自对准栅结构纳米场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自对准栅结构纳米场效应晶体管及其制备方法，以一维半导体纳米材料作为导电通道，其两端分别是源、漏电极；用原子层沉积方式生长栅介质层，覆盖在源、漏电极之间，以及源、漏电极相对面的侧壁和部分源、漏电极上；在栅介质层上再通过蒸发或溅射方法生长栅电极层，栅介质层和栅电极层的厚度之和小于源、漏电极的厚度，源漏电极之间导电通道上的栅电极通过栅介质侧墙与源、漏电极实现电学隔离。本发明专利技术的自对准结构制作工艺简单、稳定，自由度高，源漏之间的导电通道基本被栅电极覆盖，大大提高了栅对导电通道的控制能力，而且，对于栅介质层和栅电极层的材料无限制，从而可以自由调节器件的阈值电压，满足规模集成电路设计的需要。

【技术实现步骤摘要】
专利
本专利技术涉及场效应晶体管，特别的，涉及基于一维半导体纳米材料构建的自对准场效 应晶体管。
技术介绍
以半导体纳米碳管为基础的纳米电子学具有巨大的应用前景，被认为是最有可能取代 目前以硅为基础的微电子集成电路工艺的技术。通过近十年的研究，人们认识到基于半导 体纳米碳管构建的许多纳米电子器件，特别是场效应晶体管，在功耗、速度和集成度等主 要性能指标方面显示出了明显优于硅基MOSFET的特征。另外，由于碳纳米管场效应晶体 管的极性取决于其源漏电极金属的性质，人们发现，采用金属钯可以与半导体碳管形成对 空穴的欧姆接触，形成高性能的空穴型(p型)场效应晶体管A. Javey, J. Guo, Q. Wang， M. Lundstrom， H. Dai, Nature, 424, 654(2003)，而采用金属钪与半导体碳管形成对空穴的欧姆 接触，形成高性能的电子型(n型)场效应晶体管Zhang， Z. Y.; Liang, X. L.; Wang, S.; Yao, K.; Hu， Y. F,; Zhu, Y Z.; Chen, Q.; Zhou, W. W.; Li， Y.; Yao, Y. G; Zhang, J.; Peng, L. M. Nano Lett. ， 7, 3603 (2007)，因此基于碳纳米管场效应晶体管的集成电路的制造工艺及其简单， 整个过程无需高温和惨杂工艺，这样大大降低了工艺的成本，而工艺成本的急速增加，正 是阻碍当前硅基CMOS工艺进一步发展的重要障碍。晶体管的导电沟道长度(栅长)是一个重要的特征参数，在当前的硅基CMOS工艺中， 正是由于栅长的不断缩减，使得器件和电路的速度、集成度不断提高。对碳纳米管场效应 晶体管，也存在同样的问题，即要提高晶体管的速度、减小其面积，就要不断的縮减其沟 道长度，也就是源漏间距和栅长不断縮减，这使得栅电极和源漏电极之间的光刻套准极为 重要，这种套准要求栅电极正好位于源漏之间，最大限度的覆盖导电沟道，使栅电极对导 电通道的控制效率最大，但又不要与源漏电极有交叠，因为这种交叠会引起较大的寄生电 容，从而导致晶体管工作速度降低，在光刻过程中的套准很难满足这种要求，会大大增加 工艺的难度，降低成品率。因此，采用自对准栅结构是非常有必要的。目前硅基CMOS都 是采用的自对准栅结构，而自对准结构的采用也是硅基CMOS电极能够发展到目前规模的 一个极为重要的因素。同样，要不断縮减碳纳米管场效应晶体管的尺寸，提高集成度，采 用自对准栅结构也是非常有必要的。美国Stanford大学的Dai H J教授研究组专利技术了一种自对准结构的碳纳米管场效应晶 体管Javey, A.; Guo, J.; Farmer, D. B.; Wang, Q.; Wang, D. W.; Gordon, R. G.; Lundstrom， M.; Dai, H. J.NanoLett., 4, 447 (2004)，他们利用原子层沉积(ALD)生长的氧化铪层作为栅 介质层，采用铝作为栅电极，通过加热氧化在铝栅电极侧面形成氧化铝的侧墙，从而将栅 电极和源漏电极隔离开。但是该结构存在着明显的缺点，首先，该结构中源漏电极必须很 薄(典型的小于10纳米)，这使得源漏的接触电阻明显增大，最重要的是，该结构对栅电 极材料有所限制，就是必须选择能够被氧化生成致密氧化层的金属，就是某些低功函数的 金属。这种限制实际上制约了我们调节晶体管的阈值电压。场效应晶体管的阈值电压也是 一个非常重要的参数，由于碳纳米管场效应晶体管不掺杂，因此我们无法象硅基CMOS器 件那样通过改变沟道的掺杂浓度来调节器件的阈值电压，这样，唯一有效的途径就是通过 改变栅电极的功函数来调节阈值电压，就是说我们可以通过选择不同的金属栅电极来调节 晶体管的阈值电压。但是，Dai的自对准结构使其无法自由选择不同功函数的金属作为栅 电极材料。因此， 一种新型的、更稳定、自由度更高、工艺更简单的自对准结构对纳米电 子器件和集成电路的进一步发展有着极为重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种自对准栅结构纳米场效应晶体管及其制备技术，其中，导 电通道为一维半导体纳米材料，栅电极几乎完全覆盖源漏电极之间全部导电通道，并与源 漏电极实现电学隔离。上述目的是通过如下技术方案实现的一种自对准栅结构纳米场效应晶体管，其导电通道是一维半导体纳米材料；导电通道 两端分别是源、漏电极；栅介质层为原子层沉积(ALD)方式生长的氧化物层，覆盖在源、 漏电极之间，以及源、漏电极相对面的侧壁和部分源、漏电极上；而栅电极层是在栅介质 层上通过电子束蒸发或者热蒸发或者磁控溅射的方法生长的一层导电薄膜，栅介质层和栅 电极层的厚度之和小于源、漏电极的厚度，位于源漏电极之间导电通道上的栅电极通过氧 化物侧墙与源、漏电极实现电学隔离。上述一维半导体纳米材料最常用的是碳纳米管，采用高功函数金属(例如钯)作为与 碳纳米管连接的源、漏电极可形成p型场效应晶体管，而采用低功函数金属(例如钪)作 为与碳纳米管连接的源、漏电极可形成n型场效应晶体管。上述源、漏电极的厚度以50 80纳米为宜，而栅介质层的厚度一般在5 15纳米，栅电极层的厚度在5 15纳米。对栅介质层和栅电极层的材料无特殊要求。栅介质层可以是氧化铪、氧化铝、氧化锆、 氧化硅等等任何绝缘层。栅电极层可以根据需要选择任何可通过蒸发或者溅射方式生长的 金属或者其它导电材料，例如金属Ti，形成金属单质薄膜或其它导电薄膜。本专利技术提出的自对准栅结构中，源漏电极要求较陡的侧壁和较大的厚度，可以通过剥离或者刻蚀的方法制备得到，栅介质层为原子层沉积(ALD)生长的氧化物层，而栅电极 是通过电子束蒸发或者热蒸发或者磁控溅射的方法生长的导电薄膜。图1为本专利技术的自对 准栅纳米场效应晶体管的典型结构图，其中，1为一维半导体材料，2和3分别是源和漏 电极，在制作栅堆垛层时，本专利技术针对一维纳米材料的几何特性，利用原子层沉积和蒸发 (或溅射)两种薄膜生长方式的差别，制备了这种纳米场效应晶体管。栅介质层4是通过 原子层沉积的方式生长的，因此会在所有裸露的表面(包括源漏电极的侧壁)上生长一层 厚度均匀的氧化层；而栅电极层通过蒸发(或溅射)的方式生长，该生长方式只能在向上 的平面上生长金属层或其它导电薄膜，因此栅电极在源漏侧墙处自动断开，使得源漏之间 的部分5与源漏电极之上的部分6、 7实际上是断开的，这样大大减小栅和源漏电极的寄 生电容，从而增加了晶体管的开关速度。本专利技术提供的自对准栅结构纳米场效应晶体管的制备方法包括如下步骤-1. 在一维半导体纳米材料上制作源、漏电极；2. 光刻形成栅极形状，其中，栅要覆盖住一部分源、漏电极；3. 通过原子层沉积(ALD)方式生长一层氧化物层作为栅介质层；4. 通过电子束蒸发或者热蒸发或者测控溅射的方法生长一层导电薄膜作为栅电极 层，其中栅介质层和栅电极层的厚度之和小于源、漏电极的厚度；5. 将样品进行剥离，制备出栅极。上述步骤1制作源漏电极的方法一般是，先在一维半导体纳米材料上通过光刻形成源、 漏电极的形状，然后分别蒸镀一层厚的金属层作为源、漏电极层，再通过剥离或刻蚀的方 法去除不需要的金属部分，得到源、漏电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自对准栅结构纳米场效应晶体管，其导电通道是一维半导体纳米材料；导电通道两端分别是源、漏电极；栅介质层为原子层沉积方式生长的氧化物层，覆盖在源、漏电极之间，以及源、漏电极相对面的侧壁和部分源、漏电极上；而栅电极层是在栅介质层上通过电子束蒸发或者热蒸发或者磁控溅射的方法生长的一层导电薄膜，栅介质层和栅电极层的厚度之和小于源、漏电极的厚度，位于源漏电极之间导电通道上的栅电极通过氧化物侧墙与源、漏电极实现电学隔离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭练矛，张志勇，王胜，梁学磊，陈清，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]