CN112259608B - 使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管及其制备方法，该方法为:1)衬底上设置碳纳米管；2)在碳纳米管上划分出源，漏极区域，并在源，漏极区域制备金属电极；3)在沟道区域上划分出栅极区域，去掉除多余的碳纳米管；4)在沟道区域上制备栅介质；5)在栅介质上制备栅金属，从而完成晶体管的制备。本发明通过使用SiC材料衬底提升散热性能，降低由于温度上升引起的声子散射，有效减少了载流子迁移率降低，提升器件性能，提高器件工作的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域。
背景技术
半导体型单壁碳纳米管具有准一维几何结构，本征载流子迁移率(可达100,000cm2/Vs)，是实现高性能晶体管的理想材料。其具有带隙、载流子迁移率高、承载电流密度大、导热性能高、化学稳定性好、机械强度和弹性高等特点，被国际半导体产业界认为是最有前途的微电子新型器件材料。人们已经基于碳纳米管开发出逻辑电路单元，实现了完整的计算机原型电路和包含计算和存储的三维集成电路，在数字电路领域的应用取得重大突破。由于碳纳米管具有的高载流子迁移率，在射频器件方面，由于单壁碳纳米管的一维量子特性，相比较与传统体材料半导体，其态密度小，仅具有不连续的范霍夫奇点，本征电容极小，作为追求高频性能的场效应晶体管的沟道材料，可有效避免短沟道效应。因此，碳纳米管也具备实现具有独特优势的高性能射频场效应晶体管(FET)的巨大潜力。
对于晶体管而言，器件沟道内载流子迁移率的大小对器件的时延特性和频率特性具有决定性的影响，而载流子在输运过程中受到的各种散射会显著降低迁移率，引起综合性能的退化，并增加功率耗散，特别在器件集成度不断提高的背景下，功耗的增加对电路的性能和可靠性也产生巨大压力。
碳纳米管晶体管器件内的载流子散射来源主要有内部的声学声子散射(低电场下)、光学声子散射(高电场下)，以及碳纳米管与衬底材料界面上的发生的散射现象。声学声子散射造成的平均自由程与温度(T)成反比(lac(T)＝lac,300K*T300/T)，光学声子散射的平均自由程则与温度的平方成反比(lop(T)～1/T2)。因此当温度升高时，声子散射加剧，载流子迁移率降低，电流减小(I～I0*lac/(lac+L))。由于碳纳米管电流承载力高，横截面尺寸小，本征电阻高，当电流通过时，焦耳效应引起的温度升高现象明显，沟道内声子散射加剧。
对于单壁碳纳米管来说，与衬底材料界面间的散射效应十分突出。这是由于单壁碳纳米管具有准一维结构，只有一个原子层厚，因此与传统体材料不同，载流子沿管壁输运时，更容易受到衬底与碳纳米管界面散射带来的影响。理论计算显示，当温度在100K以上时，衬底与单壁碳纳米管界面之间的散射效应显著，低电场下可能主导碳纳米管沟道内载流子的输运，甚至使得迁移率下降至原来的十分之一，从而引起碳纳米管晶体管器件电流明显衰退，性能显著退化。
发明内容
发明目的：为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管及其制备方法。
技术方案：本发明提供了一种使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管，包括：衬底和碳纳米管；所述衬底采用SiC基材料，所述SiC基材料为SiC单晶体与介质的组合，所述介质为氧化物、氮化物或者BCB，当介质为氧化物时，该氧化物不包括氧化硅；所述介质沉积在SiC单晶体上；所述碳纳米管设置在衬底上与衬底接触，所述碳纳米管上设有源极区域，漏极区域和栅极区域，所述源极区域和漏极区域上设有源极金属电极和漏极金属电极；所述栅极区域上设有栅介质，所述栅介质上设有栅金属。
进一步的，所述碳纳米管为单根单壁碳纳米管、碳纳米管取向阵列、碳纳米管网络薄膜或者碳纳米管图案，所述碳纳米管图案由碳纳米管取向阵列或者碳纳米管网络薄膜形成。
进一步的，所述源极金属电极和漏极金属电极采用Au、Pd、Pt、Ti、Al、Cu、Ni、Ag、Cr、Mo、W、Fe中的一种或两种的组合，若采用两种组合，则该两种金属的质量比为0.01～100:1；源极金属电极和漏极金属电极的厚度范围均为1nm～10000nm。
进一步的，所述栅介质的材料采用氧化物、氮化物、BaTiO3或者BCB；栅介质厚度范围为0.1nm-100μm。
进一步的，所述栅金属的材料为Ti、Au、Cu、Cr、Pd、Ni、Ag、Al、Mo、W、Fe中的一种金属或者多种金属组成的复合材料或者多种金属组成的合金；栅金属的厚度范围为1nm-10000nm。
使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：衬底上设置碳纳米管；所述衬底的材料采用SiC基材料；
步骤2：在碳纳米管上划分出源极区域，漏极区域，并在源极区域上设置源极金属电极，在漏极区域上设置漏极金属电极；
步骤3：在源极区域和漏极区域之间的沟道区域上划分出栅极区域；去掉除多余的碳纳米管，所述多余的碳纳米管为除源极区域，漏极区域和沟道区域以外的其他区域；
步骤4：在沟道区域上制备栅介质，使得栅介质覆盖住栅极区域；
步骤5：在栅极区域上制备栅金属，从而完成晶体管的制备。
进一步的，所述步骤1中的SiC基材料为SiC单晶体与介质的组合，所述介质为氧化物、氮化物或者BCB，当介质为氧化物时，该氧化物不包括氧化硅；所述介质沉积在SiC单晶体上。
进一步的，所述步骤1中采用化学气相沉积片上生长碳纳米管法、浸泡在碳纳米管分散液中沉积法、旋涂碳纳米管分散液法、喷涂碳纳米管分散液法、基于自组装原理的薄膜沉积法、喷墨打印法、丝网印刷法或者纳米转印法在衬底上设置碳纳米管。
进一步的，所述步骤2和步骤3中在采用紫外曝光、深紫外曝光、电子束刻写、纳米转印技术或印刷电子技术在沟道区域上划分出源极区域，漏极区域和栅极区域。
进一步的，所述的步骤4中采用磁控溅射法、原子层淀积法或旋涂固化法制备栅介质。
有益效果：本方明的衬底采用SiC基材料替代Si、SiO2或Al2O3(蓝宝石)作为碳纳米管晶体管的衬底材料，从而通过减少器件沟道内载流子在碳纳米管和衬底间的界面散射，有效减少了载流子迁移率的降低和器件性能的退化等问题；且还可以提升散热性能，降低由于温度上升引起的声子散射，提高器件工作的稳定性。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为以SiC作为衬底制作的碳纳米管薄膜场效应晶体管器件的截面结构示意图；
图3为以SiC作为衬底制作的碳纳米管薄膜场效应晶体管器件的俯视图；
图4为以在SiC上沉积HfO2薄膜作为衬底制作的剥离自对准T栅碳纳米管薄膜场效应晶体管器件截面结构示意图；
图5是以在SiC作为衬底制作的腐蚀自对准T栅碳纳米管阵列场效应晶体管器件截面结构示意图。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
本实施例提供了一种使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管，包括：衬底和碳纳米管；所述衬底采用SiC基材料，所述SiC基材料为SiC单晶体，或者为SiC单晶体与介质的组合，所述介质为氧化物、氮化物或者BCB(苯并环丁烯)；当SiC基材料为SiC单晶体与介质的组合时，该介质沉积在SiC单晶体上；所述碳纳米管设置在衬底上与衬底接触，所述碳纳米管上设有源极区域，漏极区域和栅极区域，所述源极区域和漏极区域上设有源极金属电极和漏极金属电极；所述栅极区域上设有栅介质，所述栅介质上设有栅金属。
如图1所示，本实施例提供了一种使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管的制备方法，具体为：
步骤1：衬底上设置碳纳米管；所述衬底的材料采用SiC基材料；
步骤2：在碳纳米管上划分出源极区域，漏极区域，并在源极区域上设置源极金属电极，在漏极区域上设置漏极金属电极；
步骤3：在源极金属电极，漏极金属电极之间的沟道区域上划分出栅极区域；去掉除多余的碳纳米管，所述多余的碳纳米管为除源极区域，漏极区域和沟道区域以外的其他区域；
步骤4：在沟道区域上制备栅介质，使得栅介质覆盖住栅极区域；
步骤5：在栅介质上制备栅金属，从而完成晶体管的制备。
当SiC基材料为SiC单晶体与介质的组合时，该介质进一步抑制碳纳米管内载流子与衬底材料界面间的声子散射；进一步减少了散射效应导致载流子迁移率降低的问题，提高了碳纳米管的界面特性。
在本实施例中，所述步骤1中的碳纳米管为单根单壁碳纳米管、碳纳米管取向阵列、碳纳米管网络薄膜或者碳纳米管图案，所述碳纳米管图案由碳纳米管取向阵列或者碳纳米管网络薄膜形成。
在本实施例中，所述步骤1中衬底上设置碳纳米管的方式为：化学气相沉积片上生长碳纳米管法、浸泡在碳纳米管分散液中沉积法、旋涂碳纳米管分散液法、喷涂碳纳米管分散液法、基于自组装原理的薄膜沉积法、喷墨打印法、丝网印刷法或者纳米转印法。
在本实施例中，所述步骤2中的源极金属电极和漏极金属电极采用Au、Pd、Pt、Ti、Al、Cu、Ni、Ag、Cr、Mo、W、Fe中的一种或两种的组合，若采用两种组合，则该两种金属的质量比为0.01～100:1；源极金属电极和漏极金属电极的厚度范围均为1nm～10000nm。
在本实施例中，所述步骤3中在采用紫外曝光、深紫外曝光、电子束刻写、印刷电子或纳米转印技术在沟道区域上划分出栅极区域。
在本实施例中，所述步骤4中的栅介质的材料采用氧化物、氮化物、BCB、或BaTiO3；栅介质厚度范围为0.1nm-100μm。
在本实施例中，所述的步骤4中采用磁控溅射法、原子层淀积法或旋涂固化法制备栅介质。
在本实施例中，所述的步骤5中栅金属的材料为Ti、Au、Cu、Cr、Pd、Ni、Ag、Al、Mo、W、Fe中的一种金属或者多种金属组成的复合材料或者多种金属组成的合金；栅金属的厚度范围为1nm-10000nm。
如图2和图3所示，采用SiC单晶片作为衬底作为碳纳米管场效应晶体管，具体为；
1、光SiC单晶片按常规处理干净并吹干。
2、将半导体型单壁碳纳米管悬浮液通过浸入沉积的方式，在SiC单晶片上沉积一层碳纳米管网络薄膜。
3、在以上样品上，通过平面光刻显影或电子束刻写技术定义器件的有源沟道区域和电极区域，作为需要保留的区域实现光刻胶保护。
4、通过氧等离子体刻蚀实现去掉多余的碳纳米管薄膜，形成碳纳米管晶体管器件的有源沟道区域和电极区域。
5、蒸发Ti/Au作为源/漏极接触金属电极。
6、在定义好的碳纳米管薄膜上通过平面光刻显影或电子束刻写技术进行栅的光刻，选择性曝光露出栅电极区域。
7、以ALD技术生长Al2O3作为栅介质，之后蒸发Ti/Au作为栅金属，其后以标准丙酮、乙醇浸泡剥离工艺剥离掉未曝光区域区域的介质和金属，完成器件栅电极的制备。
如图4所示，在SiC上沉积一层HfO2薄膜作为衬底的制作方法：
1、在SiC单晶片上通过ALD(原子层淀积法)沉积HfO2薄膜。
2、将半导体型单壁碳纳米管悬浮液通过旋涂的方式，在SiC基HfO2衬底上沉积一层碳纳米管网络薄膜。
3、通过自对准技术，在碳纳米管薄膜上通过平面光刻显影或电子束刻写技术进行器件沟道区域、源极区域和漏极区域的光刻，选择性曝光露出栅电极区域，去掉除多余的碳纳米管，所述多余的碳纳米管为除源极区域，漏极区域和沟道区域以外的其他区域。
4、在源极区域和漏极区域蒸发Ti/A作为源极区域和漏极区域的接触金属电极；
5、以ALD技术生长Al2O3作为栅介质，之后蒸发Ti/Au作为栅金属，其后以标准丙酮、乙醇浸泡剥离工艺剥离掉处于栅电极区域中未曝光区域区域的介质和金属，完成器件T栅电极的制备。
如图5所示，在SiC衬底上采用CVD沉积碳纳米管阵列从而制造自对准T栅的FET的方法具体如下所示：
1、在SiC单晶片上在使用化学气相沉积法(CVD)生长单壁碳纳米管阵列。
2、在碳纳米管阵列上沉积一层Au薄膜。
3、利用自对准技术，在Au薄膜上通过平面光刻显影或电子束刻写技术进行T栅电极区域、源极区域和漏极区域的光刻，对T栅电极区域、源极区域和漏极区域选择性曝光。
4、以标准丙酮、乙醇浸泡剥离工艺剥离多余的金属，完成器件源/漏电极的制备
5、在栅电极区域将Au膜腐蚀，暴露出其下的碳纳米管阵列。
6、以ALD技术生长Al2O3作为栅介质，之后在栅介质上蒸发Ti/Au作为栅金属，其后以标准丙酮、乙醇浸泡剥离工艺剥离掉未曝光区域区域的介质和金属，完成器件栅电极的制备；从而完成场效应晶体管的制备。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管，其特征在于，包括：衬底和碳纳米管；所述衬底采用SiC基材料，所述SiC基材料为SiC单晶体与介质的组合，所述介质为氧化物、氮化物或者苯并环丁烯，当介质为氧化物时，所述氧化物不包括氧化硅；所述介质沉积在SiC单晶体上；所述碳纳米管设置在衬底上与衬底接触，所述碳纳米管上设有源极区域，漏极区域和栅极区域，所述源极区域和漏极区域上设有源极金属电极和漏极金属电极；所述栅极区域上设有栅介质，所述栅介质上设有栅金属。
2.根据权利要求1所述的使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管，其特征在于，所述碳纳米管为单根单壁碳纳米管、碳纳米管取向阵列、碳纳米管网络薄膜或者碳纳米管图案，所述碳纳米管图案由碳纳米管取向阵列或者碳纳米管网络薄膜形成。
3.根据权利要求1所述的使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管，其特征在于，所述源极金属电极和漏极金属电极采用Au、Pd、Pt、Ti、Al、Cu、Ni、Ag、Cr、Mo、W、Fe中的一种或两种的组合，若采用两种组合，则该两种金属的质量比为0.01～100:1；源极金属电极和漏极金属电极的厚度范围均为1nm～10000nm。
4.根据权利要求1所述的使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管，其特征在于，所述栅介质的材料采用氧化物、氮化物、BaTiO3或者苯并环丁烯；栅介质厚度为1nm-100μm。
5.根据权利要求1所述的使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管，其特征在于，所述栅金属的材料为Ti、Au、Cu、Cr、Pd、Ni、Ag、Al、Mo、W、Fe中的一种金属或者多种金属组成的复合材料或者多种金属组成的合金；栅金属厚度为1nm-10000nm。
6.基于权利要求1所述的使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1：衬底上设置碳纳米管；所述衬底的材料采用SiC基材料；
步骤2：在碳纳米管上划分出源极区域，漏极区域，并在源极区域上设置源极金属电极，在漏极区域上设置漏极金属电极；
步骤3：在源极区域和漏极区域之间的沟道区域上划分出栅极区域；去掉除多余的碳纳米管，所述多余的碳纳米管为除源极区域，漏极区域和沟道区域以外的其他区域；
步骤4：在沟道区域上制备栅介质，使得栅介质覆盖住栅极区域；
步骤5：在栅极区域上制备栅金属，从而完成晶体管的制备。
7.根据权利要求6所述的使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的SiC基材料为SiC单晶体与介质的组合，所述介质为氧化物、氮化物或者BCB，当介质为氧化物时，所述氧化物不包括氧化硅；介质沉积在SiC单晶体上。
8.根据权利要求6所述的使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤1中采用化学气相沉积片上生长碳纳米管法、浸泡在碳纳米管分散液中沉积法、旋涂碳纳米管分散液法、喷涂碳纳米管分散液法、基于自组装原理的薄膜沉积法、喷墨打印法、丝网印刷法或者纳米转印法在衬底上设置碳纳米管。
9.根据权利要求6所述的使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤2和步骤3中在采用紫外曝光、深紫外曝光、电子束刻写、纳米转印技术或印刷电子技术在沟道区域上划分出源极区域，漏极区域和栅极区域。
10.根据权利要求6所述的使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管的制备方法，其特征在于，所述的步骤4中采用磁控溅射法、原子层淀积法或旋涂固化法制备栅介质。
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