專利名稱：具有碳納米管溝道的晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有碳納米管溝道的半導(dǎo)體器件及其制造方法，更具體而言，涉及一種具有碳納米管溝道的晶體管及其制造方法。
背景技術(shù)：
碳納米管具有比人的頭發(fā)直徑小一萬倍的直徑，但比鋼更堅固，具有半導(dǎo)體和金屬的特性，且具有比硅更好的性能。而且，由于碳納米管在室溫具有比硅的遷移率高七十倍的遷移率，碳納米管可以克服硅材料的缺點，例如，硅材料的高噪聲水平。
由于這些特性，碳納米管已經(jīng)廣泛地用于半導(dǎo)體器件、平板顯示器、電池、超強纖維、生物傳感器、TV陰極射線管(CRT)等。碳納米管還用作納米鉗，其可以捏放納米物體。
碳納米管的典型的應(yīng)用是碳納米管晶體管，其溝道由碳納米管形成。
在常規(guī)的碳納米管晶體管(下文，稱為常規(guī)晶體管)中，源電極和漏電極與碳納米管溝道一起形成肖特基(Schottky)結(jié)。
因此，通過形成碳納米管的溝道可以實現(xiàn)常規(guī)碳納米管以具有碳納米管的優(yōu)點。
其后，將描述常規(guī)晶體管的問題。
圖1是示出常規(guī)晶體管的電壓電流特性的曲線圖。
在圖1中，第一和第二曲線G1和G2分別代表1.5V和0.9V的漏極電壓的模擬結(jié)果。標(biāo)記□和●分別代表了1.5V和0.9V的漏極電壓的測試結(jié)果。容易地看出模擬結(jié)果和測試結(jié)果基本彼此相同。
可以看出，依據(jù)施加到常規(guī)晶體管的漏電極的電壓的電壓電流特性和圖1所示的曲線沒有不同。
圖2是示出常規(guī)晶體管在0.3V和0.6V的漏極電壓的電壓電流特性。在圖2中，第一和第二曲線G11和G22分別代表0.3V和0.6V的漏極電壓的電壓電流特性。
在圖1和2所示的曲線中，漏電流從漏電流最小的柵電壓的兩側(cè)增加。
在漏電流最小的柵電壓的左側(cè)的漏電流由空穴造成，而在漏電流最小的柵電壓的右側(cè)的漏電流由電子造成。
在普通晶體管的情況中，測量范圍的漏電流由多數(shù)載流子造成，且可以忽略由少數(shù)載流子造成的漏電流，因為其遠小于測量范圍。為此，在普通晶體管中，在超過漏電流最小的電壓的柵電壓下漏電流不增加，但具有最小值。
但是，在圖1和2的常規(guī)晶體管中，在超過漏電流最小的電壓的柵電壓下，漏電流再次增加。
該結(jié)果代表在測量范圍中由空穴和電子造成的漏電流的共存。在測量范圍內(nèi)由相對極性的載流子造成的漏電流的共存意味著由少數(shù)載流子造成的電流具有不能忽略的大值。由少數(shù)載流子造成的漏電流是由一種在漏電流最小的柵電壓下必須不能被測量到的載流子造成的電流。
在常規(guī)的晶體管中，電子和空穴流入溝道作為多數(shù)載流子。因此，漏電流可能增加且可能降低半導(dǎo)體器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有碳納米管溝道的晶體管，其能夠防止少數(shù)載流子流入碳納米管溝道。
本發(fā)明還提供一種制造該晶體管的方法。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供有一種晶體管，包括襯底；第一絕緣層，形成于所述襯底上；第一和第二金屬層，形成于所述第一絕緣層上且彼此分開預(yù)定的距離；碳納米管溝道，形成于所述第一金屬層和第二金屬層之間的所述第一絕緣層上，所述碳納米管溝道具有接觸所述第一金屬層的一側(cè)和接觸所述第二金屬層的另一側(cè)；第二絕緣層，覆蓋所述第一和第二金屬層和所述納米管溝道；以及第一和第二柵電極，形成于所述第二絕緣層上，所述第二絕緣層形成于所述納米管溝道上，所述第一和第二柵電極彼此電絕緣。
所述第二絕緣層可以是具有比所述第一絕緣層的介電常數(shù)高的介電常數(shù)的介電層。
所述第一和第二柵電極可以彼此分開預(yù)定的距離。
第三絕緣層進一步形成于所述第二絕緣層上來覆蓋所述第一柵電極，且所述第二柵電極可以形成于所述第三絕緣層上。所述第一和第二柵電極可以部分地彼此重疊。
第三柵電極可以進一步形成于所述第二絕緣層上，所述第三柵電極從所述第一和第二柵電極絕緣。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供有一種制造晶體管的方法，包括在襯底上形成第一絕緣層；在所述第一絕緣層上形成碳納米管溝道；在所述第一絕緣層上形成第一和第二金屬層，所述第一金屬層接觸所述碳納米管溝道的一側(cè)且所述第二金屬層接觸所述碳納米管溝道的另一側(cè)；在所述第一和第二金屬層和碳納米管溝道上形成第二絕緣層；以及在所述第二絕緣層接觸所述納米管層的區(qū)域上形成第一和第二柵電極，所述第一和第二柵電極彼此絕緣。
所述第一和第二柵電極可以彼此分開預(yù)定的距離形成。
所述形成第一和第二柵電極可以還包括在所述第二絕緣層上形成所述第一柵電極；在所述第二絕緣層上形成第三絕緣層使得所述第一柵電極被覆蓋；以及在所述第三絕緣層上形成第二柵電極使得所述第二柵電極與部分的所述第一柵電極重疊。
可以進一步在所述第二絕緣層接觸所述納米管溝道的區(qū)域上形成第三柵電極，所述第三柵電極與所述第一和第二柵電極絕緣。
依據(jù)本發(fā)明，可以防止少數(shù)載流子流入所述納米管溝道。因此，可以防止當(dāng)多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都流入納米管溝道時產(chǎn)生的漏電流。因此，可以防止晶體管的特性由于漏電流而被降低。


參考附圖，通過詳細描述其示范性實施例，本發(fā)明的以上和其它特征將變得更加顯見，在附圖中圖1是示出常規(guī)碳納米管晶體管的電壓電流特性的模擬和試驗結(jié)果的曲線圖；圖2是示出基于圖1的結(jié)果的常規(guī)碳納米管的電壓電流特性的曲線圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明的第一實施例的碳納米管晶體管的截面圖；圖4是依據(jù)本發(fā)明的第二實施例的碳納米管晶體管的截面圖；圖5是示出圖3和4中示出的碳納米管晶體管的電壓電流特性的曲線圖；圖6到9是示出制造依據(jù)本發(fā)明的第一實施例的圖3的碳納米管晶體管的流程的截面圖；以及圖10到12是示出制造依據(jù)本發(fā)明的第二實施例的圖4的碳納米管晶體管的流程的截面圖。
具體實施例方式
現(xiàn)將參考顯示本發(fā)明的實施例的附圖詳細描述具有碳納米管溝道的晶體管和制造其的方法。在附圖中，為了清晰放大了層和區(qū)域的厚度。
首先，將在以下描述依據(jù)本發(fā)明的晶體管。
第一實施例圖3是依據(jù)本發(fā)明的第一實施例的碳納米管晶體管的截面圖。
參考圖3，碳納米管晶體管(下文，稱為第一晶體管)包括襯底40，且第一絕緣層42形成于襯底40上。優(yōu)選地，第一絕緣層42由具有比第二絕緣層50(將在后描述)的介電常數(shù)低的介電常數(shù)的材料形成。第一絕緣層42可以由SiO2形成。而且，在第一絕緣層42上形成第一金屬層46、第二金屬層48和碳納米管溝道44。第一和第二金屬層46和48分別充當(dāng)源極和漏極。碳納米管溝道44形成于第一絕緣層42上，第一金屬層46和第二金屬層48之間且接觸第一和第二金屬層46和48。而且，第一晶體管包括第二絕緣層50以及第一和第二柵電極52和54。第二絕緣層50充當(dāng)柵極絕緣層。優(yōu)選地，第二絕緣層50由具有比第一絕緣層42的介電常數(shù)高的介電常數(shù)的材料形成。例如，第二絕緣層50可以由ZrO3形成。第二絕緣層50形成于第一和第二金屬層46和48以及碳納米管溝道44上。第一和第二柵電極52和54設(shè)置于碳納米管溝道44的上方且彼此分開預(yù)定的距離。
當(dāng)將預(yù)定的電壓施加到第一晶體管的第一和第二柵電極52和54時，發(fā)生電勢泄漏。即，即使第一和第二柵電極52和54彼此分開預(yù)定的距離，由第一和第二柵電極52和54產(chǎn)生的電勢泄漏到第二絕緣層50與第一和第二柵電極52和54之間，因為第二絕緣層50由具有高介電常數(shù)的材料形成。由于該電勢泄漏，設(shè)置于第一柵電極52和第二柵電極54之間的第二絕緣層50也被由第一和第二柵電極52和54產(chǎn)生的電勢影響。因此，該電勢沒有僅集中于碳納米管溝道44的一區(qū)域上，而是均勻地分布在整個碳納米管溝道44上。
在該狀態(tài)中，施加到第一和第二柵電極52和54的電壓被不同地改變來控制第一和第二柵電極52和54以及碳納米管44之間的肖特基勢壘的傳輸系數(shù)。以該方式，可以控制從第二金屬層48流入碳納米管溝道44的少數(shù)載流子的量(例如，N溝道晶體管情況中的空穴)。
第二實施例圖3和4中相似的附圖標(biāo)記指示相似的元件。
圖4是依據(jù)本發(fā)明的第二實施例的碳納米管晶體管的截面圖。
參考圖4，碳納米管晶體管(下文，稱為第二晶體管)包括在第一絕緣層42上的第一和第二金屬層46和48與碳納米管溝道44。第一絕緣層42可以由氧化硅層或氮化物層形成。第一和第二金屬層46和48以及碳納米管溝道44用第二絕緣層70覆蓋。第二絕緣層70可以由具有比第一絕緣層42的介電常數(shù)高的介電常數(shù)的介電層(例如，氧化鎬層)形成，或可以由具有等于或低于第一絕緣層42的介電常數(shù)的介電常數(shù)的介電層(例如，氧化硅層)形成。第一柵電極72形成于第二絕緣層70的預(yù)定的區(qū)域上。第一柵電極72覆蓋部分的碳納米管溝道44。第一柵電極72可以具有與第一實施例中的第一柵電極相同的設(shè)置(configuration)。第三絕緣層74形成于第二絕緣層70上使得它覆蓋第一柵電極72。第三絕緣層74是具有預(yù)定介電常數(shù)的介電層。盡管第三絕緣層74優(yōu)選地由與第二絕緣層70相同的介電層制成，其可以也不同于第二絕緣層70。第二金屬層48和第一柵電極72之間的第二絕緣層70用第三絕緣層74覆蓋。第二柵電極76形成于第三絕緣層74上。第一和第二柵電極72和76構(gòu)成雙柵電極。優(yōu)選地，第二柵電極76形成于第一柵電極72和第二金屬層48之間。而且，第二柵電極76延伸到第一柵電極72上方，使得部分的第二柵電極76與部分的第一柵電極72重疊。因此，碳納米管溝道44全部用第一和第二柵電極72和76覆蓋。因此，碳納米管溝道44的整個表面面對柵電極72和76。因此，即使當(dāng)?shù)诙^緣層70不像第一實施例那樣具有比第一絕緣層42高的介電常數(shù)，也可以將均勻的電勢施加到碳納米管溝道44。
在該狀態(tài)中，可以獨立地控制施加到第一和第二柵電極72和76的電壓。以該方式，可以防止少數(shù)載流子從充當(dāng)漏極的第二金屬層48流入碳納米管溝道44。
接下來，現(xiàn)將描述第一和第二晶體管的電壓電流特性。
第一和第二晶體管用N溝道晶體管設(shè)置且測量了它們的電壓電流特性。圖5中示出了測量結(jié)果。
在圖5中，第一和第二曲線G31和G32代表當(dāng)施加到第二柵電極54或76的電壓(Vg2)(下文，稱為第二柵極電壓)等于漏極電壓(Vd)時的電壓電流特性，例如，Vd＝0.3V和Vd＝0.6V。將該情況稱為第一例。第三和第四曲線G33和G34代表當(dāng)?shù)诙艠O電壓(Vg2)不同于漏極電壓(Vd)的電壓電流特性。將該情況稱為第二例。具體而言，第三曲線G33代表當(dāng)?shù)诙艠O電壓(Vg2)和漏極電壓(Vd)分別為0.8V和0.3V時的電壓電流特性。第四曲線G44代表當(dāng)?shù)诙艠O電壓(Vg2)和漏極電壓(Vd)分別為0.8V和0.6V時的電壓電流特性。
在第一例中，如從第一和第二曲線G31和G32可見，當(dāng)施加到第一柵電極52或72的電壓(下文，稱為第一柵極電壓)變得高于0V時，漏電流增加，而當(dāng)?shù)谝粬艠O電壓變得低于0V時，漏電流減小。但是，當(dāng)?shù)谝粬艠O電壓小于0V時，漏電流不再增加，而是在第一柵極電壓變得低于預(yù)定電壓時維持預(yù)定的值。
在第二例中，如從第三和第四曲線G33和G34可見，當(dāng)?shù)谝粬艠O電壓變得低于0V時漏電流減小。當(dāng)?shù)谝粬艠O電壓變得小于預(yù)定電壓時，漏電流不再增加，而是維持預(yù)定的值。
在兩種情況中，當(dāng)?shù)谝粬艠O電壓減小時漏電流都不增加。這些結(jié)果表明，防止了少數(shù)載流子(即，空穴)從漏極流入碳納米管溝道。因此，大大減小了可以產(chǎn)生漏電流的可能性。
當(dāng)?shù)谝缓偷诙w管是P溝道晶體管時，可以獲得相對的結(jié)果。
即，在P溝道晶體管的情況中，在將預(yù)定的負電壓施加到第二柵電極54和76以及漏極時，當(dāng)?shù)谝粬艠O電壓變得低于0V時，漏電流逐漸增加。相反，當(dāng)?shù)谝粬艠O電壓變得高于0V時，漏電流減小，且當(dāng)?shù)谝粬艠O電壓變得高于預(yù)定的電壓時，漏電流維持預(yù)定的值。這些結(jié)果表明，防止了少數(shù)載流子(即，電子)從漏極流入碳納米管溝道。
接下來，將在以下描述第一和第二晶體管的制造方法。
首先，現(xiàn)將參考圖6到9描述第一晶體管的制造方法。
參考圖6，第一絕緣層42形成于襯底40上。第一絕緣層42可以由氧化硅層形成，或由具有低介電常數(shù)的介電層形成。碳納米管溝道44形成于第一絕緣層42的預(yù)定區(qū)域上。
參考圖7，第一和第二金屬層46和48形成于第一絕緣層42上。第一金屬層46接觸碳納米管溝道44的一側(cè)而第二金屬層48接觸碳納米管溝道44的另一側(cè)。第一金屬層46和第二金屬層48分別充當(dāng)源極和漏極。
參考圖8，第二絕緣層50形成于第一和第二金屬層46和48以及碳納米管溝道44上。優(yōu)選地，第二絕緣層50由具有比第一絕緣層42的介電常數(shù)高的介電常數(shù)的介電層形成。例如，第二絕緣層50可以由氧化鎬層(ZrO3)形成。
參考圖9，第一和第二柵電極52和54通過光刻形成于第二絕緣層50上。第一和第二柵電極52和54設(shè)置于碳納米管溝道44的上方且可以彼此分開預(yù)定的距離。即使當(dāng)?shù)谝缓偷诙烹姌O52和54彼此分開時，由于第二絕緣層50具有高介電常數(shù)，施加到暴露于第一和第二柵電極52和54之間的碳納米管溝道44的電勢等于施加到第一和第二柵電極52和54下的電勢。
接下來，現(xiàn)將參考圖10到12描述第二晶體管的制造方法。
參考圖10，通過使用制造第一晶體管的方法，在第一絕緣層42上形成第一和第二金屬層46和48以及碳納米管溝道44。然后，形成第二絕緣層70來覆蓋第一和第二金屬層46和48以及碳納米管溝道44。第二絕緣層70可以由氧化硅層形成。而且，第二絕緣層70可以由具有等于或高于第一絕緣層42的介電常數(shù)的介電常數(shù)的介電層形成。另外，第二絕緣層70可以由氮化物層形成。然后，在第二絕緣層70上形成第一柵電極72。第一柵電極72的形成可以包括在第二絕緣層70上沉積導(dǎo)電材料，平面化沉積的導(dǎo)電層的表面；和利用光刻構(gòu)圖平面化的導(dǎo)電層。因此，盡管圖10中的第一柵電極72的頂表面是有臺階的，第一柵電極72的頂表面也可以是平的。優(yōu)選地，在碳納米管44的上方形成第一柵電極72從而覆蓋部分的碳納米管溝道44。
參考圖11，形成第三絕緣層74以覆蓋所得的結(jié)構(gòu)，即，覆蓋第二絕緣層70和第一柵電極72。第三絕緣層74可以由相同于第二絕緣層70的材料形成，或可以由其它材料層形成。
參考圖12，在第三絕緣層74的預(yù)定區(qū)域上形成第二柵電極76。可以利用與第一柵電極72的情況中相同的方式形成第二柵極76。優(yōu)選地，可以形成第二柵電極76來覆蓋第一柵電極72和第二金屬層48之間的碳納米管溝道44。而且，可以將第二柵電極76與部分的第一柵電極72重疊。
可以以相反的順序形成第一和第二柵電極72和76。即，可以在第二絕緣層70上形成第二柵電極76且可以在第三絕緣層74上形成第一柵電極72。而且，可以設(shè)置多于兩個柵電極。
如上所述，依據(jù)本發(fā)明的碳納米管晶體管包括至少兩個彼此絕緣的柵電極，于是，由于襯底和溝道之間的絕緣層與溝道和柵電極之間的絕緣層的不同的介電常數(shù)，該晶體管在溝道的整個區(qū)域中具有均勻的電勢。而且，通過將獨立的電壓施加到柵電極，可以調(diào)整碳納米管溝道與源極和漏極之間的肖特基勢壘的傳輸系數(shù)。因此，防止了少數(shù)載流子流入碳納米管溝道。因此，可以防止當(dāng)多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都流入溝道時產(chǎn)生的漏電流的發(fā)生。因此，可以防止由于該漏電流引起的晶體管的性能降低。
雖然參考其示范性實施例具體顯示和描述了本發(fā)明，然而本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以理解在不脫離由權(quán)利要求所界定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可以作出形式和細節(jié)上的不同變化。
權(quán)利要求
1.一種晶體管，包括襯底；第一絕緣層，形成于所述襯底上；第一和第二金屬層，形成于所述第一絕緣層上且彼此分開預(yù)定的距離；碳納米管溝道，形成于所述第一金屬層和第二金屬層之間的所述第一絕緣層上，所述碳納米管溝道具有接觸所述第一金屬層的一側(cè)和接觸所述第二金屬層的另一側(cè)；第二絕緣層，覆蓋所述第一和第二金屬層和所述納米管溝道；以及第一和第二柵電極，形成于所述第二絕緣層上，所述第二絕緣層形成于所述納米管溝道上，所述第一和第二柵電極彼此電絕緣。
2.如權(quán)利要求1所述的晶體管，其中，所述第二絕緣層是具有比所述第一絕緣層的介電常數(shù)高的介電常數(shù)的介電層。
3.如權(quán)利要求1所述的晶體管，其中，所述第一和第二柵電極彼此分開預(yù)定的距離。
4.如權(quán)利要求1所述的晶體管，還包括第三絕緣層，形成于所述第二絕緣層上來覆蓋所述第一柵電極。
5.如權(quán)利要求4所述的晶體管，其中，所述第二柵電極設(shè)置于所述第三絕緣層上，所述第一和第二柵電極彼此部分地重疊。
6.如權(quán)利要求1所述的晶體管，還包括第三柵電極，形成于所述第二絕緣層上，所述第三柵電極從所述第一和第二柵電極絕緣。
7.一種制造晶體管的方法，包括在襯底上形成第一絕緣層；在所述第一絕緣層上形成碳納米管溝道；在所述第一絕緣層上形成第一和第二金屬層，所述第一金屬層接觸所述碳納米管溝道的一側(cè)且所述第二金屬層接觸所述碳納米管溝道的另一側(cè)；在所述第一和第二金屬層和碳納米管溝道上形成第二絕緣層；以及在所述第二絕緣層接觸所述碳納米管溝道的區(qū)域上形成第一和第二柵電極，所述第一和第二柵電極彼此絕緣。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述第二絕緣層由具有比所述第一絕緣層的介電常數(shù)高的介電常數(shù)的介電層形成。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述第一和第二柵電極彼此分開預(yù)定的距離形成。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述形成第一和第二柵電極還包括在所述第二絕緣層上形成所述第一柵電極；在所述第二絕緣層上形成第三絕緣層使得所述第一柵電極被覆蓋；以及在所述第三絕緣層上形成第二柵電極使得所述第二柵電極與部分的所述第一柵電極重疊。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括在所述第二絕緣層接觸所述碳納米管溝道的區(qū)域上形成第三柵電極，所述第三柵電極所述第一和第二柵電極絕緣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有碳納米管溝道的晶體管和制造其的方法。至少兩個柵電極形成于柵極絕緣層上且彼此絕緣，所述柵極絕緣層形成于碳納米管溝道上。因此，防止了少數(shù)載流子流入碳納米管溝道。因此，可以防止當(dāng)多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都流入碳納米管溝道時產(chǎn)生的漏電流。因此，可以防止由于漏電流引起的晶體管特性的降低。
文檔編號H01L21/336GK1767212SQ20051009952
公開日2006年5月3日 申請日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月13日
發(fā)明者樸玩浚, 鄭炳昊, 裵恩珠, 漢斯·科西娜, 馬迪·福爾法思 申請人:三星電子株式會社