金刚石纳米线场效应晶体管制造方法及其晶体管

摘要

本申请是关于一种金刚石纳米线场效应晶体管制造方法及其晶体管。该方法包括：在金刚石薄膜上刻蚀出第一微米线阵列，得到待处理薄膜；在所述待处理薄膜上覆盖绝缘层，并在所述绝缘层对应所述第一微米线阵列的位置刻蚀出外接电路窗口；采用两种不同质量的离子束，在所述外接电路窗口中刻蚀出第一纳米线阵列；在所述第一纳米线阵列上制作微纳台阶，并控制所述微纳台阶的表面晶界数量，得到第二纳米线阵列；将所述第二纳米线阵列浸入盐溶液中并施加栅极电压，得到金刚石纳米线场效应晶体管。本申请提供的方案，能够调控探针分子修饰位点密度，提高目标分子的检测精度。

说明书

技术领域

本申请涉及纳米技术领域，尤其涉及一种金刚石纳米线场效应晶体管制造方法及其晶体管。

背景技术

近年来，为提高基因筛选、荧光原位杂交技术、基因突变检测以及蛋白质分子检测等的精度，研究人员提出了具有高灵敏度、免标记等优点的纳米线场效应管的检测方法，该方法通过检测纳米线表面修饰探针分子与目标分子结合过程中载流子浓度与电导的变化实现对目标分子的检测。其中，硅纳米线场效应管由于能够与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺兼容而较为常用，然而，硅纳米线易氧化的特性降低了场效应管检测的稳定性，更为严重的是，由于硅纳米线的高比表面积提高了探针分子修饰位点密度(即单位质量的晶粒上修饰位点的数量)，从而增加了杂交位阻，致使探针分子与目标分子的结合率降低，直接影响目标分子的检测精度。

因此，本申请旨在设计一种金刚石纳米线场效应晶体管制造方法及其晶体管，能够调控探针分子修饰位点密度，提高目标分子的检测精度。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种金刚石纳米线场效应晶体管制造方法及其晶体管，该金刚石纳米线场效应晶体管制造方法及其晶体管，能够调控探针分子修饰位点密度，提高目标分子的检测精度。

本申请第一方面提供一种金刚石纳米线场效应晶体管制造方法，包括：

在金刚石薄膜上刻蚀出第一微米线阵列，得到待处理薄膜；

在所述待处理薄膜上覆盖绝缘层，并在所述绝缘层对应所述第一微米线阵列的位置刻蚀出外接电路窗口；

采用两种不同质量的离子束，在所述外接电路窗口中刻蚀出第一纳米线阵列；

在所述第一纳米线阵列上制作微纳台阶，并控制所述微纳台阶的表面晶界数量，得到第二纳米线阵列；

将所述第二纳米线阵列浸入盐溶液中并施加栅极电压，得到金刚石纳米线场效应晶体管。

在一种实施方式中，所述在所述待处理薄膜上覆盖绝缘层之前，包括：

采用剥离工艺在所述第一微米线两端沉积出金属引线电极。

在一种实施方式中，所述采用剥离工艺在所述第一微米线两端沉积出金属引线电极之前，包括：

利用氢等离子体处理所述第一微米线阵列的表面，并在所述第一微米线阵列的表面形成第一二维空穴气。

在一种实施方式中，所述在所述待处理薄膜上覆盖绝缘层之后，包括：

在所述绝缘层对应所述金属引线电极的位置刻蚀出微米线阵列窗口。

在一种实施方式中，所述采用两种不同质量的离子束，在所述外接电路窗口中刻蚀出第一纳米线阵列，包括：

采用第一离子束在所述外接电路窗口中对所述第一微米线阵列进行刻蚀，得到第二微米线阵列；

采用第二离子束对所述第二微米线阵列进行刻蚀，得到第一纳米线阵列，所述第二离子束的质量小于所述第一离子束的质量。

在一种实施方式中，所述在所述第一纳米线阵列上制作微纳台阶，包括：

采用第二离子束在所述第一纳米线阵列上制作微纳台阶。

在一种实施方式中，所述将所述第二纳米线阵列浸入盐溶液中并施加栅极电压之前，包括：

利用氢等离子体处理所述第二纳米线阵列的表面，并在所述第二纳米线阵列的表面形成第二二维空穴气。

在一种实施方式中，所述第一离子束的加工能量为10千电子伏特至200千电子伏特，刻蚀加工束流为0.1纳安至100纳安，照射离子剂量为10

所述第二离子束的加工能量为1千电子伏特至40千电子伏特，刻蚀加工束流为1皮安至20纳安，照射离子剂量为10

在一种实施方式中，所述第二纳米线的晶粒尺寸范围为0.1纳米至200纳米，所述微纳台阶的表面的晶界数量为10

本申请第二方面提供一种金刚石纳米线场效应晶体管，采用以上任一项的方法制造。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请先在金刚石薄膜上刻蚀出第一微米线阵列，得到待处理薄膜，在该待处理薄膜上覆盖绝缘层，并在绝缘层对应第一微米线阵列的位置刻蚀出外接电路窗口，再采用两种不同质量的离子束，在外接电路窗口中刻蚀出第一纳米线阵列，并在第一纳米线阵列上制作微纳台阶，并控制微纳台阶的表面晶界数量，得到第二纳米线阵列，将第二纳米线阵列浸入盐溶液中并施加栅极电压，得到金刚石纳米线场效应晶体管。本申请采用两种不同质量的离子束刻蚀出纳米线阵列，质量重的离子束快速刻蚀，质量轻的离子束精确刻蚀以控制第二纳米线阵列中每条纳米线的尺寸，同时控制微纳台阶表面的晶界数量，由于晶尖总是伴随晶界出现，因此控制微纳台阶表面的晶界数量即控制了微纳台阶表面的晶尖的数量，又由于金刚石易修饰且探针分子的修饰位点一般在晶尖上，因此可以方便地调控金刚石薄膜上探针分子修饰位点密度，降低杂交位阻，从而保证探针分子与目标分子的结合率，提高目标分子的检测精度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过结合附图对本申请示例性实施方式进行更详细的描述，本申请的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本申请示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是本申请实施例示出的金刚石纳米线场效应晶体管制造方法实施例一的流程示意图；

图2是本申请实施例示出的金刚石薄膜及基地侧视图；

图3是本申请实施例示出的第一微米线阵列俯视图；

图4是图3另一角度示意图；

图5是本申请实施例示出的外接电路窗口俯视图；

图6是图5另一角度示意图；

图7是本申请实施例示出的第二纳米线阵列及微纳台阶俯视图；

图8是图7另一角度示意图；

图9是本申请实施例示出的将第二纳米线阵列浸入盐溶液后的示意图；

图10是本申请实施例示出的在第二纳米线阵列的表面形成第二二维空穴气的俯视图；

图11是图10另一角度示意图；

图12是本申请实施例示出的金刚石纳米线场效应晶体管制造方法实施例三的流程示意图；

图13是本申请实施例示出的金属引线电极的俯视图；

图14是图13另一角度示意图；

图15是本申请实施例示出的金刚石纳米线场效应晶体管制造方法实施例四的流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的优选实施方式。虽然附图中显示了本申请的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

近年来，为提高基因筛选、荧光原位杂交技术、基因突变检测以及蛋白质分子检测等的精度，研究人员提出了具有高灵敏度、免标记等优点的纳米线场效应管的检测方法，该方法通过检测纳米线表面修饰探针分子与目标分子结合过程中载流子浓度与电导的变化实现对目标分子的检测。其中，硅纳米线场效应管由于能够与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺兼容而较为常用，然而，硅纳米线易氧化的特性降低了场效应管检测的稳定性，更为严重的是，由于硅纳米线的高比表面积提高了探针分子修饰位点密度(即单位质量的晶粒上修饰位点的数量)，从而增加了杂交位阻，致使探针分子与目标分子的结合率降低，直接影响目标分子的检测精度。

针对上述问题，本申请实施例提供一种金刚石纳米线场效应晶体管制造方法及其晶体管，能够调控探针分子修饰位点密度，提高目标分子的检测精度。

以下结合附图详细描述本申请实施例的技术方案。

实施例一

图1是本申请实施例示出的金刚石纳米线场效应晶体管制造方法实施例一的流程示意图；

图2是本申请实施例示出的金刚石薄膜及基地侧视图；

图3是本申请实施例示出的第一微米线阵列俯视图；

图4是图3另一角度示意图；

图5是本申请实施例示出的外接电路窗口俯视图；

图6是图5另一角度示意图；

图7是本申请实施例示出的第二纳米线阵列及微纳台阶俯视图；

图8是图7另一角度示意图；

图9是本申请实施例示出的将第二纳米线阵列浸入盐溶液后的示意图。

参见图1-9，本申请实施例中金刚石纳米线场效应晶体管制造方法的实施例一包括：

101、在金刚石薄膜上刻蚀出第一微米线阵列，得到待处理薄膜；

该金刚石薄膜1的厚度为0.01微米至100微米，本实施例中，该金刚石薄膜1的厚度为1微米。

刻蚀工艺为光刻工艺和氧等离子体组合刻蚀工艺，该第一微米线阵列11中每条微米线的线宽范围为0.1微米至100微米，相邻微米线的间距范围为100纳米至10微米，本实施例中，每条微米线的线宽为50微米，相邻微米线的间距为800纳米。

进一步地，该金刚石薄膜1底部可以设置一基底2，用于支撑该金刚石薄膜1，该基底2材料可以为硅、二氧化硅、陶瓷、钢或硬质合金等，基底2厚度为0.1毫米至1毫米，本实施例中，该基底2厚度为0.5毫米。

102、在待处理薄膜上覆盖绝缘层，并在绝缘层对应第一微米线阵列的位置刻蚀出外接电路窗口；

覆盖绝缘层的方法、刻蚀出外接电路窗口12的方法以及绝缘层的材料此处不做限定，可利用等离子体增强化学气相沉积法、分子气相沉积法或原子层沉积中的一种或两种方法组合或三种方法组合，在整个待处理薄膜上方沉积一层绝缘层或两层或多层不同绝缘材料交替叠加的绝缘层，再利用光刻与反应离子刻蚀工艺或腐蚀工艺刻蚀出外接电路窗口，绝缘层的材料可以为二氧化硅、氮化硅或二氧化硅和氮化硅两种组合，且绝缘层层厚范围为20纳米至800纳米。

本实施例中，覆盖绝缘层的沉积方法为等离子体增强化学气相沉积法，绝缘层的材料为氮化硅和氧化硅交替叠加，层数为两层，氮化硅层13的厚度为20纳米，氧化硅层14的厚度为40纳米，刻蚀出外接电路窗口12的方法为光刻与反应离子刻蚀工艺。

103、采用两种不同质量的离子束，在外接电路窗口中刻蚀出第一纳米线阵列；

该两种离子束此处不做限制，质量较重的离子束可以为镓离子束、铱离子束、金离子束或氙离子束，用于金刚石微米线的快速加工，质量较轻的离子束可以为氦离子束、氩离子束或氖离子束，用于金刚石微米线的精细加工。质量较重的离子束加工参数如下：加工能量为10千电子伏特至200千电子伏特，刻蚀加工束流为0.1纳安至100纳安，照射离子剂量为10

本实施例中，质量较重的聚焦离子束选用镓离子束，加工能量为30千电子伏特，刻蚀加工束流为20纳安，照射离子剂量为10

调整离子束刻蚀角度与路径可实现对第一纳米线形状的调控。

104、在第一纳米线阵列上制作微纳台阶，并控制微纳台阶的表面晶界数量，得到第二纳米线阵列；

相邻微纳台阶151之间为微纳凹槽，第二纳米线阵列15中的纳米线晶粒尺寸范围为0.1纳米至200纳米，微纳台阶151的表面的晶界数量为10

105、将第二纳米线阵列浸入盐溶液中并施加栅极电压，得到金刚石纳米线场效应晶体管。

其中，盐溶液可以为氯化钠溶液、氯化钾溶液或其它盐溶液，此处不做限定，其浓度为0.1摩尔/升至3摩尔/升。本实施例中，盐溶液选用氯化钾溶液，浓度为1.5摩尔/升。

从上述实施例一可以得到以下有益效果：

本实施例先在金刚石薄膜上刻蚀出第一微米线阵列，得到待处理薄膜，在该待处理薄膜上覆盖绝缘层，并在绝缘层对应第一微米线阵列的位置刻蚀出外接电路窗口，再采用两种不同质量的离子束，在外接电路窗口中刻蚀出第一纳米线阵列，并在第一纳米线阵列上制作微纳台阶，并控制微纳台阶的表面晶界数量，得到第二纳米线阵列，将第二纳米线阵列浸入盐溶液中并施加栅极电压，得到金刚石纳米线场效应晶体管。本实施例采用两种不同质量的离子束刻蚀出纳米线阵列，质量重的离子束快速刻蚀，质量轻的离子束精确刻蚀以控制第二纳米线阵列中每条纳米线的尺寸，同时控制微纳台阶表面的晶界数量，由于晶尖总是伴随晶界出现，因此控制微纳台阶表面的晶界数量即控制了微纳台阶表面的晶尖的数量，又由于金刚石易修饰且探针分子的修饰位点一般在晶尖上，因此可以方便地调控金刚石薄膜上探针分子修饰位点密度，降低杂交位阻，从而保证探针分子与目标分子的结合率，提高目标分子的检测精度。

实施例二

在实际应用中，在实施例一的基础上，为了提高场效应晶体管的传输速度，可以在相应步骤中制作二维空穴气。

图10是本申请实施例示出的在第二纳米线阵列的表面形成第二二维空穴气的俯视图；

图11是图10另一角度示意图。

参见图3-4以及图10-11，图3和图4中体现了第一微米线阵列的表面形成第一二维空穴气16。

二维空穴气是一种很薄的空穴层，它能够改善材料的空穴传输性能，从而提高场效应晶体管的传输速度。

采用剥离工艺在第一微米线两端沉积出金属引线电极之前，利用氢等离子体处理第一微米线阵列11的表面，并在第一微米线阵列11的表面形成第一二维空穴气16，该第一二维空穴气16表面载流子浓度范围为每平方厘米10

从上述实施例二可以得到以下有益效果：

本实施例通过制作二维空穴气，能够改善材料的空穴传输性能，从而提高场效应晶体管的传输速度。

实施例三

在实际应用中，在以上实施例的基础上，还需要设置微米线阵列窗口用于连接源极和漏极电压。

图12是本申请实施例示出的金刚石纳米线场效应晶体管制造方法实施例三的流程示意图；

图13是本申请实施例示出的金属引线电极的俯视图；

图14是图13另一角度示意图。

参见图5及图12-14，其中图5中体现了微米线阵列窗口。

201、采用剥离工艺在第一微米线两端沉积出金属引线电极；

通过光刻、电子束蒸发与金属沉积工艺或磁控溅射与去胶工艺中的一种或几种组成的剥离工艺在第一微米线两端，沉积出金属引线电极18。金属引线电极18的金属可以为钛、金、铬、钨化钛、镍、银、铝、铂或其它导电金属中的一种或多种不同金属组合，厚度为10纳米至200纳米。

本实施例中，制造金属引线电极18的方法为光刻、电子束蒸发与金属沉积工艺或磁控溅射与去胶工艺组成的剥离工艺，制造出的金属引线电极18为钛、金组合金属，厚度为30纳米。

202、在待处理薄膜上覆盖绝缘层，在绝缘层对应金属引线电极的位置刻蚀出微米线阵列窗口。

采用与刻蚀出外接电路窗口12同样的方法刻蚀出微米线阵列窗口19，该微米线阵列窗口19包括金属源极外接窗口和金属漏极外接窗口。

从上述实施例三可以得到以下有益效果：

本实施通过剥离工艺沉积出金属引线电极，并在绝缘层对应金属引线电极的位置刻蚀出微米线阵列窗口，使得制作的晶体管能够与源极和栅极电压相连。

实施例四

在实际应用中，在以上实施例的基础上，本实施例详细阐述如何刻蚀出第一纳米线阵列。

图15是本申请实施例示出的金刚石纳米线场效应晶体管制造方法实施例四的流程示意图。

301、采用第一离子束在外接电路窗口中对第一微米线阵列进行刻蚀，得到第二微米线阵列；

该第一离子束即为质量较重的离子束，主要用于快速加工。

302、采用第二离子束对第二微米线阵列进行刻蚀，得到第一纳米线阵列。

该第二离子束的质量小于第一离子束的质量，即为质量较轻的离子束，主要用于精细加工。

进一步地，采用第二离子束在第一纳米线阵列上制作微纳台阶，通过控制微纳台阶表面的晶界数量控制微纳台阶表面的晶尖的数量，从而调控金刚石薄膜上探针分子修饰位点密度。

从上述实施例四可以得到以下有益效果：

本实施例先使用较重离子束进行快速加工，再利用较轻离子束进行精细加工并制作微纳台阶，精确控制第一纳米线的尺寸以及微纳台阶表面的晶尖的数量，从而调控金刚石薄膜上探针分子修饰位点密度。

实施例五

与前述应用功能实现方法实施例相对应，本申请还提供了一种金刚石纳米线场效应晶体管及相应的实施例。

该金刚石纳米线场效应晶体管采用以上实施例中任一项方法制造。

关于该金刚石纳米线场效应晶体管，其中各个组成部分的制作方法已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不再做详细阐述说明。

上文中已经参考附图详细描述了本申请的方案。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。另外，可以理解，本申请实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减，本申请实施例装置中的模块可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。