專利名稱：一種制備ZnO納米線場效應晶體管的方法
技術領域：
本發明涉及化合物半導體器件技術領域，特別是指一種制備ZnO納米線場效應晶 體管的方法。
背景技術：
—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年法國科學家就首次研制出直徑為7mm的碳纖維。1991年日本用高分辨率電子顯微 鏡發現了碳納米管，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 合成了多種一維納米材料，如納米管、米棒、納米線、半導體量子線、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，以及分子水平納米光電子器件等基礎物理 研究提供了可貴的研究對象，也預示著巨大的應用前景和經濟利益，必將給傳輸材料、微電 子、醫藥等領域帶來革命性的改變，并會影響到人們的日常生活。 2006年，哈佛大學的向杰等人制備了 Ge/Si core-shell納米線，發現由于能帶結 構的影響，會在中心的Ge線中產生受限的一維空穴氣，從而可以實現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，極大地推動了國際上納米電 子器件的發展。 在各種一維納米結構中，被稱為"第三代半導體材料"的ZnO逐漸得到了人們的重視， 與其他半導體材料如SiC、 InP等相比，ZnO有許多優異性質，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，對某些氣體能在其表面吸附解析 等。根據微觀觀察結果，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型半導體，不需 要摻雜即可與P型半導體構成P-N-P結構；而且，納米線ZnO(1 100nm)由于顆粒尺寸細微化， 表現出與常規材料不同的奇異特性，如表面效應、小尺寸效應、量子隧道效應等.這些性質使得 ZnO納米線在很多領域得到廣泛的應用，如在激光器、傳感器、場效應晶體管、發光二極管、邏輯 線路、自旋電子器件以及量子計算機等的結構單元等都具有重要的應用。 在各種由ZnO納米線構成的一維納米線器件中，ZnO納米線場效應晶體管由于其 獨特的性能，近幾年來受到了國際上廣泛的關注。ZnO納米線場效應晶體管(ZnO麗FET) 是一種利用ZnO納米線作為溝道來實現的場效應管，其特征是采用新型MOSFET結構，ZnO 納米線與柵氧和金屬形成金屬-氧化物-半導體結構。這種結構的場效應晶體管在壓電效 應，光學效應，電磁，化學傳感等方面均有潛在的廣泛應用。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C0、 NH3等，通過監測場效應晶體管跨導的變化可以檢測出化學 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 有可恢復化學傳感器的功能。發展前景遠大。 與目前常規的Sn02傳感器相比，ZnO納米線場效應晶體管用作化學傳感器時具有 尺寸小，成本低，可恢復性等一系列優點，而且，Sn02傳感器的檢測原理是通過監測氣體在多孔氣敏元件上時電阻的變化來實現探測功能，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Zn0納米線場效應晶體管是采用監測器件電導的變化 來監測有毒氣體，這使得在高濃度下ZnO納米線場效應晶體管成為一種極佳的選擇，具有 成為下一代化學傳感器的潛質。有鑒與此，進行ZnO納米線場效應晶體管的研制工作是非 常有必要的。 盡管ZnO納米線場效應晶體管在傳感器方面具有強大潛力，已經得到了廣泛的關 注，但仍有很多問題亟待解決。其中最重要的就是關鍵工藝的突破，眾所周知，ZnO納米線場 效應晶體管是一種利用ZnO納米線作為溝道來實現的場效應管，在納米級的溝道情況下， 其制備工藝與常規的場效應晶體管不同，源漏金屬與ZnO納米線溝道形成良好的歐姆接觸 是器件制作成功的前提。歐姆接觸質量的好壞，接觸電阻的大小，直接影響了器件的效率、 增益和開關速度等性能指標。是制約ZnO納米線器件實現傳感器應用的重要方面。
發明內容
( — )要解決的技術問題 有鑒于此，本發明的主要目的是提供一種制備ZnO納米線場效應晶體管的方法， 采用全新的歐姆接觸測試圖形，對器件歐姆接觸性能進行監測，以提供ZnO納米線場效應 晶體管器件制備的成功率。
(二)技術方案 為達到上述目的，本發明提供了一種制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，該方
法采用傳輸線法制備出按一定倍數規律排列的電極測試圖形，在該電極測試圖形上蒸發金
屬Ti/Au形成監測圖形，在器件制備過程中利用該監測圖形對納米線與源漏電極金屬所形
成的歐姆接觸性能進行監測，在歐姆接觸性能符合要求時繼續進行源漏和背柵電極的制
備，完成ZnO納米線場效應晶體管的制備。 上述方案中，該方法具體包括 步驟1 :在襯底正面制備器件的柵氧； 步驟2 :ZnO納米線剝離，將ZnO納米線沉積到器件襯底上； 步驟3 :在襯底正面制備的柵氧上制備歐姆接觸測試圖形，并對該歐姆接觸測試 圖形進行測試； 步驟4 :在襯底正面制備的柵氧上進行源漏制備； 步驟5 :背柵制備，完成ZnO納米線場效應晶體管的制備。
上述方案中，所述在襯底正面制備器件的柵氧，具體包括對P型Si襯底進行丙酮
浸泡，乙醇清洗，水沖，N2吹干，12(TC烘箱烘10分鐘，去除掉襯底正面的水汽；然后采用等
離子體化學氣相淀積在襯底正面生長一層4000 A的Si02介質作為器件柵氧。 上述方案中，所述ZnO納米線剝離，將ZnO納米線沉積到器件襯底上，具體包括將
ZnO納米線放在乙醇中進行超聲波降解，降解后ZnO納米線大部分從其本征玻璃襯底脫離
并分散在乙醇溶液中，采用滴管實現納米線到場效應晶體管襯底的沉積，使納米線隨機分
布于器件襯底之上。 上述方案中，所述在襯底正面制備的柵氧上制備歐姆接觸測試圖形，具體包括在 襯底正面制備的柵氧上采用傳輸線法制備出按一定倍數規律排列的電極測試圖形，然后在
5該電極測試圖形上蒸發Ti/Au形成歐姆接觸測試圖形。 上述方案中，所述對該歐姆接觸測試圖形進行測試，具體包括采用半導體參數測 試儀HP4155對測試圖形進I-V測試，分別按照電極間隔1 y m、2 ii m、3 ii m、4 ii m和5 ii m進 行測試，測試完成后得到納米線器件的歐姆比接觸電阻值，根據比接觸電阻大小對器件參 數進行修正。 上述方案中，所述在襯底正面制備的柵氧上進行源漏制備，具體包括涂膠 AZ5214, 3500r/min， 1. 6 y m，采用源漏光刻版進行光刻，光刻完成后打底膠，RIE，60sccm， 2min，蒸發金屬Ti/Au，其中Ti的厚度為300A， Au的厚度為IOOOA，丙酮浸泡剝離，去離子水 清洗干凈，保證金屬與ZnO納米線形成良好歐姆接觸電極。 上述方案中，所述背柵制備，完成ZnO納米線場效應晶體管的制備，具體包括器 件表面用AZ5214光刻膠覆蓋，采用HF濕法腐蝕去掉襯底背面Si02氧化物，丙酮水沖洗，N2 吹干，直接送蒸發背柵金屬；在襯底背面采用電子束蒸發，壓力小于2X10—6Torr，蒸發背柵 金屬Ti/Au形成背柵電極，其中Ti的厚度為IOOA， Au的厚度為2000A。
(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果 1、本發明提供的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，由于采用監測圖形，實現
了ZnO納米線與器件原漏電極之間形成了良好的歐姆接觸，提高了器件的跨導&飽和電流，
確保了器件性能良好。為納米線場效應晶體管化學傳感器制備奠定了基礎。 2、本發明提供的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，采用常規光刻，金屬蒸發，
丙酮剝離的方法形成測試圖形，成本較低。 3、本發明提供的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，測試圖形與器件單管隔離 開來，只需要監測歐姆接觸測試圖形的比接觸電阻，即可保證納米線與源漏電極之間性能 良好的歐姆接觸，極大程度的保證了器件單管的完整和不受破壞性。 4、本發明提供的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，工藝簡單易行，節約了成 本。 5、本發明提供的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，結合常規TLM歐姆接觸測 試方法，制定出一套實現監測ZnO麗FET歐姆接觸形成的方法，實現了納米線溝道與源漏 電極形成良好的歐姆接觸，有效的減小了器件寄生接觸電阻。
圖1是本發明采用傳輸線法制備的電極測試圖形的示意圖； 圖2是本發明提供的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法流程圖； 圖3是依照本發明實施例的制備ZnO納米線場效應晶體管的工藝流程圖； 圖4是本發明的制備ZnO納米線場效應晶體管工藝中，所使用的ZnO納米線圖片； 圖5是本發明的制備ZnO納米線場效應晶體管工藝中，歐姆接觸測試圖形版圖； 圖6是本發明的制備ZnO納米線場效應晶體管工藝中，比接觸電阻測試示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照
6附圖，對本發明進一步詳細說明。 下面首先介紹本發明的實現原理 —般歐姆接觸電阻的測試方法有多種，如四探針法、擬合法、傳輸線法(TLM)、同 心圓環形傳輸線法和圓點形傳輸線法等。本發明選擇采用傳輸線法(TLM)，主要是考慮到這 種方法測試圖形簡單、接觸電阻計算容易，且模型比較準確。 圖l示出了本發明采用傳輸線法制備的電極測試圖形的示意圖。在與周邊隔離 的長方形區域內，制作間距不同的歐姆接觸金屬塊，間距分別為10 ii m、20 ii m、30 y m、40 y m 和50iim，金屬塊長、寬分別為200iim和80 y m，電阻測試值由以下公式表達
A =^x^ + 2i c+2P— 4冊x丄+ 2^^xcot(『》)+ 2P— (2.9) 其中，丄r =、，為傳輸長度，1^為半導體材料的方塊電阻，1^為接觸金屬塊下薄
V &
層材料方塊電阻，RC為歐姆接觸電阻，P e為金屬_半導體接觸的比接觸電阻，Ppr。b為探針
電阻，W為接觸金屬塊寬度，1為接觸金屬塊長度。當W較大，并假設RSH = RSK，上面公式可 簡化為 <formula>formula see original document page 7</formula> 作R_， 1曲線，如圖6所示，則各測試點擬合的直線與Y軸截距即為2RC。 本發明的核心思想是提供一種新的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，利用
本發明的歐姆接觸測試圖形對器件的源漏與納米線之間的接觸進行監控，確保Ti(300)/
Au(lOOO)源漏電極與ZnO納米線之間性能良好的歐姆接觸，減小寄生接觸電阻，有效的提
高器件性能，保證了器件的制備成功，為下一步的傳感器制作奠定基礎。下面結合附圖來對
這種采用新穎的歐姆接觸監測圖形的納米線場效應晶體管制作方法進行說明。 如圖2所示，圖2是本發明提供的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法流程圖，該
方法包括以下步驟 步驟201 :在襯底正面制備器件的柵氧； 步驟202 :ZnO納米線剝離，將ZnO納米線沉積到器件襯底上； 步驟203 :在襯底正面制備的柵氧上制備歐姆接觸測試圖形，并對該歐姆接觸測
試圖形進行測試； 步驟204 :在襯底正面制備的柵氧上進行源漏制備； 步驟205 :背柵制備，完成ZnO納米線場效應晶體管的制備。 圖3示出了依照本發明實施例的制備ZnO納米線場效應晶體管的工藝流程圖，工 藝步驟如下 步驟l :在襯底正面制備器件的柵氧。對P型Si襯底進行丙酮浸泡，乙醇清洗，水 沖，N2吹干，12(TC烘箱烘10分鐘，去除掉襯底正面的水汽；然后采用等離子體化學氣相淀
積在襯底正面生長一層4000 A的Si(^介質作為器件柵氧。臺階儀測厚大約3800A，基本
滿足要求。 步驟2 :ZnO納米線剝離，將ZnO納米線沉積到器件襯底上。將ZnO納米線放在乙醇中進行超聲波降解，降解后Zn0納米線大部分從其本征玻璃襯底脫離并分散在乙醇溶液 中，采用滴管實現納米線到場效應晶體管襯底的沉積，使納米線隨機分布于器件襯底之上。
步驟3 :在襯底正面制備的柵氧上制備歐姆接觸測試圖形，并對該歐姆接觸測試 圖形進行測試。在襯底正面制備的柵氧上采用傳輸線法制備出按一定倍數規律排列的電極 測試圖形，然后在該電極測試圖形上蒸發Ti/Au形成歐姆接觸測試圖形。采用半導體參數 測試儀HP4155對測試圖形進I-V測試，分別按照電極間隔1 y m、2 ii m、3 y m、4 y m和5 y m 進行測試，測試完成后得到納米線器件的歐姆比接觸電阻值，根據比接觸電阻大小對器件 參數進行修正。 步驟4 :根據測試圖形測試結果，在襯底正面制備的柵氧上進行源漏制備。涂膠 AZ5214, 3500r/min， 1. 6 y m，采用源漏光刻版進行光刻，光刻完成后打底膠，RIE，60sccm， 2min，蒸發金屬Ti/Au，其中Ti的厚度為300A， Au的厚度為IOOOA，丙酮浸泡剝離，去離子水 清洗干凈，保證金屬與ZnO納米線形成良好歐姆接觸電極。
步驟5 :背柵制備，完成ZnO納米線場效應晶體管的制備。 器件表面用AZ5214光刻膠覆蓋，采用HF濕法腐蝕去掉襯底背面Si02氧化 物，丙酮水沖洗，N2吹干，直接送蒸發背柵金屬；在襯底背面采用電子束蒸發，壓力小于 2X10—6Torr，蒸發背柵金屬Ti/Au形成背柵電極，其中Ti的厚度為IOOA， Au的厚度為 2000A。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護范圍之內。
權利要求
一種制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，其特征在于，該方法采用傳輸線法制備出按一定倍數規律排列的電極測試圖形，在該電極測試圖形上蒸發金屬Ti/Au形成監測圖形，在器件制備過程中利用該監測圖形對納米線與源漏電極金屬所形成的歐姆接觸性能進行監測，在歐姆接觸性能符合要求時繼續進行源漏和背柵電極的制備，完成ZnO納米線場效應晶體管的制備。
2. 根據權利要求1所述的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，其特征在于，該方法具 體包括步驟1 :在襯底正面制備器件的柵氧；步驟2 :ZnO納米線剝離，將ZnO納米線沉積到器件襯底上；步驟3 :在襯底正面制備的柵氧上制備歐姆接觸測試圖形，并對該歐姆接觸測試圖形 進行測試；步驟4 :在襯底正面制備的柵氧上進行源漏制備；步驟5 :背柵制備，完成ZnO納米線場效應晶體管的制備。
3. 根據權利要求2所述的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，其特征在于，所述在襯底正面制備器件的柵氧，具體包括對P型Si襯底進行丙酮浸泡，乙醇清洗，水沖，K吹干，12(TC烘箱烘10分鐘，去除掉襯 底正面的水汽；然后采用等離子體化學氣相淀積在襯底正面生長一層4000人的Si(^介質作為器件柵氧。
4. 根據權利要求2所述的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，其特征在于，所述ZnO 納米線剝離，將ZnO納米線沉積到器件襯底上，具體包括將ZnO納米線放在乙醇中進行超聲波降解，降解后ZnO納米線大部分從其本征玻璃襯 底脫離并分散在乙醇溶液中，采用滴管實現納米線到場效應晶體管襯底的沉積，使納米線 隨機分布于器件襯底之上。
5. 根據權利要求2所述的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，其特征在于，所述在襯 底正面制備的柵氧上制備歐姆接觸測試圖形，具體包括在襯底正面制備的柵氧上采用傳輸線法制備出按一定倍數規律排列的電極測試圖形， 然后在該電極測試圖形上蒸發Ti/Au形成歐姆接觸測試圖形。
6. 根據權利要求2所述的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，其特征在于，所述對該 歐姆接觸測試圖形進行測試，具體包括采用半導體參數測試儀HP4155對測試圖形進I-V測試，分別按照電極間隔1 y m、2 ii m、 3 m、4 m禾P 5 m進行測試，測試完成后得到納米線器件的歐姆比接觸電阻值，根據比接 觸電阻大小對器件參數進行修正。
7. 根據權利要求2所述的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，其特征在于，所述在襯 底正面制備的柵氧上進行源漏制備，具體包括涂膠AZ5214, 3500r/min， 1. 6 y m，采用源漏光刻版進行光刻，光刻完成后打底膠，RIE， 60sccm，2min，蒸發金屬Ti/Au，其中Ti的厚度為300A， Au的厚度為IOOOA，丙酮浸泡剝離， 去離子水清洗干凈，保證金屬與ZnO納米線形成良好歐姆接觸電極。
8. 根據權利要求2所述的制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，其特征在于，所述背柵 制備，完成ZnO納米線場效應晶體管的制備，具體包括器件表面用AZ5214光刻膠覆蓋，采用HF濕法腐蝕去掉襯底背面Si02氧化物，丙酮水 沖洗，^吹干，直接送蒸發背柵金屬；在襯底背面采用電子束蒸發，壓力小于2X10—6T0rr， 蒸發背柵金屬Ti/Au形成背柵電極，其中Ti的厚度為IOOA， Au的厚度為2000A。
全文摘要
本發明公開了一種制備ZnO納米線場效應晶體管的方法，該方法采用傳輸線法制備出按一定倍數規律排列的電極測試圖形，在該電極測試圖形上蒸發金屬Ti/Au形成監測圖形，在器件制備過程中利用該監測圖形對納米線與源漏電極金屬所形成的歐姆接觸性能進行監測，在歐姆接觸性能符合要求時繼續進行源漏和背柵電極的制備，完成ZnO納米線場效應晶體管的制備。本發明采用新穎的歐姆接觸監測圖形對納米線和Ti電極之間的歐姆接觸情況進行監測，確保了Ti/Au源漏電極與ZnO溝道之間形成良好的歐姆接觸，為納米線場效應晶體管的制備奠定了基礎。
文檔編號H01L21/336GK101752250SQ200810240079
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月17日 優先權日2008年12月17日
發明者付曉君, 徐靜波, 黎明 申請人:中國科學院微電子研究所