[发明专利]纳米结构在基底上的可控生长以及基于此的电子发射器件

说明书

技术领域

本发明涉及纳米结构及其生长方法，尤其是对纳米结构(例如碳纳米纤维)生长的控制方法，使用此方法可以制造基于电子发射的器件，比如电子束直写机以及场致发射显示器。 

背景技术

对于微型化的不懈追求使得传统的CMOS(互补金属氧化物半导体)器件面临由量子现象决定其特性的限制；在此情况下，难以达到理想的控制。上述问题引发了寻找替代的新材料以制造与现有CMOS器件性能相同甚至更好，而且更便于控制的器件的需求。 

迄今为止，CMOS器件的微型化由通常称为摩尔定律的趋势决定。在摩尔定律中每30个月电子元件就可以缩小一半的尺寸。国际半导体技术蓝图(ITRS)已根据上述模型建立起计划增长曲线。伴随该进步率而来的对速度、高集成度、高性能以及低生产成本的要求是很严苛的。所以与用来制造器件的传统材料的物理、电学特性相关的一些问题逐步突显。因此有必要寻找替代的解决方案，以解决将在近期阻碍硅科技发展的上述问题。这意味着发明新的材料及生产解决方案对于维持上述计划增长率非常重要。 

然而新材料的选择由许多因素限制，比如和现有生产方式的相容性、大规模生产的再现性和成本。现有科技材料面临的一些问题如下： 

泄漏电流所导致的高能耗：目前，通过栅氧化层(非常薄)的高泄漏电流导致器件性能退化。这又增加了断开状态时的泄漏电流，而且还增加了能耗，进而缩短了电池组寿命。 

铜制互连/互联线的不良性能：由于其低电阻率，一般采用铜来制作用于互相连接不同元件的互连线和与外界连接的器件和电路。由于元件尺寸惊人 的减小，基于铜材料的互连线正在载流能力和电线寿命方面表现出不良性能。这进而缩短了处理器的寿命。目前还没有解决方案可以使互连线有效地连接电路中的设备与电路外界，以及时满足在接下来的几年中对电流密度的项目需求。 

对高纵横比结构的需求：目前DRAM(动态随机存取存储器)叠层电容器中用于互联的接触孔的纵横比已经达到12∶1，而预计到2016年将增长到23∶1。制造如此高纵横比的接触孔将会引起一定的技术难题，最大的问题在于对这样高纵横比的零件进行无气泡/无孔洞金属填充(亦即通孔)是非常困难的。 

高的热耗散：现代微处理器不定量地产生热量。热耗散随着计算机处理器中的电晶体数目和时钟频率的提高而不断提高。尤其是，比如当前和将来器件要求尺寸的铜制互连线产生大量热量导致其电阻率升高，因此导致载流能力下降。然而还没有实际解决办法可以在最终不超过处理机功率预算的条件下将这类系统冷却。 

简而言之，由于以上这些原因，有必要寻找替代材料和处理工艺。 

碳纳米结构包括碳纳米管(CNTs)和纳米纤维，被认为是一些在纳米电子技术、纳米机电系统(NEMS)、传感器、接触电极、纳米光子技术和纳米生物技术的未来发展中最有潜力的材料。这主要是因为它们是一维的性质及其独特的电学、光学、力学性质。与球壳状碳分子(fullerene)(比如C₆₀或者C₇₀)利用附加一些特殊官能度而增强一些特性相反，CNTs是通过设计和制造不同直径、间距及长度的细管来获得几乎无限的变化。此外，当球壳状碳分子为制造多种具有不同特殊性能的离散分子提供了可能性，碳纳米管则为制造出拥有优良导电、导热性能及强度的分子量级的元件提供了可能。见R.Waser编写，Wiley-VCH出版社2003年出版的Nanoelectronics and Information Technology(《纳米电子技术和信息技术》)一书第十九章中例子。 

碳纳米管和碳纳米纤维被用于有源器件及互连技术上，主要是因为它们的电学和热学特性以及它们的强度。比如，碳纳米管快速的电子迁移率 (79000cm²/Vs)超过了MOSFET器件(见例如Durkop，T等，Nano Letters，4(1)，35，(2004))的技术发展水平。此外，和铜制互连线(载流能力～10⁶A/cm²)相比，碳纳米管的极高的载流能力(10¹⁰A/cm²)(见Wei，B.Q等，Appl.Phys.Lett.，79(8)，1172，(2001))意味着碳纳米管可能提供了ITRS计划中严重互连问题的解决方案。 

纳米管/纳米纤维的各向异性的热导性能(6000W/Km)(见Hoenlien，W等，IEEE Trans.Compon.and Packaging Tech，27(4)，629，(2004))也非常有可能解决热耗散问题。