專利名稱：碳納米管場效應晶體管半導體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及場效應晶體管，并且更加特別地涉及碳納米管場效應晶體管。
背景技術(shù)：
在分子納米電子(molecular nanoelectronics)領(lǐng)域，很少有材料表現(xiàn)得如納米 管一般充滿希望，特別是碳納米管，其包括埃量級直徑的石墨中空圓筒。依賴納米管的電學 特性，納米管可以應用于諸如二極管和晶體管的電子器件中。納米管的尺寸、形狀和物理性 質(zhì)是獨特的。結(jié)構(gòu)上，碳納米管類似于卷成圓筒的碳六角形點陣。除了在低溫下展現(xiàn)出引人注目的量子行為以外，碳納米管還表現(xiàn)出至少兩種重要 特性根據(jù)其空間螺旋特性(即構(gòu)象幾何)，納米管可以是金屬性的或半導體性的。金屬性 的納米管可以以固定的電阻率承載極大的電流密度。半導體性的納米管可以如場效應晶體 管(FET)般電導通和截止。這兩種類型可以共價結(jié)合(共享電子)。這些特性指出了納米 管是用于制造納米尺寸半導體電路的優(yōu)良材料。另外，碳納米管是一維電學導體，即僅以一維量子力學模式承載電流。對于碳納米 管基晶體管的器件性能，這可以成為明顯的優(yōu)點，因為材料中的散射得到明顯抑制。更少的 散射意味著更好的器件性能。對于三端器件，諸如FET，柵極(第三端子)需要與電性有源溝道區(qū)以及源極和漏 極隔離開。為此，可以使用介電材料，例如二氧化硅。為了改善硅器件中的器件特性，可以 減小這一層的厚度。這種減小增加了柵極電容并改善了柵極與溝道的耦合。對于標準的硅 場效應器件，柵極電容的大小與介電膜的厚度成反比。對于目前制造的高性能處理器，SiO2 的厚度小于4nm。值得注意的是，很難實現(xiàn)進一步的減小，因為通過介電膜的柵極泄漏對于 厚度在4nm以下的氧化物成指數(shù)形式增大。然而，碳納米管晶體管的柵極電容并不與介電膜的厚度成反比。相反，碳納米管遵 循對數(shù)比例的規(guī)則。與標準的硅場效應晶體管相比，碳納米管晶體管的柵極電容可以更大， 應為這些對象的圓筒形幾何形狀。尚無已知的系統(tǒng)或方法在FET中應用納米管以獲得性能和更小的尺寸。因此，需 要制備納米管基FET的系統(tǒng)及方法。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明一實施例，提供一種自對準碳納米管場效應晶體管半導體器件。該器件包括沉積在襯底上的碳納米管、形成在該碳納米管第一端和第二端處的源極和漏極、以 及基本(substantially)形成在該碳納米管的一部分上并通過介電膜與該碳納米管分開 的柵極。
該襯底包括沉積在硅襯底上的熱氧化物。該熱氧化物約150納米厚。該柵極還通過氧化層與該碳納米管分開。該柵極的一部分通過氮化物間隔壁與該 源極和漏極分開。該器件還包括器件上的鈍化介電層。該器件包括襯底中的對準標記，該源極和漏極與該對準標記對準。該柵極包圍(wrap)該介電膜和該碳納米管，從而與該碳納米管的背側(cè)接觸。根據(jù)本發(fā)明一實施例，提供一種碳納米管場效應晶體管半導體器件。該器件包括 被包圍在介電材料中的垂直碳納米管、分別形成在該碳納米管的第一側(cè)和第二側(cè)上的源極 和漏極、通過其形成每個該源極和漏極的連接帶(bandstrap)從而將包圍在介電材料中的 該碳納米管連接至該源極和漏極的雙層氮化物復合體(bilayer nitride complex)、以及 基本形成在該碳納米管的一部分上的柵極。該器件包括碳納米管基部處的金屬催化劑。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供一種用于形成自對準碳納米管場效應晶體管半導 體器件的方法。該方法包括在熱氧化物襯底上沉積納米管，其中該襯底包括對準標記；在 該納米管的每個端部處形成金屬觸點，其中第一金屬觸點為源極而第二金屬觸點為漏極； 以及在該器件上沉積非晶硅層。該方法還包括在每個金屬觸點的相對側(cè)面上形成氮化物 間隔壁；在該器件上沉積高k介電膜；氧化該非晶硅；以及基本在該源極與漏極之間、并且 在該納米管上方形成柵極。該方法包括在該器件上沉積鈍化電介質(zhì)。該納米管為單壁納米管。該金屬觸點使用光致抗蝕劑形成。根據(jù)本發(fā)明一實施例，提供一種用于形成自對準碳納米管場效應晶體管半導體器 件的方法。該方法包括在熱氧化物襯底上沉積納米管，其中該襯底包括對準標記；通過反 應離子蝕刻在納米管的每個端部處形成金屬觸點，其中第一金屬觸點為源極而第二金屬觸 點為漏極；以及在每個金屬觸點的相對側(cè)面上形成氮化物間隔壁。該方法還包括在該器 件上沉積高k介電膜；以及基本在該源極與漏極之間、且在該納米管上方形成柵極。 該方法包括在該器件上沉積鈍化電介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明一實施例，提供一種用于形成自對準碳納米管場效應晶體管半導體器 件的方法。該方法包括在熱氧化物襯底上沉積納米管，其中該襯底包括對準標記；以及在 該納米管的每個端部上形成非晶硅柱。該方法還包括利用一層氧化物隔離該非晶硅柱； 在非晶硅柱之間形成柵極介電層；以及基本在該非晶硅柱之間、且在該納米管上形成柵極。 該方法包括在該柵極上形成氮化物層；在該柵極的每一側(cè)上形成氧化物間隔壁；以金屬 觸點取代非晶硅，其中第一金屬觸點為源極而第二金屬觸點為漏極；以及在該器件上沉積 鈍化電介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明另一實施例，提供一種用于形成自對準碳納米管場效應晶體管半導體器件的方法。該方法包括在熱氧化物襯底上沉積金屬催化劑；在該器件上沉積低溫氧化 物層；穿過該氧化物、金屬催化劑，進入該金屬催化劑下面的熱氧化物中蝕刻出溝槽；以及 蝕刻該低溫氧化物層從而形成氧化物島。該方法還包括剝落暴露的金屬催化劑；在氧化 物島下的金屬催化劑之間生長納米管；以及將納米管包圍在柵極電介質(zhì)中。該方法包括 在氧化物島的相對的表面上形成氮化物間隔壁；通過化學氣相沉積基本在氧化物島之間、且在納米管上形成柵極；以及在該器件上沉積鈍化電介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明一實施例，提供一種用于形成自對準碳納米管場效應晶體管半導體器 件的方法。該方法包括從形成在半導體器件表面上的金屬催化劑垂直地生長納米管；形 成氮化物塊結(jié)構(gòu)(block structure)；以及將納米管包圍在柵極電介質(zhì)中。該方法包括沉 積柵極金屬，其通過該電介質(zhì)與金屬催化劑隔開；沉積氮化物層；以及形成由該氮化物層 封蓋的柵極金屬柱。該方法在所述柱周圍形成氮化物間隔壁；基本在該些柱之間沉積漏極 金屬，其通過該介電層與柵極金屬隔開；以及在該器件上沉積鈍化電介質(zhì)。
下面將參照附圖更加詳細地介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施例圖Ia至Ii示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例的第一碳納米管場效應晶體管的源極/漏 極；圖2a至2b示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例的第一碳納米管場效應晶體管的另一源極 /漏極；圖3a至3g示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例的第一碳納米管場效應晶體管的柵極；圖4a至4d示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例的包括在適當位置生長的納米管的碳納米 管場效應晶體管；圖5a至5η示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例的包括在適當位置垂直生長的納米管的碳 納米管場效應晶體管；以及圖6a至6b示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例的納米管的定向組裝。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明一實施例，場效應晶體管(FET)的柵極、源極和漏極是自對準的，由此 減小交疊電容。根據(jù)本發(fā)明一實施例，可使用通過剝離蝕刻(lift-off etch)的圖案轉(zhuǎn)移來制造 碳納米管FET，其中源極和漏極在柵極之前形成。參照圖Ia至li，在熱氧化物102和硅襯 底103中形成對準標記101。對準標記101是定位圖案時可用作參照的高精度部件。在硅 103上沉積熱氧化物102。硅可以是例如P+摻雜的(0. 01 Ω · cm,約3X 1018cm_3)?？梢栽?熱氧化物102上沉積納米管104，并可以通過光刻定位光致抗蝕劑105。納米管可以以漿料 的形式沉積，其中納米管沉積是隨機的?？梢酝ㄟ^定向組裝來沉積納米管，如下所述。光致 抗蝕劑暴露納米管的端部。在暴露出納米管端部的溝槽中形成金屬觸點106-107。該金屬 可以是例如鈷(Co)、鎳(Ni)、鎢(W)或鈦(Ti)?？梢栽谄骷铣练e金屬，填充暴露出納米 管104的端部的溝槽?？梢詣兟涔庵驴刮g劑105。沉積在溝槽中的金屬形成源極/漏極觸 點106-107。可在器件上沉積非晶硅(a-Si)108?？梢栽赼_Si層上沉積氮化物層109。可 以蝕刻該氮化物從而在金屬觸點106-107的側(cè)面上形成間隔壁，例如110。可以選擇性地去 除或濕法化學氧化非晶硅108?？梢栽谄骷铣练e柵極介電膜111。此處，如下面的方法， 電介質(zhì)可以是二氧化硅以及任何其它高k介電材料，例如，Hf02?？梢酝ㄟ^例如CVD和蝕刻 基本在形成源極和漏極的金屬觸點106-107之間形成柵極112。在器件上沉積鈍化介電層 113。源極、漏極和柵極112自對準于對準標記101。
二者擇一地，可以在形成柵極之前通過反應離子蝕刻(RIE)形成源極/漏極。參 照圖2a至2b，方法首先使用RIE形成源極/漏極106-107，從而限定源極/漏極金屬。RIE 需要與碳納米管104隔離?？梢栽谄骷铣练e氮化物層201，并從圍繞金屬觸點的區(qū)域蝕刻 掉該氮化物層。可以在金屬觸點的側(cè)面上形成氮化物間隔壁，例如202。在器件上沉積柵極 電介質(zhì)203?？梢曰驹谠礃O與漏極106至107之間形成柵極金屬204?？梢栽谄骷铣?積鈍化電介質(zhì)205。熱氧化物可以是約150nm厚。根據(jù)本發(fā)明另一實施例，可以在源極/漏極之前形成柵極?？稍诩{米管104的端部上沉積非晶硅301。可以利用氧化物層302覆蓋a-Si?？梢栽赼_Si (例如301)之間沉 積柵極電介質(zhì)303。可以基本在a-Si柱(例如301)之間形成柵極304。可以在柵極金屬 304上形成氮化物層305。可以在柵極金屬304的端部上形成氧化物間隔壁，例如306?？?以剝落a-Si/氧化物的暴露的角，暴露出a-Si。圍繞柵極金屬的剩余的a-Si可以通過RIE 去除?？梢栽谙惹坝蒩-Si占據(jù)的區(qū)域中沉積金屬觸點307-308。金屬觸點307-308與柵極 電介質(zhì)303和柵極金屬304下面延伸的納米管104連接。金屬觸點307-308形成器件的源 極和漏極。金屬觸點307-308可以與沉積在熱氧化物102和硅襯底103中的對準標記101 對準?？梢栽谄骷铣练e鈍化電介質(zhì)309。根據(jù)本發(fā)明一實施例，可以在適當位置(in place)生長碳納米管FET。源極/漏 極可以在柵極之前形成。在熱氧化物層102上沉積非晶硅層401。可以在金屬催化劑上沉 積低溫氧化物(LTO)層402。可以由氧化物402、非晶硅401和熱氧化物102中蝕刻出溝槽。 非晶硅401可以從氧化物402下方被部分底切(under cut)。可以在底切的非晶硅膜401 的邊緣上自組裝金屬催化劑401B，例如Fe、Co、Ni或Fe/Mo?？梢栽诮饘俅呋瘎?01B的剩 余部分之間生長碳納米管403，其中，一部分納米管懸在熱氧化物102上方?？梢酝ㄟ^化學 氣相沉積(CVD)沉積柵極介電膜404，包圍納米管403。由此，可以完全以柵極電介質(zhì)(例 如SiO2)覆蓋納米管403?？梢栽谘趸?例如402)的側(cè)面上形成間隔壁，例如405?？?以基本在氧化物(例如402)之間形成柵極406。若熱氧化物102中的蝕刻足夠深，則柵極 金屬406可以圍繞整個納米管403和介電膜404疊層。為此，可以借助化學氣相沉積來沉 積柵極金屬，從而覆蓋納米管/介電膜疊層的背側(cè)。包圍構(gòu)造提供了良好的柵極與納米管 耦合(gate-to-nanotube coupling)?？梢栽谄骷谋砻嫔铣练e鈍化電介質(zhì)406。根據(jù)本發(fā)明另一實施例，可以在適當位置垂直生長碳納米管。納米管可以從例如 基體處的金屬源或金屬粒子催化劑垂直生長。參照圖5a至5η，可以在硅襯底502上形成金 屬催化劑501?？梢栽谄骷铣练e第一層氮化物503?？梢栽诘谝粚拥?03上沉積氧 化物層504。可以在氧化物504上沉積第二層氮化物505?？梢酝ㄟ^光刻在器件上形成光 致抗蝕劑，例如506，其中暴露出金屬催化劑501。在器件上沉積多個第二金屬催化劑，例如 507?？梢詣兟涔庵驴刮g劑，例如506，使得形成在第一金屬催化劑501上的第二催化劑(例 如507)保留下來。可以自每個第二金屬催化劑(例如507)垂直生長納米管，例如508。由 此，可以形成納米管的二維和三維陣列。納米管的垂直生長發(fā)生在金屬粒子催化劑位于垂直于襯底排列的孔中時。在此情 況下，用于生長的空間受到限制，并迫使管的生長沿著垂直方向。具體而言，如圖5b中的垂 直孔可以使用抗蝕劑和圖案轉(zhuǎn)移來形成。可以在器件上沉積非晶硅層509?？梢韵蛳缕教够骷恋诙飳?05?？梢詮钠骷先コ?氧化物-氮化物層503至505的一部分。圍繞納米管(例如508)和金屬催化劑501和507的柱體保留了下來。可以在氮化物層505、納米管508、以及a_Si 509上形成犧牲層510。接觸層可以是例如鈦或鎢?？梢詮牡飳?03與505之間去除 氧化物層504?？梢詮募{米管(例如508)周圍，與氧化物層504同時蝕刻掉a-Si 509?；?者，可以在已經(jīng)去除了氧化物層504后去除a-Si 509。可以在納米管(例如508)周圍、金 屬催化劑501上面和犧牲層510下面形成柵極電介質(zhì)，例如511?；蛘撸瑢τ诩{米管二維陣 列，柵極電介質(zhì)511可以沉積在納米管之間?？梢酝ㄟ^例如蝕刻去除犧牲層510?？梢栽谄?件表面上面沉積柵極金屬512?？梢栽跂艠O金屬512上沉積第三氮化物層513?？梢匀コ?部分柵極金屬512和第三氮化層513。柵極金屬和氮化物間隔壁(例如512和513)的柱體 保留在金屬催化劑-納米管結(jié)構(gòu)的周圍。氮化物間隔壁(例如514)形成在每個柱體周圍。 可以在金屬催化劑_納米管結(jié)構(gòu)上形成漏極515，由此形成FET?？梢栽贔ET之間沉積鈍化 電介質(zhì)516。應注意，納米管自金屬催化劑的生長的確切機理目前未知。然而，由金屬催化劑 (例如氧化鋁支撐鉬(Mo)顆粒上的鈷(Co))生長單壁納米管的工藝可以按多種方式實施。根據(jù)本發(fā)明一實施例，納米管可通過定向組裝(directed assembly)而非上述 的沉積或生長的方法而被放置在適當位置。使用通過化學或物理工藝驅(qū)動的選擇性沉 積，定向組裝可用于納米管的水平和垂直沉積。選擇性沉積可包括形成附著層或起受體 (receptor)作用的化學基，從而促進在給定位置的管的所需沉積。圖6a和6b分別示出 了用于水平和垂直定向組裝的方法?？梢灾苽湓诿恳欢税A定化學基602 (例如DNA鏈 (strand)或硫醇基)的納米管601?？梢詫⒓{米管601置于包括受體604的襯底603的附 近，例如在使用DNA的情況下，可使用互補的DNA鏈。在使用硫醇基(thiol group)時，可 以構(gòu)造金粒子或包括金的接觸形狀，從而與納米管601的化學基602結(jié)合。由此可以根據(jù) 定向組裝將納米管601置于襯底603上。為改善高k介電膜的性能，具有高介電常數(shù)的介電膜可以用作柵極絕緣體。碳納 米管FET的電容不隨介電膜的厚度明顯改變，由此，難以實現(xiàn)期望的電容，即使使用薄的柵 極介電膜。關(guān)于這一點，氧化鋁Al2O3 (k = 9)以及氧化鉿(HfO2) (k = 20)是有希望的候選 者?？梢匝趸疌VD-鋁從而產(chǎn)生高k柵極電介質(zhì)，或可以直接沉積CVD-Al2O3(HfO2)t5與SiO2 相比，這些材料將柵極電容提高達5倍，并且與減小介電膜厚度相比可以對器件性能產(chǎn)生 更大作用。由于納米管在大氣環(huán)境中為PFET，而退火后在真空和諸如氬(Ar)的惰性氣體中 變?yōu)閚FET，因此可以在增加介電膜的沉積前將器件退火。這樣將管轉(zhuǎn)變?yōu)閚FET。利用電介 質(zhì)將其封蓋在原位還防止了管再次變?yōu)镻FET。對于互補技術(shù)，應轉(zhuǎn)化為pFET的FET上的介 電膜可以局部地去除，也允許該FET被摻雜。低溫下的CVD沉積再次覆蓋這些器件(之前 無需額外的退火步驟)。由于所有結(jié)構(gòu)(pFET和nFET)都以氧化物(或任何其它適合的介電膜)覆蓋，所 以在制造柵極電極時不產(chǎn)生短路。CVD可以用于柵極的沉積。對如圖4和5所述的制造過 程使用化學氣相沉積，可以確保已經(jīng)包圍在介電膜中的納米管完全被金屬柵極圍繞。這對 于良好的柵極與納米管耦合會是重要的。在需要時，可以構(gòu)圖和去除柵極金屬?？梢詾殡?連接而露出源極和漏極電極。以上已經(jīng)介紹了碳納米管FET及其制造方法的優(yōu)選實施例，注意，本領(lǐng)域技術(shù)人員在上述教導的啟發(fā)下可進行改動和變化。因此應理解，可以對所公開的本發(fā)明的特定實 施例在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍和實質(zhì)內(nèi)進行改動。對于由此以細節(jié)和專利法 所需的特定內(nèi)容介紹的本發(fā)明，專利文件所要求和期望保護的，在所附權(quán)利要求中列示。
權(quán)利要求
一種自對準碳納米管場效應晶體管半導體器件，包括沉積在襯底上的碳納米管；形成在該碳納米管的第一端的源極；形成在該碳納米管的第二端的漏極；以及形成在該碳納米管的一部分上，通過介電膜與該碳納米管隔開的柵極，其中該柵極包圍在該介電膜和該碳納米管周圍，從而與該介電膜和該碳納米管的疊層的背側(cè)接觸。
2.—種碳納米管場效應晶體管半導體器件，包括 包圍在介電材料中的垂直碳納米管；形成在該碳納米管的第一側(cè)的源極； 形成在該碳納米管的第二側(cè)的漏極；雙層氮化物復合體，通過該雙層氮化物復合體形成每個該源極和漏極的連接帶，將包 圍在該介電材料中的該碳納米管連接至該源極和漏極；以及 形成在該碳納米管的一部分上的柵極。
3.如權(quán)利要求2所述的碳納米管場效應晶體管半導體器件，還包括該碳納米管的基部 處的金屬催化劑。
4.一種形成自對準碳納米管場效應晶體管半導體器件的方法，包括步驟 在熱氧化物襯底上沉積金屬催化劑；在該器件上沉積低溫氧化物層；穿過該氧化物、金屬催化劑，并進入該金屬催化劑下面的熱氧化物中蝕刻出溝槽；蝕刻該低溫氧化物層，從而形成氧化物島；剝落暴露的金屬催化劑；在該氧化物島下的金屬催化劑之間生長納米管；將該納米管包圍在柵極電介質(zhì)中；在該氧化物島的相對的表面上形成氮化物間隔壁；通過化學氣相沉積在該氧化物島之間、以及在該納米管上面形成柵極；以及在該器件上沉積鈍化電介質(zhì)。
5.一種形成自對準碳納米管場效應晶體管半導體器件的方法，包括步驟 自形成在該半導體器件的表面上的金屬催化劑垂直地生長納米管； 形成氮化物塊結(jié)構(gòu)；將該納米管包圍在柵極電介質(zhì)中； 沉積柵極金屬，其通過該柵極電介質(zhì)與該金屬催化劑隔開； 沉積氮化物層；形成由該氮化物層封蓋的柵極金屬柱； 在所述柱周圍形成氮化物間隔壁；在該些柱之間沉積漏極金屬，其通過該介電層與該柵極金屬隔開；以及 在該器件上沉積鈍化電介質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開碳納米管場效應晶體管半導體器件及其制造方法。本發(fā)明提供一種自對準碳納米管場效應晶體管半導體器件，包括沉積在襯底(102)上的碳納米管(104)、分別形成在該碳納米管(104)的第一端和第二端的源極和漏極(106-107)、以及基本形成在該碳納米管(104)的一部分上并通過介電膜(111)與該碳納米管隔開的柵極(112)。本發(fā)明還提供該碳納米管場效應晶體管半導體器件的形成方法。
文檔編號H01L51/05GK101807668SQ20101012625
公開日2010年8月18日 申請日期2003年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月20日
發(fā)明者喬爾格·阿彭澤勒, 佩登·阿沃里斯, 凱文·K·錢, 漢森·P·黃, 理查德·馬特爾, 菲利普·G·科林斯 申請人:國際商業(yè)機器公司