TWI657041B - 一種奈米碳管束場效電晶體陣列及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種奈米碳管束場效電晶體陣列及其製造方法，所述奈米碳管束場效電晶體陣列包括：源極材料層、汲極材料層以及連接於所述源極材料層與汲極材料層之間的奈米碳管束陣列；所述奈米碳管束陣列包括若干分立設置的奈米碳管束單元，其中，所述奈米碳管束單元的軸向第一端與所述源極材料層連接，所述奈米碳管束單元的軸向第二端與所述汲極材料層連接；所述奈米碳管束單元被閘極結構所包圍。本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列能夠耐受更高的操作電壓及操作電流，能夠應用於大功率元件。並且本發明採用環閘結構，可以提高閘極對通道的操控能力。本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法具有製程步驟簡單的特點，有利於降低生產成本。
Description
本發明屬於積體電路技術領域，涉及一種奈米碳管束場效電晶體陣列及其製造方法。
對於載流子運輸介質，真空本質上優於固體，因為它允許彈道運輸，而在半導體中，載子會遭受光學和聲學聲子散射。真空中的電子速度理論上是3×1010cm/s，但在半導體中，電子速度僅約為5×107cm/s。一些科學家認為，在真空電晶體中，似乎只有電子可以在電極之間流動，而電洞不能。除非我們學會處理正電子，否則將不可能做任何互補型電路，例如CMOS。而沒有互補型電路，功率將過高，最有可能限制真空電晶體進入細分市場。很難想像，任何大型數位電路都會用到真空電晶體。
目前真空電晶體主要有四種類型(Jin-Woo Han,Jae Sub Oh and M.Meyyappan,Vacuum Nanoelectronics：Back to the Future？-Gate insulated nanoscale vacuum channel transistor,APL,100,213505(2012))：(a)垂直場發射型、(b)平面橫向場發射型、(c)MOSFET型、(d)絕緣閘空氣通道電晶體。
近年來，已經有報導公開了在理想的圍閘幾何形態下，奈米
碳管場效電晶體(CNTFET)的自對準閘極尺寸可縮小到20奈米(IBM創造了第一個9nm奈米碳管電晶體，通過Gareth Halfacree於2012年1月30日發表)。閘極包圍奈米碳管通道的均勻性已經被證實，並且這個過程不會損壞奈米碳管。此外，利用合適的閘極介電層，可以實現N型電晶體或P型電晶體，其中，利用HfO2作為閘介電層可以實現N型電晶體，利用Al2O3作為閘介電層可以實現P型電晶體(Aaron D.Franklin，Carbon Nanotube Complementary Wrap-Gate Transistors，Nano Lett.,2013,13(6),pp 2490-2495)。這些發現不僅為圍閘奈米碳管元件的進一步研究提供了一個有前途的平臺，並表明採用奈米碳管的大規模數位開關擁有現實的技術潛力。
然而，仍有必要開發CNTFET的潛力和可能性，使其能夠用於製造擁有高操作電壓和高驅動電流的大功率元件。
鑒於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種奈米碳管束場效電晶體陣列及其製造方法，用於解決現有技術中奈米碳管場效電晶體不能應用於大功率元件的問題。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種奈米碳管束場效電晶體陣列，包括：源極材料層；汲極材料層，形成於所述源極材料層上方；奈米碳管束陣列，連接於所述源極材料層與所述汲極材料層之間；所述奈米碳管束陣列包括若干分立設置的奈米碳管束單元，其中，所述奈米碳管束單元的軸向第一端與所述源極材料層連接，所述奈米碳管束單元的
軸向第二端與所述汲極材料層連接；閘極結構，形成於所述奈米碳管束陣列中各個奈米碳管束單元之間，且所述閘極結構與所述源極材料層之間通過第一絕緣層隔離，所述閘極結構與所述汲極材料層之間通過第二絕緣層隔離；其中，所述閘極結構包括閘極介電層及閘極材料層，所述閘極介電層包圍所述奈米碳管束單元的外側面，所述閘極材料層包圍所述閘極材料層外側面。
可選地，所述奈米碳管束場效電晶體陣列還包括基底及形成於所述基底上的第三絕緣層，所述源極材料層形成於所述第三絕緣層上。
可選地，所述奈米碳管束單元的軸向與所述源極材料層所在平面之間的角度為80°~100°。
可選地，所述奈米碳管束單元的高度大於100μm。
可選地，所述閘極介電層採用高K介電層，所述閘極材料層包括金屬材料。
可選地，所述源極材料層與汲極材料層均包括金屬材料。
本發明還提供一種奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法，包括如下步驟：S1：提供一基底，在所述基底上依次形成第三絕緣層、源極材料層及第一絕緣層；S2：在所述第一絕緣層中形成通孔陣列；所述通孔陣列包括若干分立設置的通孔，所述通孔暴露出所述源極材料層上表面；S3：基於所述通孔陣列形成奈米碳管束陣列；所述奈米碳管束陣列包括若干與所述通孔位置相對應的奈米碳管束單元，其中，所述奈米碳管束
單元的軸向第一端與所述源極材料層連接；S4：形成覆蓋所述奈米碳管束單元外側面的閘極介電層；S5：形成覆蓋所述閘極介電層外側面的閘極材料層；S6：依次形成第二絕緣層及汲極材料層，其中，所述奈米碳管束單元的軸向第二端與所述汲極材料層連接，所述閘極介電層及閘極材料層與所述汲極材料層之間通過第二絕緣層隔離。
可選地，於所述步驟S3中，在保護性氣氛下，利用催化劑及碳源，通過化學氣相沉積法形成所述奈米碳管束陣列。
可選地，所述保護性氣氛包括N2、H2、Ar中的一種或多種，所述催化劑包括Fe、Ni、Co中的一種或多種，所述奈米碳管束陣列的生長溫度範圍是500~740℃。
可選地，首先基於所述通孔陣列在所述源極材料層上表面形成所述催化劑，然後基於所述催化劑生長所述奈米碳管束陣列。
可選地，將包含催化劑離子的溶液施加於所述源極材料層表面，並進行退火，以增加催化劑離子與所述源極材料層的結合強度。
可選地，所述退火的溫度範圍是700~900℃，退火時間為30~90min。
可選地，還包括去除所述第二絕緣層表面多餘的催化劑離子的步驟。
可選地，通過濕法腐蝕去除所述第二絕緣層表面多餘的催化劑離子。
可選地，所述奈米碳管束單元的軸向與所述源極材料層所在
平面之間的角度為80°~100°。
可選地，所述奈米碳管束單元的高度大於100μm。
如上所述，本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列及其製造方法，具有以下有益效果：本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列採用奈米碳管束作為通道材料，其中奈米碳管束單元只有外部的奈米碳管被閘極介電層所包圍，而內部的奈米碳管並沒有被閘極介電層所包圍，但由於奈米碳管束中各奈米碳管之間的相互作用，處於奈米碳管束單元內部的奈米碳管仍然能夠發揮有效作用。本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列能夠耐受更高的操作電壓及操作電流，能夠應用於大功率元件。並且本發明採用環閘結構，可以提高閘極對通道的操控能力。本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法具有製程步驟簡單的特點，有利於降低生產成本。
101‧‧‧基底
102‧‧‧第三絕緣層
103‧‧‧源極材料層
104‧‧‧第一絕緣層
105‧‧‧奈米碳管束單元
106‧‧‧閘極介電層
107‧‧‧閘極材料層
108‧‧‧第二絕緣層
109‧‧‧汲極材料層
110‧‧‧通孔
111‧‧‧催化劑
第1圖顯示為本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列的結構示意圖。
第2圖顯示為本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法在所述基底上依次形成第三絕緣層、源極材料層及第一絕緣層的示意圖。
第3圖顯示為本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法在所述第一絕緣層中形成通孔陣列的示意圖。
第4圖顯示為本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法基於所述通孔陣列在所述源極材料層上表面形成所述催化劑的示意圖。
第5圖顯示為本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方
法基於所述催化劑生長所述奈米碳管束陣列的示意圖。
第6圖顯示為本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法形成覆蓋所述奈米碳管束單元外側面的閘極介電層的示意圖。
第7圖顯示為本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法形成覆蓋所述閘極介電層外側面的閘極材料層的示意圖。
第8圖顯示為本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法去除部分閘極介電層及閘極材料層，以暴露奈米碳管束陣列上部的示意圖。
第9圖顯示為本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法形成第二絕緣層及汲極材料層的示意圖。
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地瞭解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱第1圖至第9圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的元件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各元件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其元件佈局型態也可能更為複雜。
本發明提供一種奈米碳管束場效電晶體陣列，請參閱第1圖，顯示為該奈米碳管束場效電晶體陣列的結構示意圖，包括：源極材料層103；汲極材料層109，形成於所述源極材料層103上方；奈米碳管束陣列，連接於所述源極材料層103與所述汲極材料層109之間；所述奈米碳管束陣列包括若干分立設置的奈米碳管束單元105，其中，所述奈米碳管束單元105的軸向第一端與所述源極材料層103連接，所述奈米碳管束單元105的軸向第二端與所述汲極材料層109連接；閘極結構，形成於所述奈米碳管束陣列中各個奈米碳管束單元105之間，且所述閘極結構與所述源極材料層103之間通過第一絕緣層104隔離，所述閘極結構與所述汲極材料層109之間通過第二絕緣層108隔離；其中，所述閘極結構包括閘極介電層106及閘極材料層107，所述閘極介電層106包圍所述奈米碳管束單元105的外側面，所述閘極材料層107包圍所述閘極介電層106的外側面。
本實施例中，所述奈米碳管束場效電晶體陣列還包括基底101及形成於所述基底101上的第三絕緣層102，所述源極材料層103形成於所述第三絕緣層102上。
具體的，所述基底101包括但不限於Si、Ge等常規半導體基板材料。所述第三絕緣層102可採用氧化矽或其它絕緣材料，用於將所述源極材料層103與所述基底101隔離。
具體的，每個奈米碳管束單元105均作為一個場效電晶體的
通道材料，其軸向兩端分別與所述源極材料層103及所述汲極材料層109連接。所述源極材料層103作為奈米碳管束場效電晶體的N+型源極，所述汲極材料層109作為奈米碳管束場效電晶體的N+型汲極。
本實施例中，所述奈米碳管束單元105的高度大於100μm。所述奈米碳管束單元105的軸向與所述源極材料層103所在平面之間的角度為80°~100°，優選為90°。換句話說，所述奈米碳管束單元105的軸向與所述源極材料層103所在平面垂直，或基本垂直。
具體的，所述奈米碳管束單元105由多根奈米碳管組成，其中，只有位於奈米碳管束週邊的奈米碳管被所述閘極介電層106部分包圍或全部包圍，而位於奈米碳管束內部的奈米碳管並沒有被閘極介電層106所包圍，但由於奈米碳管束中各奈米碳管之間的相互作用，處於所述奈米碳管束單元105內部的奈米碳管仍然能夠發揮有效作用。相對于單根奈米碳管作為通道，本發明採用包含多根奈米碳管的奈米碳管束作為通道材料，可以使得奈米碳管束場效電晶體陣列耐受更高的操作電壓及操作電流，從而能夠應用於大功率元件。
本發明中，由於所述閘極介電層106包圍所述奈米碳管束單元105的外側面，所述閘極材料層107包圍所述閘極介電層106的外側面，使得所述閘極結構構成環閘結構，可以提高閘極對奈米碳管束通道的操控能力。
作為示例，所述閘極結構中，所述閘極介電層106採用高K介電層(高於二氧化矽的介電常數3.9)，例如鉿基氧化物，HfO2、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO等，或者其他介電材料。所述閘極材料層107採用金
屬閘，其包括金屬材料，例如包括Ti、Ta、Hf、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Al、Co、W、Mo中的任意一種或其合金中的任意一種。
作為示例，所述源極材料層103與汲極材料層109也均包括金屬材料，例如包括Ti、Ta、Hf、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Al、Co、W、Mo中的任意一種或其合金中的任意一種。
本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列採用奈米碳管束作為通道材料，並採用環閘結構，不僅能夠應用於大功率元件，並且具有較強的通道控制能力。
本發明還提供一種奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法，包括如下步驟：
首先請參閱第2圖，執行步驟S1：提供一基底101，在所述基底101上依次形成第三絕緣層102、源極材料層103及第一絕緣層104。
具體的，所述基底101包括但不限於Si、Ge等一般半導體基板材料。所述第三絕緣層102採用氧化矽或其它絕緣材料，用於將所述源極材料層103與所述基底101隔離。所述源極材料層103包括金屬材料，例如包括Ti、Ta、Hf、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Al、Co、W、Mo中的任意一種或其合金中的任意一種。所述第一絕緣層104採用氧化矽或其它絕緣材料。
所述第三絕緣層102、源極材料層103、第一絕緣層104可採用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法形成。
然後請參閱第3圖，執行步驟S2：在所述第一絕緣層104中形
成通孔陣列；所述通孔陣列包括若干分立設置的通孔110，所述通孔110暴露出所述源極材料層103上表面。
具體的，通過微影、蝕刻等製程步驟形成所述通孔陣列。所述通孔110的形狀包括但不限於多邊形、圓形、橢圓形等。
接著請參閱第4圖-第5圖，執行步驟S3：基於所述通孔陣列形成奈米碳管束陣列；所述奈米碳管束陣列包括若干與所述通孔110位置相對應的奈米碳管束單元105，其中，所述奈米碳管束單元105的軸向第一端與所述源極材料層103連接。
具體的，每個通孔110對應於一個奈米碳管束單元105，每個奈米碳管束單元105均作為一個場效電晶體的通道材料。
本實施例中，在保護性氣氛下，利用催化劑及碳源，通過化學氣相沉積法形成所述奈米碳管束陣列。所述保護性氣氛包括N2、H2、Ar中的一種或多種，所述碳源包括但不限於甲烷、乙炔等含碳氣體，所述催化劑包括Fe、Ni、Co中的一種或多種，所述奈米碳管束陣列的生長溫度範圍是500~740℃。
具體的，如第4圖所示，首先基於所述通孔陣列在所述源極材料層103上表面形成所述催化劑111。作為示例，將包含催化劑離子的溶液施加於所述源極材料層103表面，以形成所述催化劑111。本實施例中，還包括行退火的步驟，以增加催化劑離子與所述源極材料層103的結合強度。所述退火的溫度範圍是700~900℃，退火時間為30~90min。
進一步的，退火之後，還包括去除所述第一絕緣層104表面多餘的催化劑離子的步驟。作為示例，通過濕式蝕刻去除所述第一絕緣層
104表面多餘的催化劑離子。
如第5圖所示，然後基於所述催化劑111生長所述奈米碳管束陣列。本實施例中，所述奈米碳管束單元105的軸向與所述源極材料層103所在平面之間的角度為80°~100°，優選為90°。換句話說，所述奈米碳管束單元105的軸向與所述源極材料層103所在平面垂直，或基本垂直。
作為示例，將處理過的基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500℃~740℃，然後通入碳源氣體並反應約5~30分鐘，生長得到奈米碳管束陣列，其高度大於100微米。該奈米碳管束陣列為多個彼此平行且垂直於基底生長的奈米碳管形成的純奈米碳管束陣列。該奈米碳管束與所述通孔面積基本相同。通過上述控制生長條件，該超順排奈米碳管束陣列中基本不含有無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等雜質。
再請參閱第6圖，執行步驟S4：形成覆蓋所述奈米碳管束單元105外側面的閘極介電層106。
具體的，採用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法形成所述閘極介電層106。作為示例，所述閘極介電層106採用高K介電層(高於二氧化矽的介電常數3.9)，例如鉿基氧化物，HfO2、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO等，或者其他介電材料。
再請參閱第7圖，執行步驟S5：形成覆蓋所述閘極介電層106外側面的閘極材料層107。
具體的，採用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法形成所述閘極材料層107。作為示例，所述閘極材料層107採用金屬閘，其包括金屬材料，例如包括Ti、Ta、Hf、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Al、Co、W、Mo中的任意一種
或其合金中的任意一種。
進一步的，如第8圖所示，去除部分所述閘極材料層107及閘極介電層106，暴露出所述奈米碳管束陣列上部。去除方法可以是濕式蝕刻或電漿蝕刻等適合的方法。
最後請參閱第9圖，執行步驟S6：依次形成第二絕緣層108及汲極材料層109，其中，所述奈米碳管束單元105的軸向第二端與所述汲極材料層109連接，所述閘極介電層106及閘極材料層107與所述汲極材料層109之間通過第二絕緣層108隔離。
具體的，所述第二絕緣層108採用氧化矽或其它絕緣材料，所述汲極材料層109包括金屬材料，例如包括Ti、Ta、Hf、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Al、Co、W、Mo中的任意一種或其合金中的任意一種。
具體的，所述奈米碳管束單元105頂端嵌入所述汲極材料層109中，可增加所述奈米碳管束單元105與所述汲極材料層109之間連接的牢固度。
至此，製造完成了本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列。本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法具有製程步驟簡單的特點，有利於降低生產成本。
綜上所述，本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列採用奈米碳管束作為通道材料，其中奈米碳管束單元只有外部的奈米碳管被閘極介電層所包圍，而內部的奈米碳管並沒有被閘極介電層所包圍，但由於奈米碳管束中各奈米碳管之間的相互作用，處於奈米碳管束單元內部的奈米碳管仍然能夠發揮有效作用。本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列能夠耐受更
高的操作電壓及操作電流，能夠應用於大功率元件。並且本發明採用環閘結構，可以提高閘極對通道的操控能力。本發明的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法具有製程步驟簡單的特點，有利於降低生產成本。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的請求項所涵蓋。
Claims (15)
- 一種奈米碳管束場效電晶體陣列，包括：源極材料層；汲極材料層，形成於所述源極材料層上方；奈米碳管束陣列，連接於所述源極材料層與所述汲極材料層之間；所述奈米碳管束陣列包括若干分立設置的奈米碳管束單元，其中，所述奈米碳管束單元的軸向第一端與所述源極材料層連接，所述奈米碳管束單元的軸向第二端與所述汲極材料層連接；閘極結構，形成於所述奈米碳管束陣列中各個奈米碳管束單元之間，且所述閘極結構與所述源極材料層之間通過第一絕緣層隔離，所述閘極結構與所述汲極材料層之間通過第二絕緣層隔離；其中，所述閘極結構包括閘極介電層及閘極材料層，所述閘極介電層包圍所述奈米碳管束單元的外側面，所述閘極材料層包圍所述閘極介電層外側面，其中所述閘極介電層採用高K介電層，所述閘極材料層包括金屬材料。
- 根據請求項1所述的奈米碳管束場效電晶體陣列，其中所述奈米碳管束場效電晶體陣列還包括基底及形成於所述基底上的第三絕緣層，所述源極材料層形成於所述第三絕緣層上。
- 根據請求項1所述的奈米碳管束場效電晶體陣列，其中所述奈米碳管束單元的軸向與所述源極材料層所在平面之間的角度為80°~100°。
- 根據請求項1所述的奈米碳管束場效電晶體陣列，其中所述奈米碳管束單元的高度大於100μm。
- 根據請求項1所述的奈米碳管束場效電晶體陣列，其中所述源極材料層與汲極材料層均包括金屬材料。
- 一種奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法，包括如下步驟：S1：提供一基底，在所述基底上依次形成第三絕緣層、源極材料層及第一絕緣層；S2：在所述第一絕緣層中形成通孔陣列；所述通孔陣列包括若干分立設置的通孔，所述通孔暴露出所述源極材料層上表面；S3：基於所述通孔陣列形成奈米碳管束陣列；所述奈米碳管束陣列包括若干與所述通孔位置相對應的奈米碳管束單元，其中，所述奈米碳管束單元的軸向第一端與所述源極材料層連接；S4：形成覆蓋所述奈米碳管束單元外側面的閘極介電層；S5：形成覆蓋所述閘極介電層外側面的閘極材料層；S6：依次形成第二絕緣層及汲極材料層，其中，所述奈米碳管束單元的軸向第二端與所述汲極材料層連接，所述閘極介電層及閘極材料層與所述汲極材料層之間通過第二絕緣層隔離。
- 根據請求項6所述的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法，其中於所述步驟S3中，在保護性氣氛下，利用催化劑及碳源，通過化學氣相沉積法形成所述奈米碳管束陣列。
- 根據請求項7所述的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法，其中所述保護性氣氛包括N2、H2、Ar中的一種或多種，所述催化劑包括Fe、Ni、Co中的一種或多種，所述奈米碳管束陣列的生長溫度範圍是500~740℃。
- 根據請求項7所述的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法，其中首先基於所述通孔陣列在所述源極材料層上表面形成所述催化劑，然後基於所述催化劑生長所述奈米碳管束陣列。
- 根據請求項9所述的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法，其中將包含催化劑離子的溶液施加於所述源極材料層表面，並進行退火，以增加催化劑離子與所述源極材料層的結合強度。
- 根據請求項10所述的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法，其中所述退火的溫度範圍是700~900℃，退火時間為30~90min。
- 根據請求項10所述的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法，其中還包括去除所述第二絕緣層表面多餘的催化劑離子的步驟。
- 根據請求項12所述的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法，其特徵在於：通過濕法腐蝕去除所述第二絕緣層表面多餘的催化劑離子。
- 根據請求項6所述的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法，其中所述奈米碳管束單元的軸向與所述源極材料層所在平面之間的角度為80°~100°。
- 根據請求項6所述的奈米碳管束場效電晶體陣列的製造方法，其中所述奈米碳管束單元的高度大於100μm。
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