一种碳纳米管束场效应晶体管阵列及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种碳纳米管束场效应晶体管阵列及其制造方法，所述碳纳米管束场效应晶体管阵列包括：源极材料层、漏极材料层以及连接于所述源极材料层与漏极材料层之间的碳纳米管束阵列；所述碳纳米管束阵列包括若干分立设置的碳纳米管束单元，其中，所述碳纳米管束单元的轴向第一端与所述源极材料层连接，所述碳纳米管束单元的轴向第二端与所述漏极材料层连接；所述碳纳米管束单元被栅极结构所包围。本发明专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列能够耐受更高的操作电压及操作电流，能够应用于大功率器件。并且本发明专利技术采用环栅结构，可以提高栅极对沟道的操控能力。本发明专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法具有工艺步骤简单的特点，有利于降低生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管束场效应晶体管阵列及其制造方法
本专利技术属于集成电路
，涉及一种碳纳米管束场效应晶体管阵列及其制造方法。
技术介绍
对于载流子运输介质，真空本质上优于固体，因为它允许弹道运输，而在半导体中，载流子会遭受光学和声学声子散射。真空中的电子速度理论上是3×1010cm/s，但在半导体中，电子速度仅约为5×107cm/s。一些科学家认为，在真空晶体管中，似乎只有电子可以在电极之间流动，而空穴不能。除非我们学会处理正电子，否则将不可能做任何互补型电路，例如CMOS。而没有互补型电路，功率将过高，最有可能限制真空晶体管进入细分市场。很难想象，任何大型数字电路都会用到真空晶体管。目前真空晶体管主要有四种类型(Jin-WooHan,JaeSubOhandM.Meyyappan,VacuumNanoelectronics:BacktotheFuture？-Gateinsulatednanoscalevacuumchanneltransistor,APL,100,213505(2012))：(a)垂直场发射型、(b)平面横向场发射型、(c)MOSFET型、(d)绝缘栅空气沟道晶体管。近年来，已经有报道公开了在理想的围栅几何形态下，碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)的自对准栅极尺寸可缩小到20纳米(IBM创造了第一个9nm碳纳米管晶体管，通过GarethHalfacree于2012年1月30日发表)。栅极包围碳纳米管沟道的均匀性已经被证实，并且这个过程不会损坏碳纳米管。此外，利用合适的栅极介质层，可以实现N型晶体管或P型晶体管，其中，利用HfO2作为栅介质层可以实现N型晶体管，利用Al2O3作为栅介质层可以实现P型晶体管(AaronD.Franklin，CarbonNanotubeComplementaryWrap-GateTransistors，NanoLett.,2013,13(6),pp2490–2495)。这些发现不仅为围栅碳纳米管器件的进一步研究提供了一个有前途的平台，并表明采用碳纳米管的大规模数字开关拥有现实的技术潜力。然而，仍有必要开发CNTFET的潜力和可能性，使其能够用于制造拥有高操作电压和高驱动电流的大功率器件。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种碳纳米管束场效应晶体管阵列及其制造方法，用于解决现有技术中碳纳米管场效应晶体管不能应用于大功率器件的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种碳纳米管束场效应晶体管阵列，包括：源极材料层；漏极材料层，形成于所述源极材料层上方；碳纳米管束阵列，连接于所述源极材料层与所述漏极材料层之间；所述碳纳米管束阵列包括若干分立设置的碳纳米管束单元，其中，所述碳纳米管束单元的轴向第一端与所述源极材料层连接，所述碳纳米管束单元的轴向第二端与所述漏极材料层连接；栅极结构，形成于所述碳纳米管束阵列中各个碳纳米管束单元之间，且所述栅极结构与所述源极材料层之间通过第一绝缘层隔离，所述栅极结构与所述漏极材料层之间通过第二绝缘层隔离；其中，所述栅极结构包括栅极介质层及栅极材料层，所述栅极介质层包围所述碳纳米管束单元的外侧面，所述栅极材料层包围所述栅极材料层外侧面。可选地，所述碳纳米管束场效应晶体管阵列还包括基底及形成于所述基底上的第三绝缘层，所述源极材料层形成于所述第三绝缘层上。可选地，所述碳纳米管束单元的轴向与所述源极材料层所在平面之间的角度为80°～100°。可选地，所述碳纳米管束单元的高度大于100μm。可选地，所述栅极介质层采用高K介质，所述栅极材料层包括金属材料。可选地，所述源极材料层与漏极材料层均包括金属材料。本专利技术还提供一种碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法，包括如下步骤：S1：提供一基底，在所述基底上依次形成第三绝缘层、源极材料层及第一绝缘层；S2：在所述第一绝缘层中形成通孔阵列；所述通孔阵列包括若干分立设置的通孔，所述通孔暴露出所述源极材料层上表面；S3：基于所述通孔阵列形成碳纳米管束阵列；所述碳纳米管束阵列包括若干与所述通孔位置相对应的碳纳米管束单元，其中，所述碳纳米管束单元的轴向第一端与所述源极材料层连接；S4：形成覆盖所述碳纳米管束单元外侧面的栅极介质层；S5：形成覆盖所述栅极介质层外侧面的栅极材料层；S6：依次形成第二绝缘层及漏极材料层，其中，所述碳纳米管束单元的轴向第二端与所述漏极材料层连接，所述栅极介质层及栅极材料层与所述漏极材料层之间通过第二绝缘层隔离。可选地，于所述步骤S3中，在保护性气氛下，利用催化剂及碳源，通过化学气相沉积法形成所述碳纳米管束阵列。可选地，所述保护性气氛包括N2、H2、Ar中的一种或多种，所述催化剂包括Fe、Ni、Co中的一种或多种，所述碳纳米管束阵列的生长温度范围是500～740℃。可选地，首先基于所述通孔阵列在所述源极材料层上表面形成所述催化剂，然后基于所述催化剂生长所述碳纳米管束阵列。可选地，将包含催化剂离子的溶液施加于所述源极材料层表面，并进行退火，以增加催化剂离子与所述源极材料层的结合强度。可选地，所述退火的温度范围是700～900℃，退火时间为30～90min。可选地，还包括去除所述第二绝缘层表面多余的催化剂离子的步骤。可选地，通过湿法腐蚀去除所述第二绝缘层表面多余的催化剂离子。可选地，所述碳纳米管束单元的轴向与所述源极材料层所在平面之间的角度为80°～100°。可选地，所述碳纳米管束单元的高度大于100μm。如上所述，本专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列及其制造方法，具有以下有益效果：本专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列采用碳纳米管束作为沟道材料，其中碳纳米管束单元只有外部的碳纳米管被栅极介质层所包围，而内部的碳纳米管并没有被栅极介质层所包围，但由于碳纳米管束中各碳纳米管之间的相互作用，处于碳纳米管束单元内部的碳纳米管仍然能够发挥有效作用。本专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列能够耐受更高的操作电压及操作电流，能够应用于大功率器件。并且本专利技术采用环栅结构，可以提高栅极对沟道的操控能力。本专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法具有工艺步骤简单的特点，有利于降低生产成本。附图说明图1显示为本专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列的结构示意图。图2显示为本专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法在所述基底上依次形成第三绝缘层、源极材料层及第一绝缘层的示意图。图3显示为本专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法在所述第一绝缘层中形成通孔阵列的示意图。图4显示为本专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法基于所述通孔阵列在所述源极材料层上表面形成所述催化剂的示意图。图5显示为本专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法基于所述催化剂生长所述碳纳米管束阵列的示意图。图6显示为本专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法形成覆盖所述碳纳米管束单元外侧面的栅极介质层的示意图。图7显示为本专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法形成覆盖所述栅极介质层外侧面的栅极材料层的示意图。图8显示为本专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法去除部分栅极介质层及栅极材料层，以暴露碳纳米管束阵列上部的示意图。图9显示为本专利技术的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法形成第二绝缘层及漏极材料层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管束场效应晶体管阵列，其特征在于，包括：源极材料层；漏极材料层，形成于所述源极材料层上方；碳纳米管束阵列，连接于所述源极材料层与所述漏极材料层之间；所述碳纳米管束阵列包括若干分立设置的碳纳米管束单元，其中，所述碳纳米管束单元的轴向第一端与所述源极材料层连接，所述碳纳米管束单元的轴向第二端与所述漏极材料层连接；栅极结构，形成于所述碳纳米管束阵列中各个碳纳米管束单元之间，且所述栅极结构与所述源极材料层之间通过第一绝缘层隔离，所述栅极结构与所述漏极材料层之间通过第二绝缘层隔离；其中，所述栅极结构包括栅极介质层及栅极材料层，所述栅极介质层包围所述碳纳米管束单元的外侧面，所述栅极材料层包围所述栅极材料层外侧面。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管束场效应晶体管阵列，其特征在于，包括：源极材料层；漏极材料层，形成于所述源极材料层上方；碳纳米管束阵列，连接于所述源极材料层与所述漏极材料层之间；所述碳纳米管束阵列包括若干分立设置的碳纳米管束单元，其中，所述碳纳米管束单元的轴向第一端与所述源极材料层连接，所述碳纳米管束单元的轴向第二端与所述漏极材料层连接；栅极结构，形成于所述碳纳米管束阵列中各个碳纳米管束单元之间，且所述栅极结构与所述源极材料层之间通过第一绝缘层隔离，所述栅极结构与所述漏极材料层之间通过第二绝缘层隔离；其中，所述栅极结构包括栅极介质层及栅极材料层，所述栅极介质层包围所述碳纳米管束单元的外侧面，所述栅极材料层包围所述栅极材料层外侧面。2.根据权利要求1所述的碳纳米管束场效应晶体管阵列，其特征在于：所述碳纳米管束场效应晶体管阵列还包括基底及形成于所述基底上的第三绝缘层，所述源极材料层形成于所述第三绝缘层上。3.根据权利要求1所述的碳纳米管束场效应晶体管阵列，其特征在于：所述碳纳米管束单元的轴向与所述源极材料层所在平面之间的角度为80°～100°。4.根据权利要求1所述的碳纳米管束场效应晶体管阵列，其特征在于：所述碳纳米管束单元的高度大于100μm。5.根据权利要求1所述的碳纳米管束场效应晶体管阵列，其特征在于：所述栅极介质层采用高K介质，所述栅极材料层包括金属材料。6.根据权利要求1所述的碳纳米管束场效应晶体管阵列，其特征在于：所述源极材料层与漏极材料层均包括金属材料。7.一种碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：提供一基底，在所述基底上依次形成第三绝缘层、源极材料层及第一绝缘层；S2：在所述第一绝缘层中形成通孔阵列；所述通孔阵列包括若干分立设置的通孔，所述通孔暴露出所述源极材料层上表面；S3：基于所述通孔阵列形成碳纳米管束阵列；所述碳纳米管束阵列包括若干与所述通孔位置相对应的碳纳米管束单元，其中，所述碳纳米管束单元的轴向第一端与所述源极材料层连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖德元，
申请(专利权)人：上海新昇半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31