碳纳米管场效应晶体管半导体器件及其制造方法技术

本发明专利技术公开碳纳米管场效应晶体管半导体器件及其制造方法。本发明专利技术提供一种自对准碳纳米管场效应晶体管半导体器件，包括沉积在衬底（１０２）上的碳纳米管（１０４）、分别形成在该碳纳米管（１０４）的第一端和第二端的源极和漏极（１０６－１０７）、以及基本形成在该碳纳米管（１０４）的一部分上并通过介电膜（１１１）与该碳纳米管隔开的栅极（１１２）。本发明专利技术还提供该碳纳米管场效应晶体管半导体器件的形成方法。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及场效应晶体管，并且更加特别地涉及碳纳米管场效应晶体管。
技术介绍
在分子纳米电子(molecular nanoelectronics)领域，很少有材料表现得如纳米 管一般充满希望，特别是碳纳米管，其包括埃量级直径的石墨中空圆筒。依赖纳米管的电学 特性，纳米管可以应用于诸如二极管和晶体管的电子器件中。纳米管的尺寸、形状和物理性 质是独特的。结构上，碳纳米管类似于卷成圆筒的碳六角形点阵。除了在低温下展现出引人注目的量子行为以外，碳纳米管还表现出至少两种重要 特性根据其空间螺旋特性(即构象几何)，纳米管可以是金属性的或半导体性的。金属性 的纳米管可以以固定的电阻率承载极大的电流密度。半导体性的纳米管可以如场效应晶体 管(FET)般电导通和截止。这两种类型可以共价结合(共享电子)。这些特性指出了纳米 管是用于制造纳米尺寸半导体电路的优良材料。另外，碳纳米管是一维电学导体，即仅以一维量子力学模式承载电流。对于碳纳米 管基晶体管的器件性能，这可以成为明显的优点，因为材料中的散射得到明显抑制。更少的 散射意味着更好的器件性能。对于三端器件，诸如FET，栅极(第三端子)需要与电性有源沟道区以及源极和漏 极隔离开。为此，可以使用介电材料，例如二氧化硅。为了改善硅器件中的器件特性，可以 减小这一层的厚度。这种减小增加了栅极电容并改善了栅极与沟道的耦合。对于标准的硅 场效应器件，栅极电容的大小与介电膜的厚度成反比。对于目前制造的高性能处理器，SiO2 的厚度小于4nm。值得注意的是，很难实现进一步的减小，因为通过介电膜的栅极泄漏对于 厚度在4nm以下的氧化物成指数形式增大。然而，碳纳米管晶体管的栅极电容并不与介电膜的厚度成反比。相反，碳纳米管遵 循对数比例的规则。与标准的硅场效应晶体管相比，碳纳米管晶体管的栅极电容可以更大， 应为这些对象的圆筒形几何形状。尚无已知的系统或方法在FET中应用纳米管以获得性能和更小的尺寸。因此，需 要制备纳米管基FET的系统及方法。
技术实现思路
根据本专利技术一实施例，提供一种自对准碳纳米管场效应晶体管半导体器件。该器件包括沉积在衬底上的碳纳米管、形成在该碳纳米管第一端和第二端处的源极和漏极、以 及基本(substantially)形成在该碳纳米管的一部分上并通过介电膜与该碳纳米管分开 的栅极。该衬底包括沉积在硅衬底上的热氧化物。该热氧化物约150纳米厚。该栅极还通过氧化层与该碳纳米管分开。该栅极的一部分通过氮化物间隔壁与该 源极和漏极分开。该器件还包括器件上的钝化介电层。该器件包括衬底中的对准标记，该源极和漏极与该对准标记对准。该栅极包围(wrap)该介电膜和该碳纳米管，从而与该碳纳米管的背侧接触。根据本专利技术一实施例，提供一种碳纳米管场效应晶体管半导体器件。该器件包括 被包围在介电材料中的垂直碳纳米管、分别形成在该碳纳米管的第一侧和第二侧上的源极 和漏极、通过其形成每个该源极和漏极的连接带(bandstrap)从而将包围在介电材料中的 该碳纳米管连接至该源极和漏极的双层氮化物复合体(bilayer nitride complex)、以及 基本形成在该碳纳米管的一部分上的栅极。该器件包括碳纳米管基部处的金属催化剂。根据本专利技术的一个实施例，提供一种用于形成自对准碳纳米管场效应晶体管半导 体器件的方法。该方法包括在热氧化物衬底上沉积纳米管，其中该衬底包括对准标记；在 该纳米管的每个端部处形成金属触点，其中第一金属触点为源极而第二金属触点为漏极； 以及在该器件上沉积非晶硅层。该方法还包括在每个金属触点的相对侧面上形成氮化物 间隔壁；在该器件上沉积高k介电膜；氧化该非晶硅；以及基本在该源极与漏极之间、并且 在该纳米管上方形成栅极。该方法包括在该器件上沉积钝化电介质。该纳米管为单壁纳米管。该金属触点使用光致抗蚀剂形成。根据本专利技术一实施例，提供一种用于形成自对准碳纳米管场效应晶体管半导体器 件的方法。该方法包括在热氧化物衬底上沉积纳米管，其中该衬底包括对准标记；通过反 应离子蚀刻在纳米管的每个端部处形成金属触点，其中第一金属触点为源极而第二金属触 点为漏极；以及在每个金属触点的相对侧面上形成氮化物间隔壁。该方法还包括在该器 件上沉积高k介电膜；以及基本在该源极与漏极之间、且在该纳米管上方形成栅极。 该方法包括在该器件上沉积钝化电介质。根据本专利技术一实施例，提供一种用于形成自对准碳纳米管场效应晶体管半导体器 件的方法。该方法包括在热氧化物衬底上沉积纳米管，其中该衬底包括对准标记；以及在 该纳米管的每个端部上形成非晶硅柱。该方法还包括利用一层氧化物隔离该非晶硅柱； 在非晶硅柱之间形成栅极介电层；以及基本在该非晶硅柱之间、且在该纳米管上形成栅极。 该方法包括在该栅极上形成氮化物层；在该栅极的每一侧上形成氧化物间隔壁；以金属 触点取代非晶硅，其中第一金属触点为源极而第二金属触点为漏极；以及在该器件上沉积 钝化电介质。根据本专利技术另一实施例，提供一种用于形成自对准碳纳米管场效应晶体管半导体器件的方法。该方法包括在热氧化物衬底上沉积金属催化剂；在该器件上沉积低温氧化 物层；穿过该氧化物、金属催化剂，进入该金属催化剂下面的热氧化物中蚀刻出沟槽；以及 蚀刻该低温氧化物层从而形成氧化物岛。该方法还包括剥落暴露的金属催化剂；在氧化 物岛下的金属催化剂之间生长纳米管；以及将纳米管包围在栅极电介质中。该方法包括 在氧化物岛的相对的表面上形成氮化物间隔壁；通过化学气相沉积基本在氧化物岛之间、且在纳米管上形成栅极；以及在该器件上沉积钝化电介质。根据本专利技术一实施例，提供一种用于形成自对准碳纳米管场效应晶体管半导体器 件的方法。该方法包括从形成在半导体器件表面上的金属催化剂垂直地生长纳米管；形 成氮化物块结构(block structure)；以及将纳米管包围在栅极电介质中。该方法包括沉 积栅极金属，其通过该电介质与金属催化剂隔开；沉积氮化物层；以及形成由该氮化物层 封盖的栅极金属柱。该方法在所述柱周围形成氮化物间隔壁；基本在该些柱之间沉积漏极 金属，其通过该介电层与栅极金属隔开；以及在该器件上沉积钝化电介质。附图说明下面将参照附图更加详细地介绍本专利技术的优选实施例图Ia至Ii示出了根据本专利技术一实施例的第一碳纳米管场效应晶体管的源极/漏 极；图2a至2b示出了根据本专利技术一实施例的第一碳纳米管场效应晶体管的另一源极 /漏极；图3a至3g示出了根据本专利技术一实施例的第一碳纳米管场效应晶体管的栅极；图4a至4d示出了根据本专利技术一实施例的包括在适当位置生长的纳米管的碳纳米 管场效应晶体管；图5a至5η示出了根据本专利技术一实施例的包括在适当位置垂直生长的纳米管的碳 纳米管场效应晶体管；以及图6a至6b示出了根据本专利技术一实施例的纳米管的定向组装。 具体实施例方式根据本专利技术一实施例，场效应晶体管(FET)的栅极、源极和漏极是自对准的，由此 减小交叠电容。根据本专利技术一实施例，可使用通过剥离蚀刻(lift-off etch)的图案转移来制造 碳纳米管FET，其中源极和漏极在栅极之前形成。参照图Ia至li，在热氧化物102和硅衬 底103中形成对准标记101。对准标记101是定位图案时可用作参照的高精度部件。在硅 103上沉积热氧化物102。硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自对准碳纳米管场效应晶体管半导体器件，包括：沉积在衬底上的碳纳米管；形成在该碳纳米管的第一端的源极；形成在该碳纳米管的第二端的漏极；以及形成在该碳纳米管的一部分上，通过介电膜与该碳纳米管隔开的栅极，其中该栅极包围在该介电膜和该碳纳米管周围，从而与该介电膜和该碳纳米管的叠层的背侧接触。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：乔尔格阿彭泽勒，佩登阿沃里斯，凯文K钱，菲利普G科林斯，理查德马特尔，汉森P黄，
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]