垂直碳纳米管场效应晶体管制造技术

一种场效应晶体管，它采用垂直取向的碳纳米管作为晶体管本体，借助于垂直窗口内的淀积来形成纳米管，利用几个纳米管的可选平行组合来产生量子化的电流驱动，并利用顶部或底部处碳材料化学组成的可选改变来抑制短沟道效应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的领域是集成电路制造，确切地说是用碳纳米管以提供FET本体制作场效应晶体管(FET)。
技术介绍
已经证实具有适当分子结构的碳纳米管可以用作半导体。已经进行了一些尝试，以便用碳纳米管作为晶体管的本体来制造FET。在生产具有完全受控的沟道长度的FET的这些尝试中，存在着一些问题。如本
熟练人员所知，沟道长度的变化影响着晶体管的电容，从而影响着晶体管动作的时刻。而且，由于难以操纵碳纳米管以及难以控制平行于晶片/衬底表面的碳纳米管生长，故栅通常是硅晶片/衬底，且绝缘体是生长在硅晶片表面上的氧化物。这些尝试的结果虽然演示了碳纳米管可以被用作晶体管本体，但主要是生产实验性器件，不适合于大规模生产。基于碳纳米管的FET的潜在好处在于它们具有约为5-50nm的非常小的直径，从而在理论上能够被非常紧密地组装。紧密的组装具有提高器件密度的非常大的潜在好处，这是一种高度期望的结果。
技术实现思路
本专利技术涉及到以垂直碳纳米管作为晶体管本体的FET。本专利技术的特点是采用淀积的导电材料层作为晶体管的栅，从而建立不依赖于光刻的对沟道长度的严格控制。本专利技术的另一特点是在栅层中形成窗口，随之以在窗口壁上淀积栅绝缘体，并在窗口内淀积纳米管。本专利技术的另一特点是采用横向导电层作为晶体管的源和漏。附图说明图1示出了根据本专利技术的包含完成的碳纳米管FET的集成电路的剖面。图2示出了在对淀积的层进行图形化之前，初始步骤中的同一区域。图3示出了在进行曝光步骤以形成源接触之后的同一区域。图4示出了在通过栅导电层腐蚀通道之后的区域。图5示出了在淀积催化层以促进所希望的分子结构在纳米管内形成之后的区域。图6示出了形成栅绝缘体之后的区域。图7示出了在窗口内形成碳纳米管之后的区域。图8示出了淀积包围此FET结构的绝缘层之后的区域。图9示出了形成晶体管源、漏、栅接触之后的区域。具体实施例方式图1示出了根据本专利技术的完成了的垂直碳纳米管FET 100。整个结构位于衬底10，示例性是通常用于集成电路制造的硅晶片上。除非电路的其它部分采用了硅晶体管或利用硅的众所周知的特性的其它结构，一般并不要求硅。有利的是，硅晶片容易得到且具备非常高的平坦度。如果要优选，则诸如玻璃之类的其它衬底材料也可以采用。可选的绝缘层20，示例性是氧化硅(SiO2)，用来提供被制作的晶体管与晶片其它部分之间的隔离。若衬底是绝缘的，则可以不需要层20。导体30，示例性是掺杂的多晶硅，被用来提供接触和晶体管的一个电极。为便于说明，所示结构中的此层和其它层被示为延伸跨越附图。商业实施方案可能对各种水平层进行图形化以节省空间和提高电路中的器件密度。层50，示例性是诸如氧化物或氮化物(Si3N4)之类的绝缘体，在图的中心处提供了源30与栅60之间的隔离。如下面要讨论的那样，栅60和下方各层具有高的平坦度，致使层60的厚度在整个电路上非常均匀。厚度的均匀性转变为器件中沟道长度的均匀性。在图的左边，碳纳米管110垂直延伸，被栅绝缘体65分隔于栅层60。在层60上方，绝缘层70是层50的对应物，将栅电极分隔于漏电极。漏电极82与栅60上方的管110的顶部形成电接触，是为FET的漏。为了便于说明，源、漏、栅的3个接触被示为通过同一平面。在实际的器件中，由于各种设计选择的结果，这些接触会被定位成例如使封装密度最大和使源或漏与栅之间的电容最小。器件设计者于是可以选择延伸到图的左边或延伸在纸面内或延伸出纸面外的各种电极。图2示出了本专利技术实践的起始结构，其中，硅衬底10已经配备有示例性是氧化硅(SiO2)的绝缘层20、示例性为掺杂的多晶硅(poly)的将成为晶体管的源的导电层30、示例性为另一氧化物或氮化物(Si3N4)层的第二个比较薄的绝缘层50、示例性为多晶硅的栅导电层60、以及第二绝缘层70。至少直到层60的顶部的结构的各个层，最好已经被例如化学机械抛光方法整平过。如下面要讨论的那样，晶体管的沟道长度将由栅导电层60的厚度设定，致使此层的厚度变化将引起沟道长度的相应变化。下方各层的厚度变化也会产生沟道长度的变化。各个图本质上是部分地图解性的和部分地示意性的。图中所示的厚度是为了便于说明而选择的，不一定反映各个层的实际相对尺度。由于层50和70将晶体管沟道分隔于源和漏电极且用来限制晶体管提供的电流，故层50和70最好比较薄，与提供适当的绝缘程度一致。图3示出了工艺的下一步骤，其中，标准的光刻和腐蚀技术已经被用来形成将要被用作电极接触的二个台阶。右边源接触的位置用参考号31表示。上方往左相应的位置61已经为栅接触形成。图4示出了碳纳米管位置的准备。通道64已经被形成穿过绝缘体70、栅电极60、以及绝缘体50，渗透到层30足以建立良好的接触，并使随后要淀积的催化材料具有低于绝缘层50底部表面的顶部表面。图5示出了可选的催化剂34淀积，已经发现催化剂启动了正确分子结构的碳纳米管的生长。若源层30的材料适合于生长碳纳米管，则可以省略催化剂。在建立半导体材料的情况下，适合的催化材料是Ni、Co、Fe、或这些金属的硅化物。材料被示例性地用CVD或PVD工艺来淀积。然后用湿法腐蚀或各向同性干法腐蚀方法来从层50的内表面清除催化材料，以便确保催化剂的残留量不使源电极至栅短路。若催化剂是良好的绝缘体，则可以省略这一最后步骤。图6示出了在窗口64的内表面上形成栅绝缘层65的结果。当栅层60是多晶硅时，通常是对窗口64的内表面进行热氧化来形成栅绝缘体65。若催化剂无法忍受氧化温度，则可以在氧化和定向反应离子刻蚀(RIE)以便在窗口64的底部处形成清洁的表面之后，再进行淀积。本
的熟练人员知道其它的一些变通方法，例如在栅导电材料不形成适当的氧化物或若氧化温度对催化剂来说太高的情况下，可以在较低温度下在窗口内淀积氮化物栅绝缘体或其它绝缘材料。淀积的栅绝缘体的优点在于，此栅绝缘体将连续地向上延伸通过栅的顶部并进入到绝缘体70内部，从而防止了栅与碳之间的任何短路。图7示出了形成碳纳米管110之后的结构，示为稍许向上延伸到绝缘体70的顶部以上。借助于使C2H2+N2发生反应来示例性地形成碳纳米管。图8示出了淀积氮化物势垒层75和BPSG层间介质120之后的结构。再回头参照图1，示出了形成到源、栅、碳的通道以及以用于电路的导电互连例如铜来填充通道的结果。图1中的括号132和134表示平行连接在相同的源与漏之间且受相同的栅控制的额外纳米管的位置。本
的熟练人员知道，可以借助于根据被驱动的负载而平行连接二种或多种纳米管，来制作具有分立电流容量的晶体管。常规的后端工艺形成了完成电路所要求的其它互连层。本
熟练人员可以理解的是，目前的技术使得栅层能够被形成为具有5-200nm范围的厚度以及约为2-5％，3σ的公差。这与使用光刻技术相比，在电路上提供了更为均匀的晶体管沟道长度。绝缘层50和70的厚度最好小于5-50nm，以便降低一段电阻较高的材料与晶体管电极串联所产生的作用。窗口64的直径最好约为5-70nm，且碳纳米管的壁厚度最好约为2-50nm。如有需要，可以改变与源和/或漏接触相遇的碳纳米管端部处的化学组成，从而产生相同于目前利用平面FET中所用的LDD和边环注入所实现的好处(例如抑制短沟道效应)。由于晶体管本体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制作具有碳纳米管中的沟道的垂直场效应晶体管的方法，此方法包含下列步骤：在衬底上形成第一导电层；在所述第一导电层上形成第一绝缘层；以及在所述第一绝缘层上形成栅层；穿过所述栅层和所述第一绝缘层形成具有基本上垂直的内壁的窗口，所述窗口的底部暴露所述第一导电层；在所述窗口的所述壁上形成绝缘衬里；在所述窗口中形成半导体碳纳米管，所述碳纳米管的底部与所述第一导电层电接触；以及在所述碳纳米管的顶部上形成电接触。

【技术特征摘要】
US 2004-1-7 10/707,7261.一种制作具有碳纳米管中的沟道的垂直场效应晶体管的方法，此方法包含下列步骤在衬底上形成第一导电层；在所述第一导电层上形成第一绝缘层；以及在所述第一绝缘层上形成栅层；穿过所述栅层和所述第一绝缘层形成具有基本上垂直的内壁的窗口，所述窗口的底部暴露所述第一导电层；在所述窗口的所述壁上形成绝缘衬里；在所述窗口中形成半导体碳纳米管，所述碳纳米管的底部与所述第一导电层电接触；以及在所述碳纳米管的顶部上形成电接触。2.根据权利要求1的方法，还包含下列步骤穿过所述栅层形成一组至少二个窗口，并将所述窗口组中的碳纳米管组的底部平行连接到所述第一导电层，从而形成具有所述第一导电层中的公共电极和公共栅电极的一组FET。3.根据权利要求1的方法，还包含下列步骤在所述窗口的所述底部上形成催化剂层，使所述催化剂启动半导体碳纳米管的生长。4.根据权利要求1的方法，还包含下列步骤借助于对所述栅层进行热氧化而形成所述绝缘衬里。5.根据权利要求1的方法，还包含下列步骤用化学气相淀积方法形成所述绝缘衬里。6.根据权利要求1的方法，还包含下列步骤在形成纳米管的顶部和底部之一的过程中，将化学成分引入到纳米管材料中，以便在工作过程中产生电效应。7.根据权利要求6的方法，其中，引入所述化学成分，以便在晶体管工作过程中抑制短沟道效应。8.根据权利要求2的方法，还包含下列步骤在所述窗口的所述底部上形成催化剂层，使所述催化剂启动半导体碳纳米管的生长。9.根据权利要求2的方法，还包含下列步骤借助于对所述栅层进行热氧化而形成所述绝缘衬里。10.根据权利要求2的方法，还包含下列步骤用化学气相淀积方法形成所...

【专利技术属性】
技术研发人员：古川俊治，斯蒂芬J霍尔姆斯，马克C哈吉，戴维V霍拉克，查尔斯W考伯格三世，彼德H米切尔，拉里A内斯比特，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]