CN102640290B - 自对准碳化物源极/漏极fet - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种场效应晶体管，其包括：金属碳化物源极部分；金属碳化物漏极部分；绝缘碳部分，将金属碳化物源极部分与金属碳化物漏极部分隔开；纳米结构，形成于绝缘碳部分之上，并且将金属碳化物源极部分连接至金属碳化物漏极部分；以及栅极层叠，形成于绝缘碳部分的至少一部分和纳米结构的至少一部分之上。

Description

自对准碳化物源极/漏极FET
技术领域
本发明有关开关器件，并且更具体而言涉及形成有碳化物漏极和源极的场效应晶体管(FET)。
背景技术
基于纳米结构(诸如碳纳米管、石墨烯或有半导体特性的纳米线)的开关器件因该纳米结构可以提供的高载流子迁移率和小尺寸而有潜力。然而，基于这种纳米结构的技术所必须克服的许多挑战之一是与传统硅互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术当前所支持的高布局密度的兼容性。由于高布局密度，必须精确定位围绕每个纳米结构构建的开关器件的源极/漏极以及栅极接触。在硅CMOS中，通过使用栅极遮蔽以限定注入结分布和通过自对准硅化物工艺来实现这样的精确定位。
因此，在本领域中存在对解决上述问题的需要。
发明内容
根据本发明的一个实施例，公开了一种场效应晶体管。该实施例的场效应晶体管包括：金属碳化物源极部分；金属碳化物漏极部分；绝缘碳部分，将金属碳化物源极部分与金属碳化物漏极部分隔开。该场效应晶体管还包括：纳米结构，形成于绝缘碳部分之上，并且将金属碳化物源极部分连接至金属碳化物漏极部分；以及栅极层叠，形成于绝缘碳部分的至少一部分和纳米结构的至少一部分之上。
根据另一实施例，公开了一种形成场效应晶体管的方法。该实施例的方法包括：形成衬底；在衬底之上形成绝缘层；在衬底之上形成绝缘碳层；在绝缘碳层的上表面之上沉积一个或多个纳米结构；使用栅极层叠覆盖一个或多个纳米结构的至少一部分和在经覆盖的纳米结构之下的任何绝缘碳；以及将该绝缘碳层的暴露部分转化为金属碳化物。
通过本发明的技术来实现其它一些特征和优点。在此将详细说明本发明的其它一些实施例和方面，并将其视为本发明的一部分。为了更好地理解本发明的优点和特征，请参考说明书与附图。
附图说明
现在将仅通过示例的方式参考如下面的附图中示出的优选的实施例来描述本发明：
图1显示了根据本发明的一个优选实施例的制造FET的早期阶段；
图2显示了根据本发明的一个优选实施例的、图1的结构在有源区已经被图案化成碳层之后；
图3显示了根据本发明的一个优选实施例的、图2中的结构在已经在有源区的一部分之上形成栅极层叠之后；
图4显示了根据本发明的一个优选实施例的、图3的结构在已经在栅极层叠的侧壁上形成间隔物之后；以及
图5显示了根据本发明的一个优选实施例的、图4的结构在碳第一部分和碳第二部分已经被转换为金属碳化物之后。
具体实施方式
本发明的一个实施例涉及用于具有基于纳米结构的沟道区的场效应晶体管(FET)的自对准碳化物源极/漏极接触形成工艺。具体而言，本文公开了根据任何沉积的纳米结构(包括碳纳米管、石墨烯、或有半导体特性的纳米线)来构建自对准器件的平台。在绝缘碳底层上沉积纳米结构，并且在纳米结构顶部图案化栅极层叠。继而在各处沉积金属。将碳底层的未受栅极层叠保护的任何区域转化为金属碳化物接触，继而相对于金属碳化物接触选择性地移除金属，从而产生与栅极层叠自对准的金属碳化物源极/漏极接触。
现在参见图1，显示了根据本发明的一个优选实施例的FET制造工艺中的晶片的示例。晶片包括衬底102。衬底102可以由任何材料形成，但在一个实施例中，由硅或基于硅的材料形成。在衬底102的顶上形成绝缘层104。绝缘层104可以由任何电绝缘体形成。在一个实施例中，绝缘层104由氮化硅形成。在另一实施例中，绝缘层104为掩埋氧化硅(BOX)层。
在绝缘层104之上形成碳层106。如下文更详细地显示的，FET的源极和漏极两者均在该层中形成。在一个实施例中，碳层106为即使暴露于高温(高于退火温度)之下仍然保持绝缘的绝缘碳层。这种绝缘碳的一个示例为基于金刚石的层。基于金刚石的层可以为晶体膜、多晶膜、或纳米或超纳米晶体金刚石膜。可以利用各种化学气相沉积(CVD)工艺沉积金刚石膜，这些CVD工艺包括但不限于热、热线式或微波辅助CVD。在一个实施例中，碳层可以为类金刚石碳材料、或非晶碳材料。
在碳层106的顶上形成或沉积一个或多个纳米结构108。例如，纳米结构108可以是碳纳米管、石墨烯、或有半导体特性的纳米线。在一个实施例中，当向纳米结构108施加电压时，纳米结构108变为导电的，而当不向其施加电压时，其变为不导电的。如下文更详细地显示的，在一个实施例中，纳米结构108形成FET的沟道。
图2显示了图1的结构在有源区202已经被图案化成碳层106之后。如图所示，在有源区之上沉积和图案化用后可弃的硬掩模(诸如二氧化硅)，然后移除碳层106的暴露部分。当然，可能已经直接形成如图2显示的碳层106。备选地，作为移除碳的非有源区的替代，可以由硬掩模(诸如氮化硅)覆盖碳的非有源区。
每个有源区202可以用于形成一个或多个FET。纳米结构108的数目是可变的并且可以是一个或多个。应理解，用以形成沟道的纳米结构108越多，则在“开启”状态中FET承载的电流越多。
图3显示了图2所示结构在已经在有源区202的部分之上形成栅极层叠302之后。栅极层叠302包括栅极介电层304。介电层304可以由任何类型的电介质形成。
栅极层叠302还包括栅极306。栅极可以由任何适当栅极材料形成，这些材料包括多晶硅(可以经掺杂和/或硅化)和金属。
栅极层叠302的定向可以变化。然而，在一个实施例中，栅极层叠302并非平行于一个或多个纳米结构108。在一个实施例中，栅极层叠302具有长度w，并且布置成使得w基本上垂直于纳米结构长度nl。w和nl之间的角度不受限制，并且可以在1度至179度之间变化。栅极层叠302优选地使有源区被划分成至少第一部分308和第二部分310。应理解，可以在单个有源区202上布置多于一个的栅极层叠302，从而形成层叠的FET，以及一个栅极层叠302可以在多个有源区202之上延伸，从而形成栅极连接在一起的多个FET。
在一个实施例中，在制造运行中的这一点处可以修改纳米结构108的暴露部分。修改可以包括但不限于化学掺杂或注入，并且可以根据情形而变化。
图4显示了图3的结构在已经在栅极层叠的侧壁上形成间隔物402之后。在图4(以及在以下的图5)中，未显示栅极层叠302的延伸超出有源区的部分(以及在其侧面上形成的间隔物402)，以便更为清楚地示出该结构。
间隔物402例如可以利用保形材料沉积接着是各向异性蚀刻来形成。在一个实施例中，间隔物402由氮化硅材料形成。
图5显示了图4的结构在碳第一部分308和碳第二部分310已经被转化为金属碳化物之后。图5中显示的结构可以(在添加一个或多个连接器之后)作为FET进行操作。金属碳化物第一部分308’和金属碳化物第二部分310’由绝缘碳部分502隔开。绝缘碳部分502由有源区202的未被栅极层叠302和间隔物402覆盖的部分形成。
可以通过在图4的结构之上沉积金属、在高到足以使金属和碳发生反应的温度下退火、并且蚀刻其余未反应的金属以通过第一部分308和第二部分310形成金属碳化物，从而将第一部分308和碳第二部分310转化为金属碳化物第一部分308’和金属碳化物第二部分310’。为了实现此工艺，金属必须不能与在栅极侧壁上形成的间隔物发生反应。金属可以与沉积纳米结构108的暴露部分发生反应或不与其发生反应。金属可以与栅极材料发生反应或不与其发生反应。必须相对于栅极金属、金属碳化物、间隔物、以及晶片上任何其它暴露材料选择性移除未反应的金属。
对于纳米结构108在栅极下方的部分，金属碳化物第一部分308’可以形成源极接触，而金属碳化物第二部分310’可以形成漏极接触，或反之亦然。无论如何，源极和漏极由绝缘碳部分502隔开。因此，在没有外部电压施加至栅极306时，源极和漏极为电隔开的。
纳米结构108的一部分在栅极层叠302之下。施加电压至栅极306将使得纳米结构108在栅极层叠302之下的部分变成导电的。一旦导电，纳米结构108就电耦合金属碳化物第一部分308’和金属碳化物第二部分310’，并且允许电流从它们之间通过。
本文所用术语仅是为了描述特定实施例，而非用来限制本发明。如本文使用的，除非上下文另有清楚指示，否则单数形式“一”、“一个”或者“所述”旨在包括复数形式。应进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”和/或“包括”指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。
旨在使在下面的权利要求书中的对应的结构、材料、动作、和所有装置或步骤加功能元素的等同方式包括用于结合其它如具体主张的主张组件而执行功能的任何结构、材料、或动作。已经出于示出与描述的目的而呈现了本发明的说明书，但是并不旨在穷尽或将本发明限制为所公开的形式。在不脱离本发明范围和精神实质的情况下，许多修改和变化将对本领域技术人员显而易见。选择和描述实施例以便最好地说明本发明的原理和实际应用，并且使得本领域其他普通技术人员理解本发明的具有各种修改的各种实施例同样适于所设想的特定使用。
本文所描述的流程图只是一个示例。在不脱离本发明的精神实质的情况下，本文所说明的流程图或步骤(或操作)可以有许多变化。例如，可以按照不同的顺序执行这些步骤，或是可以增加、删除、或修改这些步骤。所有这些变化均被视为本发明的一部分。
虽然已描述了本发明的优选实施例，但将理解，现在和未来的本领域技术人员可以做出落入下文权利要求书范围内的各种改进和增强。应将这些权利要求解释为维持对首先描述的本发明的合适保护。

Claims (11)

1.一种场效应晶体管，包括：
金属碳化物源极部分；
金属碳化物漏极部分；
绝缘碳部分，将所述金属碳化物源极部分与所述金属碳化物漏极部分隔开；
纳米结构，形成于所述绝缘碳部分之上，并且将所述金属碳化物源极部分连接至所述金属碳化物漏极部分；以及
栅极层叠，形成于所述绝缘碳部分的至少一部分和所述纳米结构的至少一部分之上，
其中所述金属碳化物源极部分、所述金属碳化物漏极部分和所述绝缘碳部分为共面的。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，还包括：
衬底；以及
绝缘层，形成于所述衬底与所述金属碳化物源极部分、所述金属碳化物漏极部分和所述绝缘碳部分之间。
3.根据权利要求1或者2所述的场效应晶体管，其中所述绝缘碳部分由金刚石或非晶碳材料形成。
4.根据权利要求3所述的场效应晶体管，其中所述非晶碳材料是类金刚石。
5.根据权利要求3所述的场效应晶体管，其中所述绝缘碳部分是晶体金刚石膜类金刚石氢化碳膜或四面体碳膜。
6.根据权利要求5所述的场效应晶体管，其中所述晶体金刚石膜是多晶金刚石膜、纳米晶体金刚石膜或超纳米晶体金刚石膜。
7.根据权利要求5所述的场效应晶体管，其中所述绝缘碳部分包括N原子、Si原子、Ge原子或F原子。
8.根据权利要求1或2所述的场效应晶体管，其中所述纳米结构为碳纳米结构。
9.根据权利要求8所述的场效应晶体管，其中所述碳纳米结构为碳纳米管、碳纳米线或石墨烯之一。
10.根据权利要求9所述的场效应晶体管，其中在向所述栅极施加电压时所述碳纳米结构是导电的，而在未向所述栅极施加电压时所述碳纳米结构是不导电的。
11.根据权利要求1或2所述的场效应晶体管，其中所述金属碳化物源极部分和所述金属碳化物漏极部分中的至少一个由Mo、W或Ti之一形成。
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