬，形成懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的源漏；所述蒸發(fā)源 漏金屬時采用的金屬為Ti/Au，其中Ti厚度為400A，Au厚度為6000A。步驟104 蒸發(fā)背面金屬，形成懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的柵極；所述蒸發(fā)背 面金屬采用的金屬為Ti/Au，其中Ti厚度為300人，Au厚度為1000A。步驟105 將ZnO納米線沉積到已經(jīng)蒸發(fā)源漏金屬的場效應(yīng)晶體管襯底上；所述 ZnO納米線采用中科大的ZnO納米線，長度大于30 u m,寬度小于1 y m,Zn0納米線的長寬比大于30 1 ；所述將ZnO納米線沉積到已經(jīng)蒸發(fā)源漏金屬的場效應(yīng)晶體管襯底上的步驟， 具體包括將原生長ZnO納米線的玻璃襯底放在異丙醇中經(jīng)過超聲波降解，降解后ZnO納米 線大部分從原玻璃襯底脫離并分散在異丙醇溶液中；采用滴管將ZnO納米線滴到所述布滿 源漏金屬的場效應(yīng)晶體管襯底上，實現(xiàn)將ZnO納米線沉積在該場效應(yīng)晶體管襯底上。步驟106 進(jìn)行退火處理，完成懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的制備。所述進(jìn)行退 火處理，是在N2氣氛圍中，采取的退火溫度為600°C，退火時間為1分鐘。下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明提供的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法進(jìn)行 進(jìn)一步的詳細(xì)說明，具體工藝步驟如下步驟1、在P++型Si襯底上生長Si02介質(zhì)層。在本步驟中，所述3102介質(zhì)層的厚度為3000 A ；步驟2、蒸發(fā)源漏金屬。在本步驟中，首先涂膠，涂負(fù)性光刻膠AZ5214，轉(zhuǎn)速4000r/min，膠厚為1. 5iim，前 烘90秒，溫度為100°C，然后使用源漏版進(jìn)行光刻，反轉(zhuǎn)80秒，溫度為115°C，泛曝60秒，顯 影55秒；觀察線條清晰后RIE打底膠，02，60sCCm，20W，120秒；然后漂酸，所使用的酸為HF， 其中HF H20= 1 10，漂酸20秒；清洗吹干后馬上蒸發(fā)源漏金屬，源漏金屬為Ti/Au，其 中Ti厚度為400A，Au厚度為6000A。步驟3、將器件倒置，在P++型襯底上的背面蒸發(fā)上背面金屬。在本步驟中，所蒸發(fā)的背面金屬為Ti/Au，其中Ti厚度為300A，Au厚度為
1000A.步驟4、ZnO納米線的轉(zhuǎn)移。在本步驟中，首先把原生長ZnO納米線與襯底放在異丙醇中經(jīng)過超聲波降解，降 解后ZnO納米線大部分從原玻璃襯底脫離并分散在異丙醇溶液中，采用滴管實現(xiàn)納米線到 已經(jīng)長好源漏金屬的襯底的沉積。完成ZnO納米線沉積和定位后的器件實物圖見圖4。步驟5、使ZnO納米線連接源漏金屬形成溝道，利用在P++型Si襯底作為器件柵 極，從而形成懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管。步驟6、退火，在隊氣氛圍中600°C的溫度下退火1分鐘。使ZnO納米線與源漏金 屬形成良好的接觸，退火后的器件實物圖見圖6。步驟7、測試，較退火前性能有較大幅度提高。見附圖7。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于，該方法包括在P++型硅襯底上生長一層二氧化硅介質(zhì)，形成場效應(yīng)晶體管襯底；在該場效應(yīng)晶體管襯底上涂一層光刻膠，光刻曝光；蒸發(fā)源漏金屬，形成懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的源漏；蒸發(fā)背面金屬，形成懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的柵極；將ZnO納米線沉積到已經(jīng)蒸發(fā)源漏金屬的場效應(yīng)晶體管襯底上；進(jìn)行退火處理，完成懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于，所述 ZnO納米線采用中科大的ZnO納米線，長度大于30 μ m,寬度小于1 μ m, ZnO納米線的長寬比 大于30 1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于，所述 蒸發(fā)背面金屬采用的金屬為Ti/Au，其中Ti厚度為300A，Au厚度為IOOOA。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于，所述 場效應(yīng)晶體管襯底由P++型硅襯底及其上面生長的一層厚度為3000 A的二氧化硅介質(zhì)構(gòu) 成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于，所 述在場效應(yīng)晶體管襯底上涂一層光刻膠的步驟中，涂的是負(fù)性光刻膠AZ5214，轉(zhuǎn)速4000r/ min，膠厚為1.5 μ m，然后前烘90秒，溫度為100°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于，所述 光刻曝光的步驟中，是使用源漏版進(jìn)行光刻，反轉(zhuǎn)80秒，溫度為115°C，泛曝60秒，顯影55 秒；觀察線條清晰后RIE打底膠，02,60sccm,20ff, 120秒；然后漂酸，所使用的酸為HF，其中 HF H2O = 1 10，漂 20 秒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于，所述 蒸發(fā)源漏金屬的步驟中，源漏金屬采用Ti/Au，其中Ti厚度為400A，Au厚度為6000A。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于，所述 將ZnO納米線沉積到已經(jīng)蒸發(fā)源漏金屬的場效應(yīng)晶體管襯底上的步驟，具體包括將原生長ZnO納米線的玻璃襯底放在異丙醇中經(jīng)過超聲波降解，降解后ZnO納米線大 部分從原玻璃襯底脫離并分散在異丙醇溶液中；采用滴管將ZnO納米線滴到所述布滿源漏 金屬的場效應(yīng)晶體管襯底上，實現(xiàn)將ZnO納米線沉積在該場效應(yīng)晶體管襯底上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于，所述 進(jìn)行退火處理，是在N2氣氛圍中，采取的退火溫度為600°C，退火時間為1分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的方法，該方法包括在P++型硅襯底上生長一層二氧化硅介質(zhì)，形成場效應(yīng)晶體管襯底；在該場效應(yīng)晶體管襯底上涂一層光刻膠，光刻曝光；蒸發(fā)源漏金屬，形成懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的源漏；蒸發(fā)背面金屬，形成懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的柵極；將ZnO納米線沉積到已經(jīng)蒸發(fā)源漏金屬的場效應(yīng)晶體管襯底上；進(jìn)行退火處理，完成懸浮ZnO納米線場效應(yīng)晶體管的制備。本發(fā)明具有成效明顯，工藝簡單易行，經(jīng)濟適用和可靠性強的優(yōu)點，容易在微波、毫米波化合物半導(dǎo)體器件制作中推廣和應(yīng)用。
文檔編號H01L21/20GK101814435SQ20091007855
公開日2010年8月25日 申請日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者付曉君, 張海英, 徐靜波, 黎明 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所