專利名稱：垂直碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域是集成電路制造，確切地說是用碳納米管以提供FET本體制作場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。
背景技術(shù)：
已經(jīng)證實(shí)具有適當(dāng)分子結(jié)構(gòu)的碳納米管可以用作半導(dǎo)體。
已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試，以便用碳納米管作為晶體管的本體來制造FET。
在生產(chǎn)具有完全受控的溝道長(zhǎng)度的FET的這些嘗試中，存在著一些問題。如本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員所知，溝道長(zhǎng)度的變化影響著晶體管的電容，從而影響著晶體管動(dòng)作的時(shí)刻。
而且，由于難以操縱碳納米管以及難以控制平行于晶片/襯底表面的碳納米管生長(zhǎng)，故柵通常是硅晶片/襯底，且絕緣體是生長(zhǎng)在硅晶片表面上的氧化物。
這些嘗試的結(jié)果雖然演示了碳納米管可以被用作晶體管本體，但主要是生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)性器件，不適合于大規(guī)模生產(chǎn)。
基于碳納米管的FET的潛在好處在于它們具有約為5-50nm的非常小的直徑，從而在理論上能夠被非常緊密地組裝。
緊密的組裝具有提高器件密度的非常大的潛在好處，這是一種高度期望的結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及到以垂直碳納米管作為晶體管本體的FET。
本發(fā)明的特點(diǎn)是采用淀積的導(dǎo)電材料層作為晶體管的柵，從而建立不依賴于光刻的對(duì)溝道長(zhǎng)度的嚴(yán)格控制。
本發(fā)明的另一特點(diǎn)是在柵層中形成窗口，隨之以在窗口壁上淀積柵絕緣體，并在窗口內(nèi)淀積納米管。
本發(fā)明的另一特點(diǎn)是采用橫向?qū)щ妼幼鳛榫w管的源和漏。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的包含完成的碳納米管FET的集成電路的剖面。
圖2示出了在對(duì)淀積的層進(jìn)行圖形化之前，初始步驟中的同一區(qū)域。
圖3示出了在進(jìn)行曝光步驟以形成源接觸之后的同一區(qū)域。
圖4示出了在通過柵導(dǎo)電層腐蝕通道之后的區(qū)域。
圖5示出了在淀積催化層以促進(jìn)所希望的分子結(jié)構(gòu)在納米管內(nèi)形成之后的區(qū)域。
圖6示出了形成柵絕緣體之后的區(qū)域。
圖7示出了在窗口內(nèi)形成碳納米管之后的區(qū)域。
圖8示出了淀積包圍此FET結(jié)構(gòu)的絕緣層之后的區(qū)域。
圖9示出了形成晶體管源、漏、柵接觸之后的區(qū)域。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的完成了的垂直碳納米管FET 100。整個(gè)結(jié)構(gòu)位于襯底10，示例性是通常用于集成電路制造的硅晶片上。除非電路的其它部分采用了硅晶體管或利用硅的眾所周知的特性的其它結(jié)構(gòu)，一般并不要求硅。
有利的是，硅晶片容易得到且具備非常高的平坦度。如果要優(yōu)選，則諸如玻璃之類的其它襯底材料也可以采用。
可選的絕緣層20，示例性是氧化硅(SiO2)，用來提供被制作的晶體管與晶片其它部分之間的隔離。若襯底是絕緣的，則可以不需要層20。
導(dǎo)體30，示例性是摻雜的多晶硅，被用來提供接觸和晶體管的一個(gè)電極。為便于說明，所示結(jié)構(gòu)中的此層和其它層被示為延伸跨越附圖。商業(yè)實(shí)施方案可能對(duì)各種水平層進(jìn)行圖形化以節(jié)省空間和提高電路中的器件密度。
層50，示例性是諸如氧化物或氮化物(Si3N4)之類的絕緣體，在圖的中心處提供了源30與柵60之間的隔離。如下面要討論的那樣，柵60和下方各層具有高的平坦度，致使層60的厚度在整個(gè)電路上非常均勻。厚度的均勻性轉(zhuǎn)變?yōu)槠骷袦系篱L(zhǎng)度的均勻性。
在圖的左邊，碳納米管110垂直延伸，被柵絕緣體65分隔于柵層60。
在層60上方，絕緣層70是層50的對(duì)應(yīng)物，將柵電極分隔于漏電極。
漏電極82與柵60上方的管110的頂部形成電接觸，是為FET的漏。
為了便于說明，源、漏、柵的3個(gè)接觸被示為通過同一平面。在實(shí)際的器件中，由于各種設(shè)計(jì)選擇的結(jié)果，這些接觸會(huì)被定位成例如使封裝密度最大和使源或漏與柵之間的電容最小。器件設(shè)計(jì)者于是可以選擇延伸到圖的左邊或延伸在紙面內(nèi)或延伸出紙面外的各種電極。
圖2示出了本發(fā)明實(shí)踐的起始結(jié)構(gòu)，其中，硅襯底10已經(jīng)配備有示例性是氧化硅(SiO2)的絕緣層20、示例性為摻雜的多晶硅(poly)的將成為晶體管的源的導(dǎo)電層30、示例性為另一氧化物或氮化物(Si3N4)層的第二個(gè)比較薄的絕緣層50、示例性為多晶硅的柵導(dǎo)電層60、以及第二絕緣層70。
至少直到層60的頂部的結(jié)構(gòu)的各個(gè)層，最好已經(jīng)被例如化學(xué)機(jī)械拋光方法整平過。如下面要討論的那樣，晶體管的溝道長(zhǎng)度將由柵導(dǎo)電層60的厚度設(shè)定，致使此層的厚度變化將引起溝道長(zhǎng)度的相應(yīng)變化。下方各層的厚度變化也會(huì)產(chǎn)生溝道長(zhǎng)度的變化。
各個(gè)圖本質(zhì)上是部分地圖解性的和部分地示意性的。圖中所示的厚度是為了便于說明而選擇的，不一定反映各個(gè)層的實(shí)際相對(duì)尺度。
由于層50和70將晶體管溝道分隔于源和漏電極且用來限制晶體管提供的電流，故層50和70最好比較薄，與提供適當(dāng)?shù)慕^緣程度一致。
圖3示出了工藝的下一步驟，其中，標(biāo)準(zhǔn)的光刻和腐蝕技術(shù)已經(jīng)被用來形成將要被用作電極接觸的二個(gè)臺(tái)階。右邊源接觸的位置用參考號(hào)31表示。上方往左相應(yīng)的位置61已經(jīng)為柵接觸形成。
圖4示出了碳納米管位置的準(zhǔn)備。通道64已經(jīng)被形成穿過絕緣體70、柵電極60、以及絕緣體50，滲透到層30足以建立良好的接觸，并使隨后要淀積的催化材料具有低于絕緣層50底部表面的頂部表面。
圖5示出了可選的催化劑34淀積，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)催化劑啟動(dòng)了正確分子結(jié)構(gòu)的碳納米管的生長(zhǎng)。若源層30的材料適合于生長(zhǎng)碳納米管，則可以省略催化劑。在建立半導(dǎo)體材料的情況下，適合的催化材料是Ni、Co、Fe、或這些金屬的硅化物。材料被示例性地用CVD或PVD工藝來淀積。然后用濕法腐蝕或各向同性干法腐蝕方法來從層50的內(nèi)表面清除催化材料，以便確保催化劑的殘留量不使源電極至柵短路。若催化劑是良好的絕緣體，則可以省略這一最后步驟。
圖6示出了在窗口64的內(nèi)表面上形成柵絕緣層65的結(jié)果。當(dāng)柵層60是多晶硅時(shí)，通常是對(duì)窗口64的內(nèi)表面進(jìn)行熱氧化來形成柵絕緣體65。若催化劑無法忍受氧化溫度，則可以在氧化和定向反應(yīng)離子刻蝕(RIE)以便在窗口64的底部處形成清潔的表面之后，再進(jìn)行淀積。本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員知道其它的一些變通方法，例如在柵導(dǎo)電材料不形成適當(dāng)?shù)难趸锘蛉粞趸瘻囟葘?duì)催化劑來說太高的情況下，可以在較低溫度下在窗口內(nèi)淀積氮化物柵絕緣體或其它絕緣材料。
淀積的柵絕緣體的優(yōu)點(diǎn)在于，此柵絕緣體將連續(xù)地向上延伸通過柵的頂部并進(jìn)入到絕緣體70內(nèi)部，從而防止了柵與碳之間的任何短路。
圖7示出了形成碳納米管110之后的結(jié)構(gòu)，示為稍許向上延伸到絕緣體70的頂部以上。借助于使C2H2+N2發(fā)生反應(yīng)來示例性地形成碳納米管。
圖8示出了淀積氮化物勢(shì)壘層75和BPSG層間介質(zhì)120之后的結(jié)構(gòu)。
再回頭參照?qǐng)D1，示出了形成到源、柵、碳的通道以及以用于電路的導(dǎo)電互連例如銅來填充通道的結(jié)果。
圖1中的括號(hào)132和134表示平行連接在相同的源與漏之間且受相同的柵控制的額外納米管的位置。本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員知道，可以借助于根據(jù)被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載而平行連接二種或多種納米管，來制作具有分立電流容量的晶體管。
常規(guī)的后端工藝形成了完成電路所要求的其它互連層。
本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員可以理解的是，目前的技術(shù)使得柵層能夠被形成為具有5-200nm范圍的厚度以及約為2-5％，3σ的公差。這與使用光刻技術(shù)相比，在電路上提供了更為均勻的晶體管溝道長(zhǎng)度。
絕緣層50和70的厚度最好小于5-50nm，以便降低一段電阻較高的材料與晶體管電極串聯(lián)所產(chǎn)生的作用。
窗口64的直徑最好約為5-70nm，且碳納米管的壁厚度最好約為2-50nm。
如有需要，可以改變與源和/或漏接觸相遇的碳納米管端部處的化學(xué)組成，從而產(chǎn)生相同于目前利用平面FET中所用的LDD和邊環(huán)注入所實(shí)現(xiàn)的好處(例如抑制短溝道效應(yīng))。由于晶體管本體在連續(xù)的工藝中被制作，故便于僅僅改變?cè)椿騼H僅改變漏界面區(qū)域的組成以滿足器件要求。這與要求對(duì)溝道二端進(jìn)行注入的平面技術(shù)形成了對(duì)照。
雖然就單個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案而言已經(jīng)描述了本發(fā)明，但本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員可以理解的是，可以在下列權(quán)利要求的構(gòu)思與范圍內(nèi)，以各種形式來實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種制作具有碳納米管中的溝道的垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，此方法包含下列步驟在襯底上形成第一導(dǎo)電層；在所述第一導(dǎo)電層上形成第一絕緣層；以及在所述第一絕緣層上形成柵層；穿過所述柵層和所述第一絕緣層形成具有基本上垂直的內(nèi)壁的窗口，所述窗口的底部暴露所述第一導(dǎo)電層；在所述窗口的所述壁上形成絕緣襯里；在所述窗口中形成半導(dǎo)體碳納米管，所述碳納米管的底部與所述第一導(dǎo)電層電接觸；以及在所述碳納米管的頂部上形成電接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包含下列步驟穿過所述柵層形成一組至少二個(gè)窗口，并將所述窗口組中的碳納米管組的底部平行連接到所述第一導(dǎo)電層，從而形成具有所述第一導(dǎo)電層中的公共電極和公共柵電極的一組FET。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包含下列步驟在所述窗口的所述底部上形成催化劑層，使所述催化劑啟動(dòng)半導(dǎo)體碳納米管的生長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包含下列步驟借助于對(duì)所述柵層進(jìn)行熱氧化而形成所述絕緣襯里。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包含下列步驟用化學(xué)氣相淀積方法形成所述絕緣襯里。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包含下列步驟在形成納米管的頂部和底部之一的過程中，將化學(xué)成分引入到納米管材料中，以便在工作過程中產(chǎn)生電效應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，引入所述化學(xué)成分，以便在晶體管工作過程中抑制短溝道效應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包含下列步驟在所述窗口的所述底部上形成催化劑層，使所述催化劑啟動(dòng)半導(dǎo)體碳納米管的生長(zhǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包含下列步驟借助于對(duì)所述柵層進(jìn)行熱氧化而形成所述絕緣襯里。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包含下列步驟用化學(xué)氣相淀積方法形成所述絕緣襯里。
11.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包含下列步驟在形成納米管的頂部和底部之一的過程中，將化學(xué)成分引入到納米管材料中，以便在工作過程中產(chǎn)生電效應(yīng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，引入所述化學(xué)成分，以便在晶體管工作過程中抑制短溝道效應(yīng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，還包含下列步驟借助于對(duì)所述柵層進(jìn)行熱氧化而形成所述絕緣襯里。
14.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，還包含下列步驟用化學(xué)氣相淀積方法形成所述絕緣襯里。
15.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，還包含下列步驟在形成納米管的頂部和底部之一的過程中，將化學(xué)成分引入到納米管材料中，以便在工作過程中產(chǎn)生電效應(yīng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中，引入所述化學(xué)成分，以便在晶體管工作過程中抑制短溝道效應(yīng)。
17.一種具有碳納米管中的溝道的垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它包含設(shè)置在襯底上的第一導(dǎo)電層；設(shè)置在所述第一導(dǎo)電層上的第一絕緣層；以及設(shè)置在所述第一絕緣層上的柵層；穿過所述柵層和所述第一絕緣層延伸的具有基本上垂直的內(nèi)壁的窗口，所述窗口的底部暴露所述第一導(dǎo)電層；所述窗口的所述壁上的絕緣襯里；所述窗口中的半導(dǎo)體碳納米管，所述碳納米管的底部與所述第一導(dǎo)電層電接觸；以及形成在所述碳納米管的頂部上的電接觸。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的晶體管，還包含穿過所述柵層的一組至少二個(gè)窗口，所述窗口組中的碳納米管組的底部被平行連接到所述第一導(dǎo)電層，從而形成具有所述第一導(dǎo)電層中的公共電極和公共柵電極的一組FET。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的晶體管，還包含所述窗口的所述底部上的催化劑層，使所述催化劑啟動(dòng)半導(dǎo)體碳納米管的生長(zhǎng)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的晶體管，還包含在形成納米管的頂部和底部之一的過程中引入到納米管材料中，以便在工作過程中產(chǎn)生電效應(yīng)的化學(xué)成分。
全文摘要
一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它采用垂直取向的碳納米管作為晶體管本體，借助于垂直窗口內(nèi)的淀積來形成納米管，利用幾個(gè)納米管的可選平行組合來產(chǎn)生量子化的電流驅(qū)動(dòng)，并利用頂部或底部處碳材料化學(xué)組成的可選改變來抑制短溝道效應(yīng)。
文檔編號(hào)H01L29/06GK1638066SQ20051000372
公開日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2005年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月7日
發(fā)明者古川俊治, 斯蒂芬·J·霍爾姆斯, 馬克·C·哈吉, 戴維·V·霍拉克, 查爾斯·W·考伯格三世, 彼德·H·米切爾, 拉里·A·內(nèi)斯比特 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司