TWI419834B - 以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

Description

以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置及其製造方法

本發明係關於一種具有奈米碳管開關的半導體裝置及其製造方法，特別是關於一種以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置及其製造方法。

已知奈米碳管(carbon nanotube，CNT)具有優異的電學性質，因此奈米碳管具有相當大的潛力應用於各種奈米等級的電子元件中，例如做為各種微機電系統(micro-electromechanical systems，MEMS)的組成元件等，其中先前相關研究實驗即曾以電場或磁場來控制包含奈米碳管的電子元件，例如以電場方式控制的奈米碳管場效電晶體(carbon nanotube field effect transistor，CNTFET)。另一方面，若是以磁場控制包含奈米碳管的電子元件，則目前均使用外部磁場(也就是在元件的外部另外施加的磁場)。根據先前研究結果發現外加磁場不會造成奈米碳管的幾何結構有所改變，卻可以輕易的改變其電子排列結構，故對原本為半導體性的奈米碳管外加一磁場，將可使奈米碳管轉變為金屬性的奈米碳管。反之，對原本為金屬性的奈米碳管外加一磁場可使其轉變為半導體性的奈米碳管。藉此，將有利於在電子元件中提供具有開關特性的結構。然而，該外加磁場的磁通量密度在實驗室內需高達35 tesla(特斯拉)，因此不利於上述包含奈米碳管的電子元件的實際應用。

再者，如美國公告第7,508,039號發明專利揭示一種奈米碳管多工器、電路及致動器(Carbon nanotube(CNT) multiplexers,circuits,and actuators)，其中以奈米碳管為基礎之裝置包含有一致動器/開關，其具有至少一個固定式奈米碳管及一可動式奈米碳管。藉由一控制導體內的電流所產生的磁場，可驅動該可動式奈米碳管朝向一選定的固定式奈米碳管進行移動並與其接觸。該控制導體亦由至少一個的奈米碳管所製成，而固定式及可動式奈米碳管則位於一基材內。該可動式奈米碳管的動作受限於該基材定義形成的一腔室。

在上述以奈米碳管為基礎之裝置中，其係以由奈米碳管製成的控制導體來提供一種內部磁場，以控制該可動式奈米碳管的移動，使該可動式奈米碳管的動作選擇接觸或不接觸該固定式奈米碳管，因而在裝置中提供具有開關特性的結構。然而，此裝置的技術問題在於：目前不易取得足夠長度且絕對筆直的奈米碳管，並且也難以提供一具理想良率的可行製程將筆直的奈米碳管置入奈米或微米尺寸的腔室中，並仍保持其可移動性。再者，在長期進行接觸碰撞的開關動作下，該可動式奈米碳管及該固定式奈米碳管是否能保持結構可靠度與作動穩定性等，皆是影響該裝置的實際應用價值的關鍵因素。

故，有必要提供一種以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置及其製造方法，以解決習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置，其係在金屬電極層之一對電極部之間設置至少一奈米碳管，且奈米碳管的下方另預先形成一感應磁場電路，感應磁場電路可產生內嵌式感應磁場來以非接觸的方式切換該奈米碳管的導電性，以便在該二電極部之間提供一種非接觸式的開關切換模式，因而有利於提高奈米碳管開關的結構可靠度與作動穩定性，並簡化其構造。

本發明之次要目的在於提供一種以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置之製造方法，其係採用碳氫化合物氣相熱分解法(thermal decomposition of hydrocarbon vapor)，其中於甲烷氣體及高溫環境下可在一對具催化特性的電極部之間自組裝(self- assembly)形成至少一奈米碳管，且該奈米碳管的下方另預先以半導體電路製程形成一感應磁場電路，上述製程簡易且可行，因而有利於提高奈米碳管開關的可生產性及製造良率，並可滿足元件微小化的微機電發展需求。

為達上述之目的，本發明提供一種以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置，其包含：一基板；一感應磁場電路，形成在該基板上；一絕緣層，形成在該感應磁場電路上，並具有二絕緣部；一金屬電極層，形成在該絕緣層上，該金屬電極層由具催化形成奈米碳管特性之金屬製成，並具有二電極部分別堆疊於該二絕緣部上；以及至少一奈米碳管，連接在該二電極部之間。

在本發明的一實施例中，該感應磁場電路之電路方向係平行於該奈米碳管之延伸方向；或該感應磁場電路之電路方向係垂直於該奈米碳管之延伸方向。

在本發明的一實施例中，該基板包含：一基材層；以及一絕緣表層，形成在該基材層上；其中該感應磁場電路形成在該絕緣表層上。

在本發明的一實施例中，該基材層為矽晶圓；及該絕緣表層之材料為二氧化矽(SiO₂ )。

在本發明的一實施例中，該感應磁場電路與絕緣層之間另包含一第一阻擋層(barrier layer)，該第一阻擋層具有二阻擋部，該二阻擋部堆疊於該二絕緣部及該二電極部之間。

在本發明的一實施例中，該絕緣層之材料為二氧化矽，該第一阻擋層之材料為氮化鈦(TiN)。

在本發明的一實施例中，該感應磁場電路之材料為銅或其合金。

在本發明的一實施例中，該具催化形成奈米碳管特性之金屬係選自鎳(Ni)或其合金。

在本發明的一實施例中，該奈米碳管為單壁型奈米碳管(SWNT)或多壁型奈米碳管(MWNT)。該奈米碳管另可選擇性摻雜有鈦(Ti)。

在本發明的一實施例中，在該金屬電極層上另包含一第二阻擋層，其具有二覆蓋部係分別堆疊於該二電極部上。

在本發明的一實施例中，該第二阻擋層之材料為不具催化形成奈米碳管特性之金屬，例如為鈦或其合金。

另一方面，本發明提供一種以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置之製造方法，其包含下列步驟：提供一基板，並在該基板上形成一感應磁場電路；在該感應磁場電路上形成一絕緣層；在該絕緣層上形成一金屬電極層，其係由具催化形成奈米碳管特性之金屬製成；蝕刻該金屬電極層，使該金屬電極層對應形成二電極部；以及於甲烷氣體及高溫環境下在該二電極部之間自組裝形成至少一奈米碳管。

在本發明的一實施例中，在形成該絕緣層之後及形成該金屬電極層之前，另包含：在該絕緣層上形成一第一阻擋層。

在本發明的一實施例中，在形成該金屬電極層之後及形成該奈米碳管之前，另包含：在該金屬電極層上形成一第二阻擋層。

在本發明的一實施例中，在進行蝕刻時，該絕緣層、該第一阻擋層及該第二阻擋層對應形成二絕緣部、二阻擋部及二覆蓋部，其中該二絕緣部、該二阻擋部、該二電極部及該二覆蓋部依序相互堆疊。

在本發明的一實施例中，該高溫環境為800℃。

在本發明的一實施例中，在使用該甲烷氣體前，另先使用氫氣(H₂ )或氨氣(NH₄ )對該二電極部進行預處理。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照第1圖所示，本發明第一實施例之以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置主要包含：一基材層11、一絕緣表層12、一感應磁場電路13、一絕緣層14、一第一阻擋層(barrier layer)15、一金屬電極層16、一第二阻擋層17及至少一奈米碳管18，其中該基材層11及絕緣表層12又合稱為一基板，而該感應磁場電路13、金屬電極層16及奈米碳管18則為構成一奈米碳管開關的主要關鍵部份。本發明第一實施例將配合下述製造方法之各步驟及所附圖示來逐一詳細說明上述各元件。

請參照第1圖所示，本發明第一實施例之以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置之製造方法首先係：提供一基板，並在該基板上形成一感應磁場電路13。在本步驟中，該基板包含該基材層11及該絕緣表層12，其中該絕緣表層12形成在該基材層12上。該基材層11較佳為矽晶圓，但亦可能為玻璃板、砷化鎵晶圓或其他基材。若該基材層11選自矽晶圓，則該絕緣表層12之材料較佳為二氧化矽(SiO₂ )，該絕緣表層12之厚度介於200至1000奈米(nm)之間，例如500 nm。該感應磁場電路13係利用傳統半導體之電路圖案化製程(金屬層物理沈積、光阻層、曝光、顯影、蝕刻、去除光阻層)來形成在該基板之絕緣表層12上。該感應磁場電路13之材料較佳選自銅(Cu)或其合金，且該感應磁場電路13之厚度可介於100至1000 nm之間，例如300 nm；及其線路寬度係可依實施所需磁場大小而進行調整，故本發明並不加以限制。在本實施例中，該感應磁場電路13之電路方向係由左側延伸至右側，且實際上該感應磁場電路13另電性連接至同一層或不同層之其他電路，但為了簡化圖示，故於圖中不予逐一繪出。

請參照第1圖所示，本發明第一實施例之以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置之製造方法接著係：在該感應磁場電路13上形成一絕緣層14，並在該絕緣層14上形成一第一阻擋層15。在本步驟中，該絕緣層14之材料較佳為二氧化矽，該絕緣層14可利用傳統半導體製程形成在該感應磁場電路13上，該絕緣層14之厚度可介於200至1000 nm之間，例如500 nm。再者，該第一阻擋層15之材料較佳為氮化鈦(TiN)或其他具導電性的等效化合物，該第一阻擋層15可利用濺鍍等物理沈積方式形成在該絕緣層14上，該第一阻擋層15之厚度可介於10至100 nm之間，例如20 nm。該第一阻擋層15的作用在於：在後續形成該奈米碳管18期間，用以防止該金屬電極層16垂直向下形成不必要的多餘奈米碳管。

請參照第1圖所示，本發明第一實施例之以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置之製造方法接著係：在該第一阻擋層15上形成一金屬電極層16，其係由具催化形成奈米碳管特性之金屬製成。在本步驟中，該金屬電極層16係利用濺鍍等物理沈積方式形成在該第一阻擋層15上，該金屬電極層16之厚度可介於1至10 nm之間，例如5 nm。再者，該金屬電極層16需由具催化形成奈米碳管特性之金屬製成，例如較佳選自鎳(Ni)或其合金。值得注意的是，該金屬電極層16之厚度需控制在一較薄程度，以避免後續形成太多不必要且多餘之奈米碳管。在本實施例中，該金屬電極層16之排列方向係在左側及右側對稱設置，且實際上該金屬電極層16的兩側另電性連接至同一層或不同層之其他電路，但為了簡化圖示，故於圖中不予逐一繪出

請參照第1圖所示，本發明第一實施例之以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置之製造方法接著係：在該金屬電極層16上形成一第二阻擋層17。在本步驟中，該第二阻擋層17之材料為不具催化形成奈米碳管特性之金屬，例如為鈦或其合金。該第二阻擋層17係利用濺鍍等物理沈積方式形成在該金屬電極層16上，且該第二阻擋層17之厚度可介於100至500 nm之間，例如300 nm。該第二阻擋層17的作用在於：在後續形成該奈米碳管18期間，用以防止該金屬電極層16垂直向上或往其上表面形成不必要的多餘奈米碳管，同時也能減少該金屬電極層16與該奈米碳管18之間的電阻值。

請參照第1圖所示，本發明第一實施例之以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置之製造方法接著係：蝕刻該第一阻擋層15及金屬電極層16，使該金屬電極層16形成二電極部161、162。在本步驟中，本發明可使用等向性蝕刻(isotropic etching，例如適當蝕刻劑的濕式蝕刻)或非等向性蝕刻(anisotropic etching，例如電漿乾式蝕刻)，來依序蝕刻或同時蝕刻去除一部份之絕緣層14、第一阻擋層15、金屬電極層16及第二阻擋層，如此其可對應每一奈米碳管開關分別圖案化形成一對類似T形的對稱構形。

更詳言之，也就是該絕緣層14具有二絕緣部141、142，該第一阻擋層15具有二阻擋部151、152；該二阻擋部151、152對應堆疊於該二絕緣部141、142上；該金屬電極層16具有二電極部161、162，該二電極部161、162對應堆疊於該二阻擋部151、152上；以及該第二阻擋層17具有二覆蓋部171、172，該二覆蓋部171、172對應堆疊於該二電極部161、16上。上述分設於兩側之T形構形各具有一突出之探針狀尖端，其相向對稱設置，該探針狀尖端處具有一最小間距(亦稱為電極間距，d_gap )，該間距介於1至5微米(μm)，例如為2μm，同時該探針狀尖端之端面寬度介於5至25微米(μm)，例如為10μm。再者，上述分設於兩側之探針狀尖端的各層必需確實加以蝕刻分開，以免在該二電極部161、16之間產生任何接觸短路的問題。另外，必要時，本發明可以僅蝕刻去除一部份厚度之該絕緣層14，並保留一小部份厚度之該絕緣層14，以避免後續形成之奈米碳管18與該感應磁場電路13產生意外接觸問題。

請參照第1、2A及2B圖所示，本發明第一實施例之以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置之製造方法最後係：於甲烷(CH₄ )氣體及高溫環境下在該二電極部161、162之間自組裝(self-assembly)形成至少一奈米碳管18。在本步驟中，首先以流量為1000 sccm(標準狀態毫升/分鐘，標準狀態為0℃，1atm大氣壓)之氫氣(H₂ )做為一前驅物(precursor)來預處理該二電極部161、162裸露在該探針狀尖端的端面上的部份，該些裸露之鎳金屬部份在加熱後具有催化形成奈米碳管的催化特性。接著，將氫氣流量調低至200 sccm，並同時導入流量為400 sccm的甲烷(CH₄ )氣體處理30分鐘。在本發明另一實施方式中，也可使用流量為50 sccm的氨氣(NH₄ )進行預處理，並接著再進一步同時導入甲烷氣體。

在上述氣氛下，同時配合800℃之高溫，以進行水平熱壁大氣化學氣相沈積(hot horizontal wall atmospheric chemical vapor deposition)，也就是進行一碳氫化合物氣相熱分解法(thermal decomposition of hydrocarbon vapor)，其中將甲烷氣體通入一水平熱壁反應系統中，甲烷氣體會沿著氣流方向流動，並接觸到該基板(如矽晶圓)加熱後的高溫，因而開始分解產生碳原子，碳原子會受到該二電極部161、162裸露的端面的鎳奈米粒(nanoparticles)影響，因而在其端面開始成長，藉此在該二電極部161、162裸露的端面之間自組裝(self-assembly)形成至少一奈米碳管18。

如第2A圖所示，單一奈米碳管18是橋接形成在該二電極部161、162之間，其製程未使用氨氣進行預處理；如第2B圖所示，數條奈米碳管18是橋接形成在該二電極部161、162之間，其製程使用了氨氣進行預處理。再者，不論是第2A或2B圖之奈米碳管18，其皆可能形成單壁型奈米碳管(single-walled carbon nanotube，簡稱SWNT或SWCNT)或多壁型奈米碳管(multi-walled carbon nanotube，簡稱MWNT或MWCNT)。另一方面，必要時，該奈米碳管18另可選擇性摻雜有鈦(Ti)，以增加其在製程及作動期間之耐高溫性質。藉由上述製造方法，本發明即可製得一以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置10，其中該感應磁場電路13之電路方向係平行於該奈米碳管18之延伸方向。

請參照第3圖所示，本發明第二實施例之以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置及其製造方法係相似於本發明第一實施例，並大致沿用相同元件名稱及圖號，但兩者間差異之特徵在於：在該第二實施例之半導體裝置10中，該感應磁場電路13之電路方向係垂直於該奈米碳管18之延伸方向。

上述第一及第二實施例之感應磁場電路13之電路方向設計係依照實際上該奈米碳管18之長度、種類與能隙(bandgap)等參數來加以調整的。當該感應磁場電路13通入電流時，該感應磁場電路13將產生一內嵌感應磁場，其雖不會造成該奈米碳管18的幾何結構有所改變，但卻可以輕易的改變其電子排列結構，故對原本為半導體性的奈米碳管18施加一內嵌感應磁場，將可使該奈米碳管18轉變為金屬性的奈米碳管18。反之，對原本為金屬性的奈米碳管18施加一內嵌感應磁場，則可使其轉變為半導體性的奈米碳管18。因此，藉由控制電流之有無、大小或流向，即可有利於在該二電極部161、162之間中提供具有開關特性的奈米碳管開關之微機電結構。

如上所述，相較於現有以奈米碳管為基礎之裝置利用可動式及固定式奈米碳管來構成開關結構但卻缺少具理想良率的可行製程且無法兼顧結構可靠度與作動穩定性等問題，第1至3圖之本發明係在該金屬電極層16之一對電極部161、162之間設置至少一奈米碳管18，且該奈米碳管18的下方另預先形成該感應磁場電路13，該感應磁場電路13可產生一內嵌式感應磁場來以非接觸的方式切換該奈米碳管18的導電性(半導體性變金屬性，或金屬性變半導體性)，以便在該二電極部之間提供一種非接觸式的開關切換模式，因而有利於提高奈米碳管開關的結構可靠度與作動穩定性，並簡化其構造。再者，本發明採用碳氫化合物氣相熱分解法，其中於甲烷氣體及高溫環境下可在一對具催化特性的電極部161、162之間自組裝形成至少一奈米碳管18，且該奈米碳管18的下方另預先以半導體電路製程形成該感應磁場電路13，上述製程簡易且可行，因而有利於提高奈米碳管開關的可生產性及製造良率，並可滿足元件微小化的微機電發展需求。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．半導體裝置

11．．．基材層

12．．．絕緣表層

13．．．感應磁場電路

14．．．絕緣層

141．．．絕緣部

142．．．絕緣部

15．．．第一阻擋層

151．．．阻擋部

152．．．阻擋部

16．．．金屬電極層

161．．．電極部

162．．．電極部

17．．．第二阻擋層

171．．．覆蓋部

172．．．覆蓋部

18．．．奈米碳管

第1圖：本發明第一實施例之以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置之立體剖視圖。

第2A及2B圖：本發明第一實施例之以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置之電子顯微照相圖。

第3圖：本發明第二實施例之以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置之立體剖視圖。

10．．．半導體裝置

11．．．基材層

12．．．絕緣表層

13．．．感應磁場電路

14．．．絕緣層

141．．．絕緣部

142．．．絕緣部

15．．．第一阻擋層

151．．．阻擋部

152．．．阻擋部

16．．．金屬電極層

161．．．電極部

162．．．電極部

17．．．第二阻擋層

171．．．覆蓋部

172．．．覆蓋部

18．．．奈米碳管

Claims (12)

1. 一種以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置，其包含：一基板；一感應磁場電路，形成在該基板上；一絕緣層，形成在該感應磁場電路上，並具有二絕緣部；一金屬電極層，形成在該絕緣層上，該金屬電極層由具催化形成奈米碳管特性之金屬製成，並具有二電極部分別堆疊於該二絕緣部上；以及至少一奈米碳管，連接在該二電極部之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該感應磁場電路之電路方向係平行或垂直於該奈米碳管之延伸方向。
3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該基板包含：一基材層；以及一絕緣表層，形成在該基材層上；其中該感應磁場電路形成在該絕緣表層上。
4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該感應磁場電路與絕緣層之間另包含一第一阻擋層，該第一阻擋層具有二阻擋部，該二阻擋部堆疊於該二絕緣部及該二電極部之間，其中該絕緣層之材料為二氧化矽，該第一阻擋層之材料為氮化鈦。
5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該感應磁場電路之材料為銅或其合金；及該具催化形成奈米碳管特性之金屬係選自鎳或其合金。
6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該奈米碳管另摻雜有鈦。
7. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中在該金屬電極層上另包含一第二阻擋層，其具有二覆蓋部係分別堆疊於該二電極部上；該第二阻擋層之材料為鈦或其合金。
8. 一種以內嵌式感應磁場電路做為奈米碳管開關的半導體裝置之製造方法，其包含步驟：提供一基板，並在該基板上形成一感應磁場電路；在該感應磁場電路上形成一絕緣層；在該絕緣層上形成一金屬電極層，其係由具催化形成奈米碳管特性之金屬製成；蝕刻該金屬電極層，使該金屬電極層對應形成二電極部；以及於甲烷氣體及高溫環境下在該二電極部之間自組裝形成至少一奈米碳管。
9. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，其中在形成該絕緣層之後及形成該金屬電極層之前，另包含：在該絕緣層上形成一第一阻擋層。
10. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，其中在形成該金屬電極層之後及形成該奈米碳管之前，另包含：在該金屬電極層上形成一第二阻擋層。
11. 如申請專利範圍第10項所述之製造方法，其中在進行蝕刻時，該絕緣層、該第一阻擋層及該第二阻擋層依序形成二絕緣部、二阻擋部及二覆蓋部，其中該二絕緣部、該二阻擋部、該二電極部及該二覆蓋部依序相互堆疊。
12. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，其中該高溫環境為800℃；且在使用該甲烷氣體前，另先使用氫氣或氨氣對該二電極部進行預處理。