TWI594307B - 全密封真空奈米碳管場效電晶體及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及半導體製造領域，尤其涉及一種全密封真空奈米碳管場效電晶體及其製造方法。
傳統金氧半場效電晶體(MOSFET)將元件製作在單晶矽基板材料上。在不斷追逐摩爾定律(Moore’s Law)的推動作用下，傳統電晶體MOSFET的通道長度不斷縮減，元件尺寸縮小。這種微縮增加了電晶體密度，提高了晶片的集成度，以及其他的固定因素和開關速度等，同時降低了功耗，使晶片性能不斷提升。在未來，隨著技術要求不斷提高，而矽晶片已經不能被製造得更小，於是必須尋找新的晶片製造材料，奈米碳管電晶體是很好的選擇。通過採用單個奈米碳管或者米碳管陣列代替傳統體MOSFET結構的通道材料，可以在一定程度上克服限制並且進一步縮小元件尺度。
在理想的全包圍閘極結構中，具有自動對準閘極的奈米碳管場效碳管場效電晶體(Carbon Nano Tube Field Effect Transistor,CNTFET)尺寸已經降到了20nm。包圍奈米碳管通道的閘極的均勻性得到了鞏固，並且這樣的製程也沒有造成對碳奈米碳管的損害。
奈米碳管晶片可以大大提高高性能電腦的能力，使大資料分析速度更快，增加移動設備和物聯網的功率和電池壽命，並允許雲端資料中心提供更有效和更經濟的服務。
本發明的目的在於提供一種全密封真空奈米碳管場效電晶體及其製造方法，具有更好的性能。
為了實現上述目的，本發明提出了一種全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，包括步驟：提供半導體基板，在所述半導體基板上依次形成有介電層和多孔薄膜；在所述多孔薄膜表面形成圖案化的幕罩層，所述幕罩層暴露出部分多孔薄膜；在暴露出的多孔薄膜表面形成金屬觸媒，並去除所述幕罩層；在所述金屬觸媒上形成奈米碳管，並蝕刻去除部分多孔薄膜，所述奈米碳管的兩端由剩餘的多孔薄膜支撐，使所述奈米碳管懸空；在所述奈米碳管表面形成閘介電層；在所述閘介電層及介電層表面形成金屬閘極，所述金屬閘極位於所述奈米碳管的中端區域；蝕刻去除位於奈米碳管兩端表面的部分閘介電層，暴露出部分奈米碳管的兩端；
蝕刻去除剩餘的多孔薄膜；在暴露出的奈米碳管兩端及介電層表面分別形成源汲極，所述源汲極覆蓋部分閘介電層，並與所述金屬閘極隔離。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，在形成所述源汲極之後，還包括步驟：採用高溫退火對所述源汲極進行處理，使所述源汲極在奈米碳管處形成突出部。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，所述高溫退火製程的反應溫度範圍為600攝氏度~1200攝氏度。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，所述高溫退火製程採用的氣體為H2或N2。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，所述高溫退火製程的反應時間範圍為10秒~120分鐘。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，所述多孔薄膜的形成步驟包括：在所述介電層表面形成重摻雜多晶矽；電子蝕刻所述重摻雜多晶矽，形成多孔的多晶矽，獲得多孔薄膜。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，所述幕罩層包括氮化矽層和光阻，所述光阻形成在所述氮化矽表面。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，所述金屬觸媒包括Pt、Au、Ag、Cu或Ni。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，在形成所述金屬觸媒之後形成碳奈米管之前，還包括步驟：對所述多孔薄膜在H2或N2下進行烘烤。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，所述奈米碳管的形成步驟包括：在化學氣相沉積腔室中通入CH4，在高溫下和金屬觸媒條件下形成奈米碳管。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，形成所述奈米碳管所需的高溫範圍為800攝氏度~1000攝氏度。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，所述金屬觸媒的尺寸範圍是1nm~3nm。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，所述源汲極的材質為低功函數金屬。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，所述源汲極的材質為Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Co、Pd、Cu、Al、Ga、In、Ti、TiN、TaN、金剛石或以上材質的結合。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，所述奈米碳管內的真空度範圍是0.01Torr~50Torr。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，所述奈米碳管的長度範圍是2nm~100nm，所述奈米碳管橫截面的尺寸範圍是1nm~5nm。
進一步的，在所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法中，所述閘介電層材質為HfO2或Al2O3。
在本發明中，還提出了一種全密封真空奈米碳管場效電晶體，採用如上文所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法製備而成，包括：半導體基板、介電層、奈米碳管、閘介電層、金屬閘極及源汲極，其中，所述介電層形成在所述半導體基板表面，所述金屬閘極及源汲極形成在所述介電層表面，所述奈米碳管被所述閘介電層包圍，暴露出奈米碳管的兩端，所述閘介電層的兩端及暴露出的奈米碳管的兩端被所述源汲極包圍，使所述閘介電層及碳奈米碳管懸空，所述金屬閘極位於所述碳奈米管的中端區域，並包圍所述閘介電層。
與現有技術相比，本發明的有益效果主要體現在：在多孔薄膜表面形成奈米顆粒作為觸媒，接著形成奈米碳管，源汲極包圍閘介電層，將奈米碳管密封在真空環境，從而在後續形成奈米碳管場效應電晶體之後能夠降低元件工作電壓，提高元件使用壽命及其它性能。
10‧‧‧基板
20‧‧‧介電層
30‧‧‧多孔薄膜
40‧‧‧幕罩層
50‧‧‧金屬觸媒
60‧‧‧奈米碳管
70‧‧‧閘介電層
80‧‧‧閘極
90‧‧‧源汲極
第1圖為本發明一實施例中全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法的流程圖；第2圖至第10圖為本發明一實施例中全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造過程的立體結構示意圖；第11圖為本發明一實施例中全密封真空奈米碳管場效電晶體沿著通道方向的剖面示意圖；第12圖為本發明一實施例中全密封真空奈米碳管場效電晶體沿垂直於
通道方向的剖面示意圖；第13圖為本發明一實施例中全密封真空奈米碳管場效電晶體的能帶示意圖。
下面將結合示意圖對本發明的全密封真空奈米碳管場效電晶體及其製造方法進行更詳細的描述，其中表示了本發明的優選實施例，應該理解本領域技術人員可以修改在此描述的本發明，而仍然實現本發明的有利效果。因此，下列描述應當被理解為對於本領域技術人員的廣泛知道，而並不作為對本發明的限制。
為了清楚，不描述實際實施例的全部特徵。在下列描述中，不詳細描述公知的功能和結構，因為它們會使本發明由於不必要的細節而混亂。應當認為在任何實際實施例的開發中，必須做出大量實施細節以實現開發者的特定目標，例如按照有關系統或有關商業的限制，由一個實施例改變為另一個實施例。另外，應當認為這種開發工作可能是複雜和耗費時間的，但是對於本領域技術人員來說僅僅是常規工作。
在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、清晰地輔助說明本發明實施例的目的。
請參考第1圖，在本實施例中，提出了一種全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，包括步驟：
S100：提供半導體基板，在所述半導體基板上依次形成有介電層和多孔薄膜；S200：在所述多孔薄膜表面形成圖案化的幕罩層，所述幕罩層暴露出部分多孔薄膜；S300：在暴露出的多孔薄膜表面形成金屬觸媒，並去除所述幕罩層；S400：在所述金屬觸媒上形成奈米碳管，並蝕刻去除部分多孔薄膜，所述奈米碳管的兩端由剩餘的多孔薄膜支撐，使所述奈米碳管懸空；S500：在所述奈米碳管表面形成閘介電層；S600：在所述閘介電層及介電層表面形成金屬閘極，所述金屬閘極位於所述奈米碳管的中端區域；S700：蝕刻去除位於奈米碳管兩端表面的部分介電層閘介電層，暴露出部分奈米碳管的兩端；S800：蝕刻去除剩餘的多孔薄膜；S900：在暴露出的奈米碳管兩端及介電層表面分別形成源汲極，所述源汲極覆蓋部分閘介電層，並與所述金屬閘極隔離。
具體的，請參考第2圖，提供半導體基板10，在所述半導體基板10上依序形成有介電層20和多孔薄膜30。所述多孔薄膜30的形成步驟包括：在所述介電層20表面形成重摻雜多晶矽，例如摻雜銅；電子蝕刻所述重摻雜多晶矽，形成多孔的多晶矽，獲得多孔薄膜30。
請參考第3圖，在所述多孔薄膜30表面形成圖案化的幕罩層
40，所述幕罩層40暴露出部分多孔薄膜30，其中，所述幕罩層40可以包括氮化矽和光阻，所述光阻形成在所述氮化矽表面。
請參考第4圖，以所述幕罩層40為幕罩，在暴露出的多孔薄膜30表面形成金屬觸媒50，並去除所述幕罩層40，若包括兩層，則先去除光阻，保留氮化矽。
其中，所述金屬觸媒50包括Pt、Au、Ag、Cu、Ni或其他金屬材質，金屬觸媒50的尺寸範圍是1nm~3nm，在該尺寸下，其可以很好的作為觸媒，使後續的奈米碳管更容易形成，並且金屬觸媒50還可以作為後續奈米碳管的支柱。
在形成所述金屬觸媒50之後形成奈米碳管之前，還包括步驟：對所述多孔薄膜30在H2或N2下進行烘烤(Baking)，此舉為了去除多孔薄膜30內的水汽等雜質。此時，可以去除保留的氮化矽。
請參考第5圖，在所述金屬觸媒50上形成奈米碳管60，其中，所述奈米碳管60的形成步驟包括：在化學氣相沉積腔室中通入CH4，在高溫下和金屬觸媒50條件下形成奈米碳管60。形成所述奈米碳管60所需的高溫範圍為800攝氏度~1000攝氏度，例如是900攝氏度，形成的所述奈米碳管的長度範圍是2nm~100nm，例如是50nm，所述奈米碳管60橫截面的尺寸範圍是1nm~5nm，例如是3nm。
請參考第6圖，採用光阻、曝光、蝕刻等製程，去除部分多孔薄膜30，所述奈米碳管60的兩端由剩餘的多孔薄膜30支撐，使所述奈米碳管60懸空；蝕刻停止於所述介電層20表面。
請參考第7圖，在所述碳奈米管60表面形成閘介電層70；所
述閘介電層70材質為HfO2或Al2O3。所述閘介電層70包圍所述奈米碳管60。
請參考第8圖，在所述閘介電層70及介電層20表面形成金屬閘極80，所述金屬閘極80位於所述奈米碳管60的中端區域，即位于奈米碳管60兩端的中點位置附近，其可以通過沉積形成，然後通過光阻、曝光及蝕刻製程去除不需要的部分即可。
請參考第9圖，蝕刻去除位於奈米碳管60兩端表面的部分閘介電層70，暴露出部分奈米碳管60的兩端；其可以通過光阻、曝光及蝕刻完成，接著，蝕刻去除剩餘的多孔薄膜30，蝕刻停止於所述介電層20。
請參考第10圖，在暴露出的奈米碳管60兩端及介電層20表面分別形成源汲極90，所述源汲極90覆蓋部分閘介電層70，並與所述金屬閘極80隔離，所述源汲極90的材質為低功函數金屬，例如是Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Co、Pd、Cu、Al、Ga、In、Ti、TiN、TaN、金剛石或以上材質的結合，所述源汲極90採用PVD或ALD製程形成，並且在低壓環境下形成，形成後的元件剖面示意圖如第10圖所示。
請結合第11圖和第12圖，在形成源汲極90之後，還包括步驟：採用高溫退火對所述源汲極90進行處理，使所述源汲極90在奈米碳管60處形成突出部，突出部能夠提高元件的性能，例如開啟速率等。所述高溫退火製程的反應溫度範圍為600攝氏度~1200攝氏度，例如是1000攝氏度，所述高溫退火製程的反應時間範圍為10秒~120分鐘，例如是60分鐘，所述高溫退火製程採用的氣體為H2或N2。
在本申請中，還提出了一種全密封真空奈米碳管場效電晶體，採用如上文所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法製備而
成，包括：半導體基板、介電層、碳奈米管、閘介電層、金屬閘極及源汲極，其中，所述介電層形成在所述半導體基板表面，所述金屬閘極及源汲極形成在所述介電層表面，所述碳奈米管被所述閘介電層包圍，暴露出碳奈米管的兩端，所述閘介電層的兩端及暴露出的奈米碳管的兩端被所述源汲極包圍，使所述閘介電層及奈米碳管懸空，所述金屬閘極位於所述奈米碳管的中端區域，並包圍所述閘介電層。
此外，形成的全密封真空奈米碳管場效電晶體工作時的能帶示意圖可以參考第13圖，可見，形成的全密封真空奈米碳管場效電晶體在開啟時電子或電洞從源極遷移到汲極的能帶遷移距離較短，使整個元件的性能更佳。
綜上，在本發明實施例提供的全密封真空奈米碳管場效電晶體及其製造方法中，在導電層表面形成奈米顆粒，接著形成奈米碳管，由於奈米顆粒可以作為觸媒，從而在後續形成碳奈米管之後能夠降低接觸電阻，提高元件性能。上述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用來限制本發明。任何所屬技術領域的人士，在不脫離本發明的技術方案的範圍內，對本發明揭露的技術方案和技術內容做任何形式的均等替換或修改等變動，均屬於不脫離本發明的技術方案的內容，仍屬於本發明的保護範圍之內。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種修改和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明申請專利範圍及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些修改和變型在內。
S100~S900‧‧‧全密封真空奈米碳管場效電晶體之製造方法之流程步驟
Claims (17)
- 一種全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，包括步驟：提供半導體基板，在所述半導體基板上依次形成有介電層和多孔薄膜，其中所述多孔薄膜的形成步驟包括：在所述介電層表面形成重摻雜多晶矽；電子蝕刻所述重摻雜多晶矽，形成多孔的多晶矽，獲得多孔薄膜；在所述多孔薄膜表面形成圖案化的幕罩層，所述幕罩層暴露出部分多孔薄膜；在暴露出的多孔薄膜表面形成金屬觸媒，並去除所述幕罩層；在所述金屬觸媒上形成奈米碳管，並蝕刻去除部分多孔薄膜，所述奈米碳管的兩端由剩餘的多孔薄膜支撐，使所述奈米碳管懸空；在所述奈米碳管表面形成閘介電層；在所述閘介電層及介電層表面形成金屬閘極，所述金屬閘極位於所述奈米碳管的中端區域；蝕刻去除位於奈米碳管兩端表面的部分閘介電層，暴露出部分奈米碳管的兩端；蝕刻去除剩餘的多孔薄膜；在暴露出的奈米碳管兩端及介電層表面分別形成源汲極，所述源汲極覆蓋部分閘介電層，並與所述金屬閘極隔離。
- 如權利要求1所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，其中在形成所述源汲極之後，還包括步驟：採用高溫退火對所述源汲極進行處理，使所述源汲極在奈米碳管處形成突出部。
- 如權利要求2所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，其中所述高溫退火製程的反應溫度範圍為攝氏600度~1200度。
- 如權利要求2所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，其中所述高溫退火製程採用的氣體為H2或N2。
- 如權利要求2所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，其中所述高溫退火製程的反應時間範圍為10秒~120分鐘。
- 如權利要求1所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，其中所述幕罩層包括氮化矽層和光阻，所述光阻形成在所述氮化矽表面。
- 如權利要求1所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，其中所述金屬觸媒包括Pt、Au、Ag、Cu或Ni。
- 如權利要求1所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，在形成所述金屬觸媒之後形成奈米碳管之前，還包括步驟：對所述多孔薄膜在H2或N2下進行烘烤。
- 如權利要求1所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，其中所述碳奈米管的形成步驟包括：在化學氣相沉積腔室中通入CH4，在高溫下和金屬觸媒條件下形成碳奈米管。
- 如權利要求9所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，形成所述奈米碳管所需的高溫範圍為攝氏800度~1000度。
- 如權利要求9所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，其中所述金屬觸媒的尺寸範圍是1nm~3nm。
- 如權利要求9所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，其中所述源汲極的材質為低功函數金屬。
- 如權利要求12所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，其中所述源汲極的材質為Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Co、Pd、Cu、Al、Ga、In、Ti、TiN、TaN、金剛石或以上材質的結合。
- 如權利要求1所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，其中所述奈米碳管內的真空度範圍是0.01Torr~50Torr。
- 如權利要求1所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，其中所述奈米碳管的長度範圍是2nm~100nm，所述奈米碳管橫截面的尺寸範圍是1nm~5nm。
- 如權利要求1所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法，其中所述閘介電層材質為HfO2或Al2O3。
- 一種全密封真空奈米碳管場效電晶體，採用如權利要求1至16中任一種所述的全密封真空奈米碳管場效電晶體的製造方法製備而成，包括：半導體基板、介電層、碳奈米管、介電層、金屬閘極及源汲極，其中，所述介電層形成在所述半導體基板表面，所述金屬閘極及源汲極形成在所述介電層表面，所述碳奈米管被所述閘介電層包圍，暴露出碳奈米管的兩端，所述閘介電層的兩端及暴露出的奈米碳管的兩端被所述源汲極包圍，使所述閘介電層及奈米碳管懸空，所述金屬閘極位於所述奈米碳管的中端區域，並包圍所述閘介電層。
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| Javey et al., "Carbon nanotube transistor arrays for multistage complementary logic and ring oscillators", Nano Letters, 2002 Vol. 2, No. 9, pp.929-932) * |
| Wind et al., "Vertical scaling of carbon nanotube field-effect transistors using top gate electrodes", Apply Physics Letters, 2002, Vol. 80, pp. 3817-3819)圖1(a)，第3818頁 * |
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