DE112012002037B4 - Kohlenstoff-Feldeffekttransistoren, die geladene Monoschichten aufweisen um den parasitären Widerstand zu verringern sowie Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Kohlenstoff-Feldeffekttransistoren, die geladene Monoschichten aufweisen um den parasitären Widerstand zu verringern sowie Verfahren zu deren Herstellung Download PDF

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Abstract

Transistoreinheit (100), die aufweist:
ein Substrat (110);
eine auf dem Substrat ausgebildete Isolationsschicht (120);
einen auf der Isolationsschicht ausgebildeten Kanal (130), der eine Kohlenstoff-Nanostruktur aufweist;
eine auf dem Kanal ausgebildete Gate-Struktur (140, 150);
eine elektrisch geladene isolierende Monoschicht (160), die die Gate-Struktur und einen Abschnitt des Kanals angrenzend an die Gate-Struktur unmittelbar konform bedeckt;
ein konform auf der geladenen Monoschicht ausgebildetes Isolationsabstandselement (170); und
auf dem Kanal ausgebildete Source- und Drain-Kontakte (180).

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Kohlenstoff-Feldeffekttransistoren, die geladene Monoschichten aufweisen, um den parasitären Widerstand zu verringern, und auf Verfahren zum Erstellen von Kohlenstoff-Feldeffekttransistoren, die geladene Monoschichten aufweisen, um den parasitären Widerstand zu verringern.
  • Hintergrund
  • Die Einbeziehung von Kohlenstoff-Nanostrukturen als Kanalmaterialien in elektronische Einheiten der nächsten Generation bietet zahlreiche Vorteile gegenüber der fortgesetzten Skalierung von Silicium (Si). Bei Kohlenstoff-Nanostrukturen wie zum Beispiel Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen handelt es sich um zwei Formen von Kohlenstoff im Nanobereich, die äußerst hohe Strombelastbarkeit und -beweglichkeiten aufweisen, die die theoretische Grenze für Si um mehrere Größenordnungen übertreffen. Des Weiteren handelt es sich bei (eindimensionalen) Kohlenstoff-Nanoröhren und (zweidimensionalem) Graphen um niedrigdimensionale Materialien (mit ultradünnem Körper), die deshalb in FETs (Feldeffekttransistoren) außerordentlich skaliert werden können, ohne dass nachteilige Kurzkanaleffekte auftreten, die moderne skalierte Einheiten verhindern.
  • Bei einigen herkömmlichen FET-Strukturen, die aus Kohlenstoff-Nanoröhren oder Graphen ausgebildete Kanäle aufweisen, besteht eine Überlappung zwischen den Source/Drain-Elektroden und der Gate-Elektrode, sodass der Kanalbereich zwischen den Source/Drain-Elektroden vollständig Gate-gesteuert wird. Die Überlappung zwischen den Source/Drain-Elektroden und der Gate-Elektrode führt jedoch zu parasitärer Kapazität, die die Leitungsfähigkeit der Schaltung vermindert. Um diese parasitäre Kapazität zu verringern, werden einige herkömmliche FET-Strukturen, die parasitäre Kapazität zu verringern, werden einige herkömmliche FET-Strukturen, die Kohlenstoff-Nanoröhren- oder Graphenkanäle aufweisen, mit nichtüberlappenden Source/Drain- und Gate-Elektroden ausgebildet. Bei diesen Strukturen entsteht ein Leistungsengpass aufgrund eines hohen parasitären Widerstandes in dem Abschnitt des Kanals ohne Gate-Steuerung, was aus der Unterlappung zwischen den Source/Drain-Elektroden und dem Gate resultiert.
  • Im Besonderen werden bei herkömmlichen FET-Strukturen Abstandselemente verwendet, um die Gate-Elektrode gegen die Source/Drain-Elektroden zu isolieren. Der Kanalbereich ohne Gate-Steuerung unter dem Abstandselement stellt einen Bereich mit hohem Widerstand innerhalb des Kanals des FET bereit. Bei herkömmlichen Si-CMOS-Einheiten kann eine Erweiterungsdotierung verwendet werden, um den Widerstand des Kanalbereichs unter den Abstandselementen zu verringern. Bei Graphen- und Kohlenstoff-Nanoröhren-FET-Einheiten kann der Kanal jedoch nicht durch herkömmliche Verfahren dotiert werden. Folglich sind Verfahren zum Verringern des parasitären Widerstandes von Bereichen von Kohlenstoff-Nanostrukturkanälen von FETs ohne Gate-Steuerung erwünscht.
  • Die Druckschrift US 2009 / 0 072 223 A1 betrifft einen Feldeffekttransistor, der umfasst: eine Kohlenstoffnanoröhre mit zwei oder mehr Wänden mit einer Innenwand und einer Außenwand, Source- und Drain-Elektroden, die auf beiden Seiten der Kohlenstoffnanoröhre ausgebildet sind, und eine Gate-Elektrode, die in einem Gate-Bildungsbereich der Kohlenstoff-Nanoröhre ausgebildet ist, wobei die Außenwand der Kohlenstoff-Nanoröhre in dem Gate-Bildungsbereich entfernt wird, um die Innenwand freizulegen, eine isolierende Schicht, die auf der freiliegenden Innenwand gebildet ist, wobei die Gate-Elektrode auf der freiliegenden Innenwand über die isolierende Schicht oder über einen Schottky-Übergang gebildet ist, wobei die Source- und Drain-Elektroden in Kontakt mit der äußeren Wand und der inneren Wand gebildet sind, und wobei die Kohlenstoff-Nanoröhre zwischen den Source- und Drain-Elektroden und der isolierenden Schicht wird von der Außenwand bedeckt.
  • Der Fachzeitschriftenartikel „Y. Lu et al.: ‚DNA Functionalization of Carbon Nanotubes for Ultrathin Atomic Layer Deposition of High K Dielectrics for Nanotube Transistors with 60 mV/Decade Switching‘, in J. Am. Chem. Soc., V128 N11 pp3518-3519, (2006)“ betrifft ein Wachstum von Nanoröhrchen, eine DNA Funktionalisierung, eine Abscheidung eines Dielektrikums, und eine Herstellung von FETs.
  • Die Druckschrift US 2010 / 0 213 435 A1 betrifft eine Schaltvorrichtung, die umfasst: eine erste Schicht, die ein Kohlenstoffmaterial mit einer sechsteiligen Ringnetzwerkstruktur enthält; eine erste Elektrode, die elektrisch mit einem ersten Teil der ersten Schicht verbunden ist; eine zweite Elektrode, die elektrisch mit einem zweiten Teil der ersten Schicht verbunden und von der ersten Elektrode getrennt vorgesehen ist; eine dritte Elektrode mit einem vierten Abschnitt, der gegenüber einem dritten Abschnitt zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt der ersten Schicht vorgesehen ist; und eine zweite Schicht, die zwischen dem dritten Teil der ersten Schicht und dem vierten Teil der dritten Elektrode vorgesehen ist. Die zweite Schicht umfasst: einen Basisabschnitt; und einen funktionellen Gruppenabschnitt. Der funktionelle Gruppenabschnitt ist zwischen dem Basisabschnitt und der ersten Schicht vorgesehen. Der funktionelle Gruppenabschnitt ist an den Basisabschnitt gebunden. Ein Verhältnis von sp2-gebundenem Kohlenstoff und sp3-gebundenem Kohlenstoff der ersten Schicht ist durch eine zwischen der ersten Schicht und der dritten Elektrode angelegte Spannung veränderbar.
  • Die Druckschrift US 2008 / 0 021 339 A1 betrifft nanoelektronische Sensoren zum Erfassen von Analyten wie Anästhesiegase CO2 und dergleichen im menschlichen Atem. Es wird ein integriertes Monitorsystem und eine wegwerfbare Sensoreinheit beschrieben, die es ermöglicht, eine Anzahl verschiedener Anästhesiemittel zu identifizieren und zu überwachen sowie andere Atemspezies, wie z. B. CO2, gleichzeitig zu überwachen. Die Sensoreinheit kann kompakt, leicht und kostengünstig sein. Drahtlose Ausführungsformen bieten solche Verbesserungen wie Fernüberwachung. Es wird auch ein Simulatorsystem zum Modellieren der Inhalte und Zustände der menschlichen Einatmung und Ausatmung mit einer ausgewählten Mischung eines Behandlungsmittels beschrieben, das insbesondere zum Testen von Sensoren geeignet ist, die bei der Atemwegsprobenahme verwendet werden.
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Aspekte der Erfindung beinhalten Kohlenstoff-Transistoreinheiten, die Kanäle, die aus Kohlenstoff-Nanostrukturen ausgebildet sind, wie zum Beispiel Kohlenstoff-Nanoröhren oder Graphen, und geladene Monoschichten aufweisen, um den parasitären Widerstand in Bereichen der Kanäle ohne Gate-Steuerung zu verringern, und Verfahren zum Fertigen von Kohlenstoff-Transistoreinheiten, die geladene Monoschichten aufweisen, um den parasitären Widerstand zu verringern.
  • In einem Aspekt der Erfindung beinhaltet eine Transistoreinheit ein Substrat und eine Isolationsschicht, die auf dem Substrat ausgebildet ist. Ein Kanal, der eine Kohlenstoff-Nanostruktur aufweist, wird auf der Isolationsschicht ausgebildet. Eine Gate-Struktur wird auf dem Kanal ausgebildet. Eine elektrisch geladene isolierende Monoschicht bedeckt unmittelbar die Gate-Struktur und einen Abschnitt des Kanals angrenzend an die Gate-Struktur konform. Ein Isolationsabstandselement wird konform auf der elektrisch geladenen isolierenden Monoschicht ausgebildet. Source- und Drain-Kontakte werden auf dem Kanal ausgebildet.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Ausbilden einer Transistoreinheit ein Ausbilden einer Kanalschicht auf einem Substrat, wobei die Kanalschicht ein Kohlenstoff-Nanostrukturmaterial aufweist, ein Ausbilden einer Gate-Struktur auf der Kanalschicht, ein Ausbilden einer elektrisch geladenen isolierenden Monoschicht, die die Gate-Struktur und einen Abschnitt der Kanalschicht angrenzend an die Gate-Struktur konform bedeckt, ein konformes Ausbilden eines Isolationsabstandselements auf der elektrisch geladenen isolierenden Monoschicht, wobei das konforme Ausbilden eines Isolationsabstandselements auf der elektrisch geladenen isolierenden Monoschicht ein Aufwachsen einer konformen Isolationsschicht oder eines konformen Isolationsmaterials auf einer Fläche der elektrisch geladenen isolierenden Monoschicht aufweist, und ein Ausbilden von Source- und Drain-Kontakten auf freigelegten Abschnitten des Kanals.
  • Diese und sonstige Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich, die in Zusammenhang mit den beigefügten Figuren zu lesen ist.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Querschnittsansicht einer Kohlenstoff-Nanostruktur-Transistoreinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, die eine geladene Monoschicht aufweist, um den parasitären Widerstand zu verringern.
    • 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G, 2H, 2I und 2J veranschaulichen schematisch ein Verfahren zum Erstellen einer Kohlenstoff-Nanostruktur-Transistoreinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, die eine geladene Monoschicht aufweist, um den parasitären Widerstand zu verringern, wobei:
    • 2A eine Querschnittsansicht einer Kohlenstoff-Nanostruktur-Transistoreinheit in einer Anfangsphase der Fertigung ist, die einen mehrschichtigen Stapel aufweist, der ein Substrat, eine Isolationsschicht, eine Kohlenstoff-Kanalschicht, eine Schicht eines Gate-Dielektrikummaterials und eine Schicht eines Gate-Elektrodenmaterials beinhaltet,
    • 2B eine Querschnittsansicht der Struktur von 2A nach einem Ausbilden einer Ätzmaske ist, um einen Gate-Bereich zu definieren,
    • 2C eine Querschnittsansicht der Struktur von 2B nach einem Ätzen der Schicht des Gate-Elektrodenmaterials ist, um eine Gate-Elektrode auszubilden,
    • 2D eine Querschnittsansicht der Struktur von 2C nach einem Ätzen der Schicht des Gate-Dielektrikummaterials bis hinunter zu der Kanalschicht ist,
    • 2E eine Querschnittsansicht der Struktur von 2D nach einem Ausbilden einer geladenen Monoschicht ist, die einen Gate-Stapel und eine freigelegte Fläche der Kanalschicht konform bedeckt,
    • 2F eine Querschnittsansicht der Struktur von 2E nach einem Ausbilden einer photolithographischen Maske ist, um die geladene Monoschicht zu ätzen,
    • 2G eine Querschnittsansicht der Struktur von 2F nach einem Aufwachsen einer Isolationsschicht auf einer Fläche der geladenen Monoschicht ist,
    • 2H eine Querschnittsansicht der Struktur von 2G nach einem Abscheiden einer Schicht eines Metallmaterials ist, um Source/Drain-Kontakte auszubilden,
    • 2I eine Querschnittsansicht der Struktur von 2H nach einem Ausbilden einer photolithographischen Maske ist, um die Schicht des Metallmaterials zu ätzen, und
    • 2J eine Querschnittsansicht der Struktur von 2I nach einem Ätzen der (durch die Maske freigelegten) Schicht des Metallmaterials bis hinunter zu der Schicht des Isolationsabstandselements über dem Gate-Stapel ist, um getrennte Source/Drain-Kontakte auszubilden.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf Transistoreinheiten, die Kanäle, die aus Kohlenstoff-Nanostrukturen wie zum Beispiel Kohlenstoff-Nanoröhren oder Graphen ausgebildet sind, und geladene Monoschichten aufweisen, um den parasitären Widerstand der Kanäle zu verringern, und auf Verfahren zum Fertigen der Transistoreinheiten ausführlich beschrieben. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die jeweiligen Materialien, Merkmale und Bearbeitungsschritte beschränkt ist, die hierin dargestellt und beschrieben werden. Modifizierungen der veranschaulichenden Ausführungsformen werden für Fachleute ersichtlich. Es versteht sich außerdem, dass die verschiedenen Schichten und/oder Bereiche, die in den beigefügten Figuren dargestellt werden, nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind und dass eine oder mehrere Halbleiterschichten und/oder -bereiche eines Typs, der in solchen integrierten Schaltungen gebräuchlich ist, zur einfacheren Erläuterung möglicherweise in einer bestimmten Figur nicht ausdrücklich dargestellt wird. Insbesondere im Hinblick auf Bearbeitungsschritte muss betont werden, dass die hierin bereitgestellten Beschreibungen nicht sämtliche Bearbeitungsschritte umfassen sollen, die zum Ausbilden einer funktionsfähigen integrierten Halbleitereinheit erforderlich sein können. Vielmehr werden bestimmte Bearbeitungsschritte, die beim Ausbilden von Halbleitereinheiten gebräuchlich sind, wie zum Beispiel Nassreinigungs- und Temperschritte, hierin der Effizienz der Beschreibung halber absichtlich nicht beschrieben. Ein Fachmann erkennt jedoch leicht diejenigen Bearbeitungsschritte, die in diesen verallgemeinerten Beschreibungen weggelassen worden sind.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht einer Kohlenstoff-Nanostruktur-Transistoreinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, die eine geladene Monoschicht aufweist, um den parasitären Widerstand zu verringern. Im Besonderen stellt 1 einen Feldeffekttransistor 100 dar, der ein Substrat 110, eine Isolationsschicht 120 auf dem Substrat 110, einen auf der Isolationsschicht 120 ausgebildeten Kanal 130, der eine Kohlenstoff-Nanostruktur aufweist, eine auf dem Kanal 130 ausgebildete Gate-Struktur 140/150, eine geladene Monoschicht 160, die die Gate-Struktur 140/150 und einen Abschnitt des Kanals 130 angrenzend an die Gate-Struktur 140/150 konform bedeckt, ein konform auf der geladenen Monoschicht 160 ausgebildetes Isolationsabstandselement 170 und Source/Drain-Elektroden 180 aufweist, die mit dem Kanal 130 in Kontakt stehen und durch diesen verbunden werden.
  • Das Substrat 110 kann aus Si ausgebildet werden, und bei der Isolationsschicht 120 kann es sich um eine Oxidschicht wie zum Beispiel Siliciumdioxid handeln. Die Gate-Struktur 140/150 weist ein Gate-Dielektrikum 140 und eine Gate-Elektrode 150 auf. Die Gate-Elektrode 150 ist von dem Kanal 130 durch das Gate-Dielektrikum 140 getrennt. Die Source/Drain-Elektroden 180 werden in Kontakt mit dem Kanal 130 an entgegengesetzten Enden des Kanals 130 angrenzend an die Gate-Struktur 140/150 ausgebildet. Die Source/Drain-Elektroden 180 werden durch den Kanal 130 miteinander verbunden. Das Gate 140/150 regelt den Elektronenfluss durch den Kanal 130 zwischen den Source/Drain-Elektroden 180. Der Kanal 130 kann aus einer Kohlenstoff-Nanostruktur wie zum Beispiel einer oder mehreren Kohlenstoff-Nanoröhren oder einem Graphen ausgebildet werden.
  • Bei der Einheitengeometrie von 1 weisen die Source/Drain-Elektroden 180 und die Gate-Elektrode 150 keine Überlappung auf, wodurch die parasitären Gate-Source- und Gate-Drain-Kapazitäten so weit wie möglich vermindert werden, was zu einer auf ein Höchstmaß gesteigerten Betriebsgeschwindigkeit führt. Der Bereich des Kanals 130 ohne Gate-Steuerung unter den Abstandselementen 170 auf jeder Seite des Gate würde jedoch einen Hochwiderstandsbereich in dem Kohlenstoff-Nanostrukturkanal 130 bereitstellen. Die geladene Monoschicht 160 zwischen dem Abstandselement 170 und dem Kanal 130 dient dazu, die Abschnitte des Kanals 130 unter dem Abstandselement 170 ohne Gate-Steuerung „elektrostatisch zu dotieren“, um den parasitären Widerstand des Kanals 130 zwischen den Source/Drain-Elektroden 180 zu verringern. Insbesondere wird die geladene Monoschicht 160 aus einem Material ausgebildet, das eine Ladung in dem Bereich des Kanals 130 unter dem Abstandselement 170 ohne Gate-Steuerung induziert.
  • Die geladene Monoschicht 160 kann aus einem beliebigen geeigneten Material ausgebildet werden, das eine Ladung in der Kanalschicht 130 induzieren und gleichzeitig eine Isolation zwischen der Gate-Elektrode 150 und dem Kanal 130 bereitstellen kann, damit das Gate 150 nicht gegenüber dem Kanal 130 elektrisch kurzgeschlossen wird. Bei einer Ausführungsform wird die geladene Monoschicht 160 aus DNA-Material ausgebildet, das eine Isolation zwischen dem Gate und dem Kanal bereitstellt und gleichzeitig eine Ladung aufweist, um eine Ladung in der Kanalschicht zu induzieren. Die geladene Monoschicht 160 kann aus einem beliebigen geeigneten organischen Material oder aus Biomolekülen ausgebildet werden. Bei der geladenen Monoschicht 160 kann es sich um eine selbstorganisierende Monoschicht eines Materials handeln, das die Eigenschaften aufweist, eine Isolation zwischen der Gate-Elektrode 150 und dem Kanal 130 bereitzustellen und dabei eine Ladung aufzuweisen, um eine Ladung in der Kanalschicht 130 zu induzieren. Wie im Folgenden weiter ausführlich beschrieben wird, dient die geladene Monoschicht 160 ferner als Keimschicht oder als Grundlage, um darauf das Isolationsabstandselement 170 aufzuwachsen, wodurch ein Schritt zur Fertigung eines selbstausgerichteten Abstandselements bereitgestellt wird.
  • 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G, 2H, 2I und 2J veranschaulichen schematisch ein Verfahren zum Erstellen einer Kohlenstoff-Nanostruktur-Transistoreinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, die eine geladene Monoschicht aufweist, um den parasitären Widerstand zu verringern. Im Besonderen sind 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G, 2H, 2I und 2J Querschnittsansichten eines Abschnitts der Halbleiter-FET-Einheit 100 von 1 in verschiedenen Phasen der Fertigung. 2A ist eine Querschnittsansicht der FET-Einheit 100 in einer Anfangsphase der Fertigung, wobei ein mehrschichtiger Stapel ausgebildet ist, der das Substrat 110, die Isolationsschicht 120, die Kohlenstoff-Kanalschicht 130, eine Schicht 145 eines Gate-Dielektrikummaterials, die über der Kanalschicht 130 ausgebildet ist, und eine Schicht 155 eines Gate-Elektrodenmaterials aufweist, die über der Schicht 145 des Gate-Dielektrikummaterials ausgebildet ist.
  • Die Stapelstruktur von 2A kann durch Abscheiden eines Isolationsmaterials über einem Vollsubstrat gefertigt werden, um die Isolationsschicht 120 auf dem Substrat 110 auszubilden. Bei dem Substrat 110 kann es sich um ein (stark dotiertes oder schwach dotiertes) Siliciumsubstrat handeln, und die Isolationsschicht 120 kann aus einem Oxidmaterial wie zum Beispiel SiO2 oder einem Nitridmaterial wie zum Beispiel Si3N4 ausgebildet werden. Die Dicke der Isolationsschicht 120 kann in einem Bereich von 10 nm bis zu mehreren um liegen, sofern sie ein ausreichendes Isolationsvermögen bereitstellt.
  • Die Kohlenstoff-Kanalschicht 130 weist eine Kohlenstoff-Nanostruktur wie zum Beispiel Kohlenstoff-Nanoröhren oder Graphen auf, die auf der Isolationsschicht 120 ausgebildet ist, um als Kanal der FET-Einheit zu dienen. Eine Vielfalt bekannter Verfahren kann zum Ausbilden der Kohlenstoff-Nanoröhren- oder Graphen-Kanalschicht 130 auf der Isolationsschicht 120 verwendet werden. Lediglich als Beispiel können Übertragungstechniken wie zum Beispiel eine Übertragung von einem Aufwachssubstrat für Kohlenstoff-Nanoröhren oder ein Abschälen für Graphen eingesetzt werden. Diese Übertragungsprozesse sind Fachleuten bekannt, und folglich werden Einzelheiten solcher Prozesse hierin nicht weiter beschrieben. Bei anderen Ausführungsformen können Kohlenstoffmaterialen wie zum Beispiel Kohlenstoff-Nanoröhren oder Graphen auf der Isolationsschicht 120 mithilfe einer Zufallsverteilung (aus der Lösung) oder sonstigen bekannten Verfahren wie zum Beispiel Techniken zur chemischen Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) abgeschieden oder aufgewachsen werden.
  • Die Schicht 145 des Gate-Dielektrikummaterials kann aus einem oder mehreren Typen bekannter Dielektrikummaterialien wie zum Beispiel Siliciumdioxid (SiO2), Siliciumnitrid (Si3N4), Hafniumoxid (HfO2) oder sonstigen High-k-Materialien (mit hoher Dielektrizitätskonstante) ausgebildet werden, die durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) oder sonstige bekannte Verfahren abgeschieden werden. Die Schicht 145 des Gate-Dielektrikummaterials kann in einer Dicke von weniger als etwa 10 Nanometern (nm), z.B. in einer Dicke von etwa drei nm bis etwa 10 nm ausgebildet werden. Die Schicht 145 des Gate-Dielektrikummaterials kann ein dielektrisches High-k-Material wie zum Beispiel TiO2 und HfO2 usw. aufweisen, um die Transkonduktanz der Einheit zu erhöhen.
  • Die Schicht 155 des Gate-Elektrodenmaterials kann aus einem oder mehreren Typen von Metallmaterialien ausgebildet und mithilfe bekannter Verfahren abgeschieden werden. Im Besonderen kann die Schicht 155 des Gate-Elektrodenmaterials aus einem Metallmaterial oder einer Kombination aus Metallen ausgebildet werden, die z.B. mithilfe von Sputtern oder Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden werden. Es können beliebige bekannte, gebräuchliche Metalle zum Ausbilden der Gate-Elektrode verwendet werden, und die jeweils ausgewählten Metalle können für p-Kanal- und n-Kanal-Einheiten variieren, um die Schwellenspannung entsprechend einzustellen. Lediglich als Beispiel zählen zu geeigneten Gate-Metallen Gold (Au), Aluminium (AI), Titan (Ti) und/oder Palladium (Pd), ohne auf diese beschränkt zu sein. Alternativ kann die Schicht 155 des Gate-Elektrodenmaterials aus Poly-Silicium (Poly-Si) ausgebildet werden, wobei das Poly-Si dotiert werden kann, um eine gewünschte Austrittsarbeit und Leitfähigkeit zu erzielen. Die Techniken zum Dotieren von Poly-Si sind Fachleuten bekannt und werden daher hierin nicht weiter beschrieben.
  • Ein nächster Schritt in dem beispielhaften Fertigungsprozess weist ein Ätzen der Schicht 155 des Gate-Elektrodenmaterials und der Schicht 145 des Gate-Dielektrikummaterials auf, um eine Gate-Stapelstruktur auszubilden. Im Besonderen ist 2B eine Querschnittsansicht der Struktur von 2A nach einem Ausbilden einer Ätzmaske 200 mithilfe photolithographischer Verfahren, um einen Gate-Bereich zu definieren. Die lithographische Maske 200, die einen Photolack oder ein alternatives Maskenmaterial aufweisen kann, dient als Ätzmaske zum Ätzen der Schicht 155 des Gate-Elektrodenmaterials bis hinunter zu der Schicht 145 des Gate-Dielektrikummaterials mithilfe eines ersten Ätzprozesses 205. Der erste Ätzprozess 205 kann mithilfe eines anisotropen Trockenätzprozesses wie zum Beispiel eines RIE (reactive ion etch, reaktives lonenätzen) -Prozesses oder eines beliebigen sonstigen gebräuchlichen Ätzprozesses durchgeführt werden, um das Material zu ätzen, das die Schicht 155 des Gate-Elektrodenmaterials ausbildet.
  • 2C ist eine Querschnittsansicht der Struktur von 2B nach einem Ätzen der Schicht 155 des Gate-Elektrodenmaterials, um die Gate-Elektrode 150 auszubilden. Anschließend wird ein zweiter Ätzprozess 210 durchgeführt, um die Schicht 145 des Gate-Dielektrikummaterials bis hinunter zu der Kanalschicht 130 zu ätzen, um das Gate-Dielektrikum 140 auszubilden. Die Schicht 145 des Gate-Dielektrikummaterials kann mithilfe eines chemischen Nassätzprozesses (wie zum Beispiel mit verdünntem HF) oder sonstiger Verfahren geätzt werden, die selektiv gegenüber der Kanalschicht 130 sind, sodass durch den Dielektrikumätzprozess 210 kein Ätzschaden an der Kanalschicht 130 verursacht wird. 2D ist eine Querschnittsansicht der Struktur von 2C nach einem Ätzen der Schicht 145 des Gate-Dielektrikummaterials bis hinunter zu dem Kanal 130, was in der in 1 dargestellten Gate-Stapelstruktur 140/150 resultiert.
  • Ein nächster Schritt in dem beispielhaften Fertigungsprozess besteht darin, eine geladene Monoschicht über der Struktur von 2D auszubilden. 2E ist eine Querschnittsansicht der Struktur von 2D nach einem konformen Ausbilden einer geladenen Monoschicht 165, die die oberen und seitlichen Flächen des Gate-Stapels 140/150 und die freigelegte Fläche der Kanalschicht 130 konform bedeckt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die geladene Monoschicht 165 aus DNA ausgebildet werden (wodurch eine DNA-Nanostruktur bereitgestellt wird). Zu sonstigen Materialien, die als geladene Monoschicht dienen können, die zum Ausbilden der Monoschicht 165 verwendet werden können, zählen DNA-Analoga wie zum Beispiel LNA usw., Peptide, geladene Lipiddoppelschichten, SAM wie etwa PAA, PAH, Silane usw., ohne auf diese beschränkt zu sein.
  • Bei der geladenen Monoschicht 165 kann es sich um eine selbstorganisierende Monoschicht (self-assembled monolayer, SAM) handeln. Im Hinblick auf selbstorganisierende Monoschichten ist bekannt, dass sich organische Moleküle, die bestimmte terminale Kopfgruppen enthalten, selbst aus der Lösung ansammeln und so Monoschichten auf bestimmten Oberflächen ausbilden. Die gebräuchlichsten Monoschichten werden aus organischen Thiolen, die sich an Goldsubstrate anlagern, organischen Alkoxy- oder Chlorsilanen, die mit Siliciumdioxid reagieren, oder Phosphonsäuren, Hydroxamsäuren oder Carbonsäuren ausgebildet, die mit Metalloxiden reagieren. Die Monoschichten werden durch die Chemisorption der Kopfgruppe an die Oberfläche und die Ausbildung von kovalenten Bindungen (bei Silanen oder Thiolen) oder einer lonenbindung (bei Säuren) der terminalen Kopfgruppe mit der Oberfläche sowie durch intermolekulare Wechselwirkungen zwischen den Molekülen wie zum Beispiel durch Van-der-Waals-Kräfte, Pi-Pi-Wechselwirkungen oder Wasserstoffbindung stabilisiert. Selbstorientierende Monoschichten werden hergestellt, indem Substrate in einer Lösung platziert werden, die die Moleküle, die die Monoschicht bilden, in einem reaktionsunfähigen, niedrigsiedenden Lösungsmittel enthalten.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Flächen vorhanden, wodurch es erforderlich würde, beim Ausbilden der geladenen Monoschicht 165 DNA- oder sonstige Biomoleküle anzulagern. Im Hinblick auf Metallmaterialien (z.B. die Gate-Elektrode 150), die eine Metall-Biomolekül-Konjugation erfordern, können zum Beispiel DNA/Biomolekülschichten entweder durch direkte Physisorption von Biomolekülen an Oberflächen oder durch Einbringen von selbstorganisierenden Zwischenmonoschichten auf Metallen ausgebildet werden. Bei Goldelektroden ist zum Beispiel Thiolchemie gebräuchlich, um Biomoleküle kovalent an die Goldoberfläche zu binden. Zudem können Oligos mit inkorporierten Thiolgruppen synthetisiert werden, wohingegen bei einem Protein die funktionellen Thiolgruppen durch Cysteine natürlich gebildet werden.
  • Im Hinblick auf die Kohlenstoff-Nanostrukturmaterialien (z.B. Kohlenstoff-Nanoröhren oder Graphen), die die Kohlenstoff-Kanalschicht 130 ausbilden, wozu eine Kohlenstoff-Biomolekül-Konjugation erforderlich ist, ist des Weiteren bekannt, dass DNA-Basen im Besonderen planare aromatische Strukturen aufweisen, die einem Koordinieren mit der hexagonalen Kohlenstoffstruktur eines Graphitmaterials dienlich sind. Nach dem Stand der Technik ist bekannt, dass alle vier stickstoffhaltigen DNA-Basen starke Adsorptionsaffinitäten an eine Graphitoberfläche aufweisen, die Stärke variiert jedoch. Im Hinblick darauf können sich DNA-Basen auf einer Graphitoberfläche durch Wasserstoffbindungs-Wechselwirkungen in Deckung mit der darunter liegenden Gitterstruktur ansammeln. Für die Adsorption von DNA an Graphitoberflächen ist keine intermediäre Chemie erforderlich.
  • Nach dem Ausbilden der Monoschicht 165 wird ein üblicher photolithographischer Prozess durchgeführt, um Abschnitte der geladenen Monoschicht 165 von Source/Drain-Kontaktbereichen wegzuätzen. 2F ist eine Querschnittsansicht der Struktur von 2E nach einem Ausbilden einer photolithographischen Maske, um die geladene Monoschicht 165 zu ätzen. Wie in 2F dargestellt, wird eine photolithographische Maske 215 über der Gate-Struktur 140/150 und auf den Abschnitten der Monoschicht 165 angrenzend an den Gate-Stapel auf dem Kanal 130 ausgebildet. Es wird ein Ätzprozess 220 durchgeführt, um den freigelegten Abschnitt der Monoschicht 165 in den Source/Drain-Bereichen zu entfernen, um die Auskleidung 160 der geladenen Monoschicht von 1 auszubilden. Wenn die geladene Monoschicht 165 aus einem DNA-Material ausgebildet ist, kann zum Beispiel eine beliebige bekannte, proprietäre oder nichtproprietäre Lösung für eine Nassätzung einer DNA-Schicht zusammen mit einer kurzen Säurebehandlung verwendet werden. Zusammen mit einer thermischen Temperung können einige bekannte Lösungen verwendet werden, um eine DNA-Dünnschicht durch Spalten der DNA durch Aufbrechen von Phosphordiesterbindungen zu ätzen. Darüber hinaus kann auch ein Ätzprozess mithilfe von Wasserstoffperoxid und/oder Natriumhydroxid verwendet werden, um eine DNA-Dünnschicht zu entfernen.
  • Als Nächstes wird ein Isolationsmaterial abgeschieden, um das in 1 dargestellte Isolationsabstandselement 170 auszubilden. 2G ist eine Querschnittsansicht der Struktur von 2F nach einem Aufwachsen einer Isolationsschicht 170 auf einer Fläche der geladenen Monoschicht 160. Isolationsmaterialien wie zum Beispiel SiO2 oder ein Nitrid können mithilfe von ALD, CVD oder sonstigen Verfahren auf der Fläche der geladenen Monoschicht 160 abgeschieden werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform, bei der die geladene Monoschicht 160 aus DNA ausgebildet ist, dient die DNA-Monoschicht als Abscheidungsbeschleuniger für das Isolationsmaterial, und folglich findet die ALD des Isolationsmaterials lediglich auf Flächen der DNA-Monoschicht statt. Aufgrund des inerten Charakters von Kohlenstoffmaterialien, die die Kanalschicht 130 ausbilden, werden die Source/Drain-Bereiche der Kohlenstoff-Kanalschicht 130 nicht durch das Isolationsmaterial bedeckt, das abgeschieden wird.
  • Als Nächstes wird eine Schicht eines Metallmaterials über der Struktur von 2G abgeschieden, um Source/Drain-Kontakte auszubilden. 2H ist eine Querschnittsansicht der Struktur von 2G nach einem Abscheiden einer Schicht eines Metallmaterials 185, die anschließend geätzt wird, um Source/Drain-Kontakte auszubilden. In 2H kann die Schicht des Metallmaterials 185 durch Abscheiden eines oder mehrerer Arten Metall wie zum Beispiel Pd, AI, Ti oder sonstiger Metalle durch Sputtern, Verdampfen oder sonstige Verfahren ausgebildet werden. Zu sonstigen möglichen Kontaktmetallen zählen Wolfram (W), Titangold (Au), Silber (Ag), Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Niob (Ni) und/oder sonstige Kombinationen davon, ohne auf diese beschränkt zu sein.
  • Als Nächstes werden die in 1 dargestellten Source/Drain-Kontakte 180 durch Strukturieren und Ätzen der Schicht des Metallmaterials 185 von 2H ausgebildet. Beispielsweise ist 2I eine Querschnittsansicht der Struktur von 2H nach einem Ausbilden einer photolithographischen Maske 225, um die Schicht des Metallmaterials 185 zu ätzen. Wie in 2I dargestellt, definiert die Maske 225 eine Öffnung 226 über der Gate-Stapelstruktur, die Abschnitte der Schicht des Metallmaterials 185 freilegt, das mithilfe eines geeigneten Ätzprozesses 230 bis hinunter zu der Schicht 170 des Isolationsabstandselements weggeätzt werden soll. Der Ätzprozess 230 kann mithilfe von RIE oder sonstigen Verfahren zum Ätzen des Metallmaterials durchgeführt werden, das die Schicht 185 ausbildet.
  • 2J ist eine Querschnittsansicht der Struktur von 2I nach einem Ätzen der (durch die Maske freigelegten) Schicht des Metallmaterials, wodurch eine Öffnung 235 bis hinunter zu der Schicht 170 des Isolationsabstandselements über dem Gate-Stapel ausgebildet ist. Durch diesen Prozess werden getrennte Source/Drain-Elektroden ausgebildet. Anschließend wird die Maske 225 entfernt, um die Einheit zu erzielen, wie sie in 1 dargestellt wird. Bei einer alternativen Ausführungsform, die mit der Struktur von 2H beginnt, kann die Schicht des Metallmaterials 185 mithilfe eines CMP (chemical mechanical polish, chemisch-mechanisches Polieren) - Prozesses bis hinunter zu der oberen Fläche des Isolationsabstandselements 170 poliert werden, um die getrennten Source/Drain-Kontakte 180 auszubilden.
  • Es versteht sich, dass ein oder mehrere Kohlenstoff-Nanostruktur-FETs, wie sie hierin beschrieben werden, in elektronischen Einheiten wie zum Beispiel Dioden und Transistoren sowohl in analogen als auch in digitalen Schaltungen verwendet werden können und/oder auf andere Weise verwendet werden können, um integrierte Halbleiterschaltungen für verschiedene Arten von Anwendungen auszubilden.

Claims (17)

  1. Transistoreinheit (100), die aufweist: ein Substrat (110); eine auf dem Substrat ausgebildete Isolationsschicht (120); einen auf der Isolationsschicht ausgebildeten Kanal (130), der eine Kohlenstoff-Nanostruktur aufweist; eine auf dem Kanal ausgebildete Gate-Struktur (140, 150); eine elektrisch geladene isolierende Monoschicht (160), die die Gate-Struktur und einen Abschnitt des Kanals angrenzend an die Gate-Struktur unmittelbar konform bedeckt; ein konform auf der geladenen Monoschicht ausgebildetes Isolationsabstandselement (170); und auf dem Kanal ausgebildete Source- und Drain-Kontakte (180).
  2. Transistoreinheit nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoff-Nanostruktur eine Kohlenstoff-Nanoröhre aufweist.
  3. Transistoreinheit nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoff-Nanostruktur Graphen aufweist.
  4. Transistoreinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei der elektrisch geladenen isolierenden Monoschicht um eine selbstorganisierende Monoschicht handelt.
  5. Transistoreinheit nach der Ansprüche 1-3, wobei die elektrisch geladene isolierende Monoschicht aus DNA ausgebildet ist.
  6. Transistoreinheit nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die elektrisch geladene isolierende Monoschicht aus einem organischen Material ausgebildet ist.
  7. Transistoreinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gate-Struktur eine dielektrische Schicht (160) auf dem Kanal und eine Metallschicht (150) auf der dielektrischen Schicht aufweist.
  8. Transistoreinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gate-Struktur und die Source- und Drain-Kontakte einerseits von dem Kanal angeordnet sind.
  9. Transistoreinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Abschnitt des Kanals an einen anderen Abschnitt des Kanals angrenzt, wobei der andere Abschnitt des Kanals an den Source-Kontakt oder den Drain-Kontakt angrenzt.
  10. Integrierte Halbleiterschaltung, die eine Vielzahl von Transistoreinheiten nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
  11. Verfahren zum Ausbilden einer Transistoreinheit (100), das aufweist: Ausbilden einer Kanalschicht (130) auf einem Substrat (110), wobei die Kanalschicht ein Kohlenstoff-Nanostrukturmaterial aufweist; Ausbilden einer Gate-Struktur (140, 150) auf der Kanalschicht; Ausbilden einer elektrisch geladenen isolierenden Monoschicht (160), die die Gate-Struktur und einen Abschnitt der Kanalschicht angrenzend an die Gate-Struktur konform bedeckt; konformes Ausbilden eines Isolationsabstandselements (170) auf der elektrisch geladenen isolierenden Monoschicht, wobei das konforme Ausbilden eines Isolationsabstandselements auf der elektrisch geladenen isolierenden Monoschicht ein Aufwachsen einer konformen Isolationsschicht oder eines konformen Isolationsmaterials auf einer Fläche der elektrisch geladenen isolierenden Monoschicht aufweist; und Ausbilden von Source- und Drain-Kontakten (180) auf freigelegten Abschnitten des Kanals.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Ausbilden einer Kanalschicht ein Ausbilden einer Kohlenstoff-Nanoröhre aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Ausbilden einer Kanalschicht ein Ausbilden eines Graphenkanals aufweist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-13, wobei das Ausbilden einer elektrisch geladenen isolierenden Monoschicht ein Ausbilden einer selbstorganisierenden Monoschicht aufweist.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-13, wobei das Ausbilden einer elektrisch geladenen isolierenden Monoschicht ein Ausbilden einer Dünnschicht eines DNA-Materials aufweist.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-13, wobei das Ausbilden einer elektrisch geladenen isolierenden Monoschicht ein Ausbilden einer Dünnschicht eines organischen Materials aufweist.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-16, wobei das Ausbilden der Gate-Struktur ein Ausbilden einer Gate-Dielektrikumschicht (140) auf dem Kanal und ein Ausbilden einer Gate-Metallschicht (150) auf der dielektrischen Schicht aufweist.
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