CN105097913A - 场效应晶体管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种场效应晶体管及其制造方法。该场效应晶体管包括：基底；在基底上方的碳纳米管；在基底上并且在碳纳米管的中间部分处围绕碳纳米管的栅极；以及在基底上并且分别在碳纳米管的两端围绕碳纳米管的源极和漏极。

Description

场效应晶体管及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体器件及其制造方法，特别涉及场效应晶体管及其制造方法。
背景技术
根据摩尔定律，传统MOSFET的特征尺寸不断缩小，从而不断提高大规模集成电路性能并降低成本。然而，随着器件尺寸缩小到亚微米甚至纳米尺度，例如亚22纳米尺度，器件在制造工艺和性能方面面临着严重的限制。这些限制包括通过短沟道和薄绝缘膜的电子隧穿、相关联的泄漏电流、短沟道效应、无源功率消耗、以及器件结构和掺杂的变化等等。通过采用碳纳米管场效应晶体管(CarbonNanoTubeFieldEffectTransistor,CNTFET)代替传统的MOSFET，可以在一定程度上克服上述限制并且进一步缩小器件尺寸。
现有技术中公开了一种平面型结构的碳纳米管场效应晶体管，该平面型结构的碳纳米管场效应晶体管可以在基底中形成栅极，在栅极上方形成碳纳米管，以及分别在碳纳米管的两端且在基底上形成源极和漏极。另外，现有技术中还公开了一种包围型结构的碳纳米场效应晶体管，该包围型结构的碳纳米场效应晶体管可以在基底中形成沟槽，在沟槽上形成碳纳米管，在沟槽中包围碳纳米管形成栅极，以及分别在碳纳米管的两端且在基底上形成源极和漏极。
然而，现有技术中的碳纳米管场效应晶体管的栅极对碳纳米管的栅控能力较弱，源极与漏极之间的电子势垒较大，从而导致现有技术中的碳纳米管场效应晶体管的整体性能较差。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种新颖的和创新的碳纳米管场效应晶体管，通过在基底上并且在碳纳米管的中间部分处围绕碳纳米管形成栅极，可以提高栅极对碳纳米管的栅控能力，降低源极与漏极之间的电子势垒，从而提高碳纳米管场效应晶体管的整体性能。
根据本发明的第一方面，提供了一种场效应晶体管，包括：基底；在所述基底上方的碳纳米管；在所述基底上并且在所述碳纳米管的中间部分处围绕所述碳纳米管的栅极；以及在所述基底上并且分别在所述碳纳米管的两端围绕所述碳纳米管的源极和漏极。
优选地，场效应晶体管还可以包括：在所述碳纳米管与所述栅极之间围绕所述碳纳米管的高K绝缘介质层。
优选地，场效应晶体管还可以包括：在所述栅极两侧的间隔物。
优选地，所述碳纳米管可以是通过使金属催化剂与碳基化合物进行反应而形成的。
优选地，所述碳基化合物可以包括甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和苯中的至少之一。
优选地，所述金属催化剂可以包括铂、金、银、铜、镍中的至少之一。
优选地，所述碳纳米管可以为单壁碳纳米管。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造场效应晶体管的方法，包括：第一步骤，在基底上方形成碳纳米管；第二步骤，在所述基底上并且在所述碳纳米管的中间部分围绕所述碳纳米管形成栅极；以及第三步骤，在所述基底上并且分别在所述碳纳米管的两端围绕所述碳纳米管形成源极和漏极。
优选地，第一步骤可以包括：在所述基底上形成多孔硅；将金属催化剂引入到所述多孔硅的表面上的期望形成所述碳纳米管的区域中；以及通过使所述金属催化剂与碳基化合物进行反应，以在所述多孔硅的表面上形成所述碳纳米管。
优选地，所述碳基化合物可以包括甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和苯中的至少之一。
优选地，第二步骤可以包括：在所述碳纳米管与所述栅极之间围绕所述碳纳米管形成高K绝缘介质层。
优选地，在第一步骤和第二步骤之间还可以包括：对所述多孔硅进行光刻以去除所述碳纳米管下方的多孔硅的一部分，使得只有所述碳纳米管的两端被剩余的多孔硅支撑。
优选地，在第二步骤和第三步骤之间还可以包括：去除剩余的多孔硅，使得所述碳纳米管仅被所形成的栅极支撑。
优选地，在所述基底上形成多孔硅的步骤可以包括：在所述基底上沉积重掺杂的多晶硅；以及对所述多晶硅进行光刻以形成所述多孔硅。
优选地，所述将金属催化剂引入到所述多孔硅的表面上的期望形成所述碳纳米管的区域中的步骤可以包括：在所述多孔硅上涂覆光致抗蚀剂；去除期望形成所述碳纳米管的区域上的光致抗蚀剂以露出该区域中的多孔硅；将包含所述金属催化剂的溶液注入所露出的区域中的多孔硅；将所注入的包含所述金属催化剂的溶液在氮或氢的环境中进行烘烤以形成金属纳米粒子；以及去除所述多孔硅上的剩余的光致抗蚀剂。
优选地，在第二步骤和第三步骤之间还可以包括：在所述栅极的两侧形成间隔物。
优选地，所述金属催化剂可以包括铂、金、银、铜、镍中的至少之一。
优选地，所述碳纳米管可以为单壁碳纳米管。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：
图1是示意性地示出根据本发明的实施例的制造场效应晶体管的方法的流程图。
图2是示意性地示出图1中的步骤S1的具体流程的流程图。
图3是示意性地示出图2中的步骤S11的具体流程的流程图。
图4是示意性地示出图2中的步骤S12的具体流程的流程图。
图5是示意性地示出通过在基底上形成多孔硅得到的结构的透视图。
图6是示意性地示出通过在多孔硅上涂覆光致抗蚀剂得到的结构的透视图。
图7是示意性地示出通过在多孔硅上形成金属纳米粒子得到的结构的透视图。
图8是示意性地示出通过在多孔硅上形成碳纳米管得到的结构的透视图。
图9是示意性地示出通过去除碳纳米管下方的多孔硅的一部分得到的结构的透视图。
图10是示意性地示出通过在碳纳米管的中间部分围绕碳纳米管形成栅极得到的结构的透视图。
图11是示意性地示出通过去除多余的多孔硅得到的结构的透视图。
图12是示意性地示出通过在栅极的两侧形成间隔物得到的结构的透视图。
图13是示意性地示出通过在碳纳米管的两端围绕碳纳米管形成源极和漏极得到的结构的图视图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
下面参考图1描述根据本发明的实施例的制造场效应晶体管的方法。图1是示意性地示出根据本发明的实施例的制造场效应晶体管的方法的流程图。
首先，在步骤S1，在基底上方形成碳纳米管。
例如，如图8所示，可以在包括硅701和氧化硅702的基底上方形成碳纳米管1004。
下面参考图2详细描述图1中的步骤S1的具体流程。图2是示意性地示出图1中的步骤S1的具体流程的流程图。
如图2所示，在步骤S11，在基底上形成多孔硅。
例如，如图5所示，可以在包括硅701和氧化硅702的基底上形成多孔硅703。
下面参考图3详细描述图2中的步骤S11的具体流程。图3是示意性地示出图2中的步骤S11的具体流程的流程图。
如图3所示，在步骤S111，在基底上沉积重掺杂的多晶硅。
例如，如图5所示，可以提供硅701，接着可以在硅701上形成氧化硅702。氧化硅702的厚度例如可以为10纳米至100纳米，例如为50纳米。接下来，可以在氧化硅702上沉积重掺杂的多晶硅。
返回参考图3，在步骤S111之后，流程前进到步骤S112。在步骤S112，对多晶硅进行光刻以形成多孔硅。
例如，如图5所示，通过对氧化硅702上沉积的多晶硅进行光刻，可以在氧化硅702上形成多孔硅703。多孔硅703的厚度例如可以为2纳米至10纳米，例如为5纳米。
通过图3所示的各个步骤，可以在基底上形成多孔硅。
返回参考图2，在步骤S11之后，流程前进到步骤S12。在步骤S12，将金属催化剂引入到多孔硅的表面上的期望形成碳纳米管的区域中。
例如，如图6所示，可以将金属催化剂引入到多孔硅703的表面上的期望形成碳纳米管的区域805中。例如，金属催化剂可以包括铂、金、银、铜、镍中的至少之一。
下面参考图4详细描述图2中的步骤S12的具体流程。图4是示意性地示出图2中的步骤S12的具体流程的流程图。
如图4所示，在步骤S121，在多孔硅上涂覆光致抗蚀剂。
例如，如图6所示，可以在多孔硅703上涂覆光致抗蚀剂804。
在步骤S121之后，流程前进到步骤S122。在步骤S122，去除期望形成碳纳米管的区域上的光致抗蚀剂以露出该区域中的多孔硅。
例如，如图6所示，如果期望在多孔硅703的中央的区域805上形成碳纳米管，则可以去除区域805上的光致抗蚀剂，从而露出区域805中的多孔硅。本领域技术人员应当理解，图6中的区域805的形状不限于矩形，还可以是其它形状，例如椭圆形等。另外，本领域技术人员应当理解，图6中的区域805的个数不限于一个，还可以是二个或更多个，例如三个。另外，本领域技术人员应当理解，图6中的区域805的位置不限于在多孔硅703的中央，还可以在偏离多孔硅703的中央的其它位置。
在步骤S122之后，流程前进到步骤S123。在步骤S123，将包含金属催化剂的溶液注入所露出的区域中的多孔硅。
例如，如图6所示，可以将包含金属催化剂的溶液注入到所露出的区域805中的多孔硅703。例如，金属催化剂可以包括铂、金、银、铜、镍中的至少之一。
在步骤S123之后，流程前进到步骤S124。在步骤S124，将所注入的包含金属催化剂的溶液在氮或氢的环境中进行烘烤以形成金属纳米粒子。
例如，如图6所示，在将包含金属催化剂的溶液注入到所露出的区域805中的多孔硅703之后，可以在氮或氢的环境中对包含金属催化剂的溶液进行烘烤，使得溶液中的水分蒸发，从而形成金属纳米粒子。金属纳米粒子的直径例如为3纳米或更小。所形成的金属纳米粒子可以在稍后将要描述的形成碳纳米管的处理中用作金属催化剂。
在步骤S124之后，流程前进到步骤S125。在步骤S125，去除多孔硅上的剩余的光致抗蚀剂。
例如，如图6所示，可以将多孔硅703上除中央区域805之外的区域上的剩余的光致抗蚀剂去除，从而形成如图7所示的在多孔硅703上的金属纳米粒子层904。如图7所示，多孔硅703上的光致抗蚀剂804全部被移除，并且在多孔硅703的中央的区域形成了金属纳米粒子层904。
通过图4所示的各个步骤，可以将金属催化剂引入到多孔硅的表面上的期望形成碳纳米管的区域中。
返回参考图2，在步骤S12之后，流程前进到步骤S13。在步骤S13，通过使金属催化剂与碳基化合物进行反应，以在多孔硅的表面上形成碳纳米管。
例如，如图8所示，通过使金属催化剂与碳基化合物进行反应，可以在多孔硅703的表面上形成碳纳米管1004。可以采用各种方式使金属催化剂与碳基化合物进行反应以形成碳纳米管1004。例如，可以采用化学气相沉积(chemicalvapordeposition,CVD)的方式，将金属催化剂在环境温度(例如100摄氏度以下的常温)下引入到CVD氛围中，从而与碳基化合物进行反应以形成碳纳米管1004。另外，也可以采用石墨电弧放电的方式，在两个石墨电极间通电产生电火花，从而使金属催化剂与碳基化合物进行反应以形成碳纳米管1004。本领域技术人员应当理解，上述化学气相沉积方式和石墨电弧放电方式仅为示例，还可以采用其它方式使金属催化剂与碳基化合物进行反应以形成碳纳米管。
例如，碳基化合物可以包括甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和苯中的至少之一。本领域技术人员应该理解，还可以采用其它类型的碳基化合物，只要其可以与金属催化剂进行反应以形成碳纳米管即可。
优选地，碳纳米管可以为单壁碳纳米管。一般，碳纳米管可被视为是石墨烯片层卷曲而成的，因此按照石墨烯片的层数可将碳纳米管分为单壁碳纳米管(或称单层碳纳米管，Single-walledCarbonnanotubes,SWCNT)和多壁碳纳米管(或多层碳纳米管，Multi-walledCarbonnanotubes,MWCNT)。多壁碳纳米管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁碳纳米管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与多壁碳纳米管相比，单壁碳纳米管直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。单壁碳纳米管的典型直径为0.6纳米至2纳米；多壁碳纳米管最内层可达0.4纳米，最粗可达数百纳米，但典型直径为2纳米至100纳米。
关于单壁碳纳米管的形成机理，可以参见非专利文献1：DaisukeTakagi,et.al.,Single-walledcarbonnanotubegrowthfromhighlyactivatedmetalnanoparticles,NanoLetter,2006,6(12),pp2642-2645。
通过图2所示的各个步骤，可以在基底上方形成碳纳米管。
现在返回参考图1，在步骤S1之后，流程前进到步骤S2。在步骤S2，对多孔硅进行光刻以去除碳纳米管下方的多孔硅的一部分，使得只有碳纳米管的两端被剩余的多孔硅支撑。
例如，如图9所示，可以对多孔硅703进行光刻，去除碳纳米管1004下方的多孔硅703的一部分，例如去除在除碳纳米管两端部分以外的部分下方的多孔硅703，仅保留位于碳纳米管两端部分的多孔硅1103，使得只有碳纳米管1004的两端被剩余的多孔硅1103支撑。本领域技术人员应当理解，可以根据实际需要确定需要去除的多孔硅703的部分，只要剩余的多孔硅1103能够分别支撑碳纳米管1004的两端即可。
在步骤S2之后，流程前进到步骤S3。在步骤S3，在基底上并且在碳纳米管的中间部分围绕碳纳米管形成栅极。
优选地，可以在碳纳米管与栅极之间围绕碳纳米管形成高K绝缘介质层。例如，如图10所示，可以在基底上并且在碳纳米管的中间部分围绕碳纳米管形成高K绝缘介质层1206。具体地，首先可以围绕整个碳纳米管形成高K绝缘介质层，然后对形成的高K绝缘介质层进行光刻，以去除围绕除碳纳米管的中间部分以外的部分的高K绝缘介质层，使得仅保留围绕碳纳米管的中间部分的高K绝缘介质层1206。接下来，可以围绕保留的高K绝缘介质层1206形成栅极1205。通过在碳纳米管的中间部分围绕碳纳米管形成栅极，可以改善栅极对碳纳米管沟道的栅控能力，降低源极与漏极之间的电子势垒。
在步骤S3之后，流程前进到步骤S4。在步骤S4，去除剩余的多孔硅，使得碳纳米管仅被所形成的栅极支撑。
例如，如图11所示，可以将用于支撑碳纳米管1004两端的多孔硅1103去除，从而碳纳米管仅被所形成的栅极1205支撑。
在步骤S4之后，流程前进到步骤S5。在步骤S5，在栅极的两侧形成间隔物。
例如，如图12所示，可以在栅极1205的两侧分别形成间隔物1406。间隔物1406一般由绝缘材料形成，例如由氧化硅、氮化硅等形成。
本领域技术人员应当理解，上述步骤S4和步骤S5的顺序也可以颠倒，即，也可以先执行步骤S5，再执行步骤S4。
在步骤S5之后，流程前进到步骤S6。在步骤S6，在基底上并且分别在碳纳米管的两端围绕碳纳米管形成源极和漏极。
例如，如图13所示，可以在基底上并且在碳纳米管1004的左端围绕碳纳米管1004形成源极/漏极1509，类似地，可以在基底上并且在碳纳米管1004的右端围绕碳纳米管1004形成漏极/源极1510。通过分别在碳纳米管的两端围绕碳纳米管形成源极和漏极，可以改善碳纳米管的源极和漏极的接触电阻。
至此，已经详细描述了根据本发明的场效应晶体管及其制造方法。在本申请文件中，“第一……”、“第二……”等可以可互换地设置。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (18)

1.一种场效应晶体管，包括：
基底；
在所述基底上方的碳纳米管；
在所述基底上并且在所述碳纳米管的中间部分处围绕所述碳纳米管的栅极；以及
在所述基底上并且分别在所述碳纳米管的两端围绕所述碳纳米管的源极和漏极。
2.如权利要求1所述的场效应晶体管，还包括：
在所述碳纳米管与所述栅极之间围绕所述碳纳米管的高K绝缘介质层。
3.如权利要求1所述的场效应晶体管，还包括：
在所述栅极两侧的间隔物。
4.如权利要求1所述的场效应晶体管，其中，
所述碳纳米管是通过使金属催化剂与碳基化合物进行反应而形成的。
5.如权利要求4所述的场效应晶体管，其中，
所述碳基化合物包括甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和苯中的至少之一。
6.如权利要求4所述的场效应晶体管，其中，
所述金属催化剂包括铂、金、银、铜、镍中的至少之一。
7.如权利要求1-6中任一项所述的场效应晶体管，其中，
所述碳纳米管为单壁碳纳米管。
8.一种制造场效应晶体管的方法，包括：
第一步骤，在基底上方形成碳纳米管；
第二步骤，在所述基底上并且在所述碳纳米管的中间部分围绕所述碳纳米管形成栅极；以及
第三步骤，在所述基底上并且分别在所述碳纳米管的两端围绕所述碳纳米管形成源极和漏极。
9.如权利要求8所述的方法，其中，第一步骤包括：
在所述基底上形成多孔硅；
将金属催化剂引入到所述多孔硅的表面上的期望形成所述碳纳米管的区域中；以及
通过使所述金属催化剂与碳基化合物进行反应，以在所述多孔硅的表面上形成所述碳纳米管。
10.如权利要求9所述的方法，其中，
所述碳基化合物包括甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和苯中的至少之一。
11.如权利要求8所述的方法，其中，第二步骤包括：
在所述碳纳米管与所述栅极之间围绕所述碳纳米管形成高K绝缘介质层。
12.如权利要求9所述的方法，其中，在第一步骤和第二步骤之间还包括：
对所述多孔硅进行光刻以去除所述碳纳米管下方的多孔硅的一部分，使得只有所述碳纳米管的两端被剩余的多孔硅支撑。
13.如权利要求9所述的方法，其中，在第二步骤和第三步骤之间还包括：
去除剩余的多孔硅，使得所述碳纳米管仅被所形成的栅极支撑。
14.如权利要求9所述的方法，其中，在所述基底上形成多孔硅的步骤包括：
在所述基底上沉积重掺杂的多晶硅；以及
对所述多晶硅进行光刻以形成所述多孔硅。
15.如权利要求9所述的方法，其中，所述将金属催化剂引入到所述多孔硅的表面上的期望形成所述碳纳米管的区域中的步骤包括：
在所述多孔硅上涂覆光致抗蚀剂；
去除期望形成所述碳纳米管的区域上的光致抗蚀剂以露出该区域中的多孔硅；
将包含所述金属催化剂的溶液注入所露出的区域中的多孔硅；
将所注入的包含所述金属催化剂的溶液在氮或氢的环境中进行烘烤以形成金属纳米粒子；以及
去除所述多孔硅上的剩余的光致抗蚀剂。
16.如权利要求8所述的方法，其中，在第二步骤和第三步骤之间还包括：
在所述栅极的两侧形成间隔物。
17.如权利要求9-16中任一项所述的方法，其中，
所述金属催化剂包括铂、金、银、铜、镍中的至少之一。
18.如权利要求8-16中任一项所述的方法，其中，
所述碳纳米管为单壁碳纳米管。
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