CN107359242B - 真空纳米管场效应晶体管及其制造方法 - Google Patents

真空纳米管场效应晶体管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

在本发明提供的真空纳米管场效应晶体管及其制造方法中，通过制作阳极氧化铝结构以形成垂直结构的真空纳米管晶体管，从而缩小器件尺寸，进一步的，在形成真空纳米管之前对包围所述真空纳米管的栅极介质层进行了等离子处理，增强了所述真空纳米管的密封性，提升了器件的性能。

Description

真空纳米管场效应晶体管及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种真空纳米管场效应晶体管及其制造方法。
背景技术
为了达到更快的运算速度、更大的资料存储量以及更多的功能，半导体芯片向更高集成度方向发展。各种半导体器件，包括晶体管的尺寸都不断缩小。通过缩小晶体管的尺寸，增加晶体管密度，提高芯片的集成度，同时降低功耗，使得芯片性能不断提升。
然而，按照现有的制造技术水平，晶体管已经不能被制造得更小。可见，晶体管的物理尺寸已到极限，通过缩小物理尺寸来提高性能已经非常困难。为此，业内设计开发了各种新型的晶体管以适应市场需求，例如碳纳米管场效应晶体管。碳纳米管场效应晶体管通过采用单个碳纳米管或者碳纳米管阵列代替传统MOSFET结构的沟道材料，可以在一定程度上克服制造条件的限制并且进一步缩小器件尺寸度。目前，具有自对准栅极的碳纳米管场效应晶体管(Carbon Nano Tube Field Effect Transistor，简称CNTFET)的尺寸已经降到了20nm，包围碳纳米管沟道的栅极的均匀性也得到了巩固。
然而，在实际的制造和使用过程中发现，现有的碳纳米管场效应晶体管的尺寸和性能还不能满足市场要求。如何进一步缩小真空纳米管场效应晶体管的尺寸并提高器件的性能，仍是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种真空纳米管场效应晶体管及其制造方法，以解决现有技术中真空纳米管场效应晶体管的尺寸和性能无法满足市场要求的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种真空纳米管场效应晶体管的制造方法，所述真空纳米管场效应晶体管的制造方法包括：
提供一半导体衬底；
在所述半导体衬底上依次形成第一介质层、源极、第二介质层和铝层；
对所述铝层进行阳极化处理以形成阳极氧化铝结构，所述阳极氧化铝结构具有多个均匀排布的第一通孔，所述第一通孔的底部暴露出所述第二介质层，所述阳极氧化铝结构包括栅极以及包围所述栅极的栅极介质层；
对第二介质层进行刻蚀以形成多个第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔连通，且所述第二通孔的底部暴露出所述源极；
对栅介质层进行等离子处理；以及
在真空条件下形成漏极，所述漏极覆盖于所述阳极氧化铝结构上，以形成多个纳米真空管。
可选的，在所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述等离子处理采用的工艺气体是氮气或氨气。
可选的，在所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法中，对所述铝层进行阳极化处理以形成阳极氧化铝结构的具体过程包括：
在酸性溶液中对所述铝层进行第一次阳极化处理；
去除所述第一次阳极化处理所产生的氧化物；以及
在酸性溶液中对所述铝层进行第二次阳极化处理。
可选的，在所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述第一次阳极化处理和第二次阳极化处理采用的酸性溶液均为草酸溶液，所述草酸溶液的浓度范围在0.2mol/L到0.5mol/L之间，所述第一次阳极化处理和第二次阳极化处理的温度均在5℃到15℃之间，所述第一次阳极化处理和第二次阳极化处理的恒定电压均在35V到45V之间。
可选的，在所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述草酸溶液的浓度为0.3mol/L，所述第一次阳极化处理和第二次阳极化处理的温度均为10℃，所述第一次阳极化处理和第二次阳极化处理的恒定电压均为40V。
可选的，在所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法中，在对栅介质层进行等离子处理之前，对第二介质层进行刻蚀以形成多个第二通孔之后，还包括：通过刻蚀工艺去除隔离区域中的阳极氧化铝。
可选的，在所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法中，在真空条件下形成漏极的同时，还包括：在源极上形成源极发射端。
可选的，在所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法中，在真空条件下形成漏极和源极发射端之后，还包括：
通过刻蚀工艺去除所述隔离区域中的源极发射端和第二介质层；以及
采用退火工艺对所述源极发射端进行处理，使其表面变为圆弧形。
可选的，在所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述退火工艺的反应温度范围在400℃到600℃之间，所述退火工艺采用的气体为氢气、氮气或氩气中的任意一种或其任意组合。
可选的，在所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法中，在采用退火工艺对所述源极发射端进行处理之后，还包括：在所述隔离区域中形成第三介质层，所述第三介质层与所述第二介质层连为一体。
可选的，在所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述第一介质层、第二介质层和第三介质层的材质均为氧化硅。
可选的，在所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述源极和漏极的材质均为低功函数金属。
相应的，本发明提供一种真空纳米管场效应晶体管，所述真空纳米管场效应晶体管包括：半导体衬底；形成于所述半导体衬底上的第一介质层；形成于所述第一介质层上的源极；形成于所述源极上的第二介质层；形成于所述第二介质层上的阳极氧化铝结构；形成于所述阳极氧化铝结构上的漏极；
其中，所述阳极氧化铝结构包括栅极以及包围所述栅极的栅极介质层，所述漏极覆盖于所述阳极氧化铝结构上，形成多个纳米真空管。
可选的，在所述的真空纳米管场效应晶体管中，还包括：第三介质层，所述第三介质层位于隔离区域并与所述第二介质层连为一体。
可选的，在所述的真空纳米管场效应晶体管中，所述纳米真空管的长度范围在1nm到100nm之间，所述纳米真空管的直径范围在1nm到50nm之间，所述纳米真空管内的真空度范围在0.01Torr到50Torr之间。
综上所述，在本发明提供的真空纳米管场效应晶体管及其制造方法中，通过制作阳极氧化铝结构以形成垂直结构的真空纳米管晶体管，从而缩小器件尺寸，进一步的，在形成真空纳米管之前对包围所述真空纳米管的栅极介质层进行了等离子处理，增强了所述真空纳米管的密封性，提升了器件的性能。
附图说明
图1是本发明实施例的真空纳米管场效应晶体管的制作方法的流程图；
图2至图10是本发明实施例的真空纳米管场效应晶体管的制作过程的结构示意图；
图11是本发明实施例的真空纳米管场效应晶体管的能带示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的真空纳米管场效应晶体管及其制造方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1，其为本发明实施例的真空纳米管场效应晶体管的制作方法的流程图。如图1所示，所述真空纳米管场效应晶体管的制造方法包括：
步骤一：提供一半导体衬底110；
步骤二：在所述半导体衬底110上依次形成第一介质层120、源极130、第二介质层140和铝层150；
步骤三：对所述铝层150进行阳极化处理以形成阳极氧化铝(AAO)结构，所述阳极氧化铝结构具有多个均匀排布的第一通孔150a，所述第一通孔150a的底部暴露出所述第二介质层140，所述阳极氧化铝结构包括栅极151以及包围所述栅极151的栅极介质层152；
步骤四：对第二介质层140进行刻蚀以形成多个第二通孔140a，所述第二通孔140a与所述第一通孔150a连通，且所述第二通孔140a的底部暴露出所述源极130；
步骤五：对栅介质层152进行等离子处理；
步骤六：在真空条件下形成漏极160，所述漏极160覆盖于所述阳极氧化铝结构上，以形成多个纳米真空管180。
具体的，首先，提供一半导体衬底110，所述半导体衬底110可以是硅衬底、锗硅衬底、Ⅲ-Ⅴ族元素化合物衬底或本领域技术人员公知的其他半导体材料衬底，本实施例中采用的是硅衬底。
接着，如图2所示，在所述半导体衬底110上依次形成第一介质层120、源极130、第二介质层140和铝层150。
然后，对所述铝层150进行阳极化处理以形成阳极氧化铝结构。形成阳极氧化铝(AAO)结构的具体过程包括：首先，在酸性溶液中对所述铝层150进行第一次阳极化处理；接着，去除所述第一次阳极化处理所产生的氧化物；然后，在酸性溶液中对所述铝层150进行第二次阳极化处理。
本实施例中，所述第一次阳极化处理和第二次阳极化处理的工艺条件相同。所述第一次阳极化处理和第二次阳极化处理采用的酸性溶液均为草酸溶液，所述草酸溶液的浓度范围在0.2mol/L到0.5mol/L之间，所述第一次阳极化处理和第二次阳极化处理的温度均在5℃～15℃之间，所述第一次阳极化处理和第二次阳极化处理的恒定电压均在35V～45V之间。
优选的，草酸溶液的浓度为0.3mol/L，阳极化处理的温度为10℃，阳极化处理的电压为40V恒定电压。
如图3所示，第二次阳极化处理之后，所述第二介质层140上形成了阳极氧化铝结构，所述阳极氧化铝结构具有多个均匀排布的第一通孔150a，所述第一通孔150a的底部暴露出所述第二介质层140，所述阳极氧化铝结构包括材质为铝的栅极151和材质为氧化铝的栅介质层152，所述栅介质层152包围所述栅极151。
形成阳极氧化铝结构之后，对所述第一通孔150a暴露出的第二介质层140进行刻蚀，以形成多个第二通孔140a。如图4所示，所述第二通孔140a与所述第一通孔150a连通，且所述第二通孔140a的底部暴露出所述源极130。
之后，如图5所示，通过刻蚀工艺去除隔离区域中的阳极氧化铝材料。
此后，在氮气(N2)或氨气(NH3)气氛中对所述栅介质层152进行等离子处理。如图6所示，进行等离子处理之后，所述栅介质层152的膜层较等离子处理之前更加致密，其膜层中的微孔都被封闭了。
接着，如图7所示，在真空条件下同时形成漏极160和源极发射端162，由于所述漏极160完全覆盖所述多个第一通孔150a的顶部，因此形成了多个纳米真空管180，所述纳米真空管180的一端为圆弧形结构(即漏极160的表面)，所述纳米真空管180的另一端为尖刺结构(即源极发射端162的表面)
本实施例中，所述纳米真空管180的长度范围在1nm到100nm之间，所述纳米真空管180的直径范围在1nm到50nm之间，所述纳米真空管180内的真空度范围在0.01Torr到50Torr之间。优选的，所述纳米真空管180的长度为10nm、20nm或50nm，所述碳纳米管60的直径为3nm、5nm或10nm，所述纳米真空管180内的真空度为0.05Torr、1Torr、10Torr、20Torr、30Torr或40Torr。
本实施例中，由于先对栅极介质层152进行等离子处理，之后在真空条件下形成漏极160以形成多个纳米真空管180，因此所述纳米真空管180的密封性更好。
本实施例中，所述源极130和漏极160的材质为低功函数金属，例如是锆(Zr)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、铁(Fe)、钴(Co)、钒(Pd)、铜(Cu)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、金刚石任意一种或其任意组合。
此后，如图8所示，通过刻蚀工艺去除所述隔离区域中的源极发射端162和第二介质层140，刻蚀停止于所述源极130。
之后，如图9所示，进行退火处理，使所述纳米真空管180的另一端(即源极发射端162的表面)也变成圆弧结构。通过退火处理，能够提高器件的可靠性和使用寿命。
本实施例中，所述退火工艺的反应温度范围为400摄氏度～600摄氏度。所述高温退火工艺采用的气体为氢气(H2)、氮气(N2)、氩气(Ar)中的任意一种或其任意组合。
最后，如图10所示，在所述隔离区域中形成第三介质层170，所述第三介质层170与所述第二介质层140连为一体。
本实施例中，所述第一介质层120、第二介质层140和第三介质层170的材质相同，均为氧化硅。
至此，形成真空纳米管场效应晶体管100。所述真空纳米管场效应晶体管100的栅极垂直排布于所述源极和漏极之间，采用这种结构不但能够提升器件的性能，而且能够进一步缩小器件尺寸。
所述真空纳米管场效应晶体管100在工作时的能带示意图可参考图11。如图11所示，在栅极电压(Vg)大于阈值电压(Vt)时，晶体管开启，由于电子或空穴从源极迁移到漏极的能带迁移距离较短，因此整个器件的性能更佳。其中，阈值电压(Vt)也称为开启电压。
相应的，本发明还提供一种采用如上文所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法制备而成的真空纳米管场效应晶体管。
请继续参考图10，所述真空纳米管场效应晶体管100包括：半导体衬底110；形成于所述半导体衬底110上的第一介质层120；形成于所述第一介质层120上的源极130；形成于所述源极130上的第二介质层140；形成于所述第二介质层140上的阳极氧化铝结构；形成于所述阳极氧化铝结构上的漏极160；其中，所述阳极氧化铝结构包括栅极151以及包围所述栅极151的栅极介质层152，所述漏极160覆盖于所述阳极氧化铝结构上，形成多个纳米真空管180。
具体的，所述真空纳米管场效应晶体管100还包括第三介质层170，所述第三介质层170位于隔离区域中并与所述第二介质层140连为一体。所述纳米真空管180的长度范围是1nm～100nm，所述纳米真空管180的直径范围在1nm到50nm之间，所述纳米真空管180内的真空度范围在0.01Torr到50Torr之间。
综上可见，在本发明实施例提供的真空纳米管场效应晶体管及其制造方法中，通过制作阳极氧化铝结构以形成垂直结构的真空纳米管晶体管，从而缩小器件尺寸，进一步的，在形成真空纳米管之前对包围所述真空纳米管的栅极介质层进行了等离子处理，增强了所述真空纳米管的密封性，提升了器件的性能。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (15)

1.一种真空纳米管场效应晶体管的制造方法，其特征在于，包括：
提供一半导体衬底；
在所述半导体衬底上依次形成第一介质层、源极、第二介质层和铝层；
对所述铝层进行阳极化处理以形成阳极氧化铝结构，所述阳极氧化铝结构具有多个均匀排布的第一通孔，所述第一通孔的底部暴露出所述第二介质层，所述阳极氧化铝结构包括栅极以及包围所述栅极的栅极介质层；
对第二介质层进行刻蚀以形成多个第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔连通，且所述第二通孔的底部暴露出所述源极；
对栅介质层进行等离子处理；以及
在真空条件下形成漏极，所述漏极覆盖于所述阳极氧化铝结构上，以形成多个纳米真空管。
2.如权利要求1所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述等离子处理采用的工艺气体是氮气或氨气。
3.如权利要求1所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法，其特征在于，对所述铝层进行阳极化处理以形成阳极氧化铝结构的具体过程包括：
在酸性溶液中对所述铝层进行第一次阳极化处理；
去除所述第一次阳极化处理所产生的氧化物；以及
在酸性溶液中对所述铝层进行第二次阳极化处理。
4.如权利要求3所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述第一次阳极化处理和第二次阳极化处理采用的酸性溶液均为草酸溶液，所述草酸溶液的浓度范围在0.2mol/L到0.5mol/L之间，所述第一次阳极化处理和第二次阳极化处理的温度均在5℃到15℃之间，所述第一次阳极化处理和第二次阳极化处理的恒定电压均在35V到45V之间。
5.如权利要求4所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述草酸溶液的浓度为0.3mol/L，所述第一次阳极化处理和第二次阳极化处理的温度均为10℃，所述第一次阳极化处理和第二次阳极化处理的恒定电压均为40V。
6.如权利要求1所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法，其特征在于，在对栅介质层进行等离子处理之前，对第二介质层进行刻蚀以形成多个第二通孔之后，还包括：通过刻蚀工艺去除隔离区域中的阳极氧化铝。
7.如权利要求6所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法，其特征在于，在真空条件下形成漏极的同时，还包括：在源极上形成源极发射端。
8.如权利要求7所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法，其特征在于，在真空条件下形成漏极和源极发射端之后，还包括：
通过刻蚀工艺去除所述隔离区域中的源极发射端和第二介质层；以及
采用退火工艺对所述源极发射端进行处理，使其表面变为圆弧形。
9.如权利要求8所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述退火工艺的反应温度范围在400℃到600℃之间，所述退火工艺采用的气体为氢气、氮气或氩气中的任意一种或其任意组合。
10.如权利要求8所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法，其特征在于，在采用退火工艺对所述源极发射端进行处理之后，还包括：在所述隔离区域中形成第三介质层，所述第三介质层与所述第二介质层连为一体。
11.如权利要求10所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层和第三介质层的材质均为氧化硅。
12.如权利要求1所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述源极和漏极的材质均为低功函数金属。
13.一种真空纳米管场效应晶体管，采用如权利要求1至12中任一种所述的真空纳米管场效应晶体管的制造方法制备而成，其特征在于，包括：
半导体衬底；
形成于所述半导体衬底上的第一介质层；
形成于所述第一介质层上的源极；
形成于所述源极上的第二介质层；
形成于所述第二介质层上的阳极氧化铝结构；
形成于所述阳极氧化铝结构上的漏极；
其中，所述阳极氧化铝结构包括栅极以及包围所述栅极的栅极介质层，所述漏极覆盖于所述阳极氧化铝结构上，形成多个纳米真空管。
14.如权利要求13所述的真空纳米管场效应晶体管，其特征在于，还包括：第三介质层，所述第三介质层位于隔离区域并与所述第二介质层连为一体。
15.如权利要求13所述的真空纳米管场效应晶体管，其特征在于，所述纳米真空管的长度范围在1nm到100nm之间，所述纳米真空管的直径范围在1nm到50nm之间，所述纳米真空管内的真空度范围在0.01Torr到50Torr之间。
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