本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管及其制造方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)晶體管MOSFET將器件制作在單晶硅襯底材料上。在不斷追逐摩爾定律(Moore’s Law)的推動作用下，傳統(tǒng)晶體管MOSFET的溝道長度不斷縮減，器件尺寸縮小。這種收縮增加了晶體管密度，提高了芯片的集成度，以及其他的固定因素和開關(guān)速度等，同時降低了功耗，使芯片性能不斷提升。在未來，隨著技術(shù)要求不斷提高，而硅芯片已經(jīng)不能被制造得更小，于是必須尋找新的芯片制造材料，碳納米晶體管是很好的選擇。通過采用單個碳納米管或者碳納米管陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)體MOSFET結(jié)構(gòu)的溝道材料，可以在一定程度上克服限制并且進(jìn)一步縮小器件尺度。

在理想的全包圍柵極結(jié)構(gòu)中，具有自對準(zhǔn)柵極的碳納米管場效應(yīng)晶體管(CarbonNano Tube Field Effect Transistor,CNTFET)尺寸已經(jīng)降到了20nm。包圍碳納米管溝道的柵極的均勻性得到了鞏固，并且這樣的工藝也沒有造成對碳納米管的損害。

碳納米管芯片可以大大提高高性能計算機的能力，使大數(shù)據(jù)分析速度更快，增加移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的功率和電池壽命，并允許云數(shù)據(jù)中心提供更有效和更經(jīng)濟(jì)的服務(wù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管及其制造方法，具有更好的性能。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法，包括步驟：

提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上依次形成有介質(zhì)層和多孔薄膜；

在所述多孔薄膜表面形成圖案化的掩膜層，所述掩膜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，并去除所述掩膜層；

在所述金屬觸媒上形成碳納米管，并刻蝕去除部分多孔薄膜，所述碳納米管的兩端由剩余的多孔薄膜支撐，使所述碳納米管懸空；

在所述碳納米管表面形成柵介質(zhì)層；

在所述柵介質(zhì)層及介質(zhì)層表面形成金屬柵極，所述金屬柵極位于所述碳納米管的中端區(qū)域；

刻蝕去除位于碳納米管兩端表面的部分柵介質(zhì)層，暴露出部分碳納米管的兩端；

刻蝕去除剩余的多孔薄膜；

在暴露出的碳納米管兩端及介質(zhì)層表面分別形成源漏極，所述源漏極覆蓋部分柵介質(zhì)層，并與所述金屬柵極隔離。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，在形成所述源漏極之后，還包括步驟：采用高溫退火對所述源漏極進(jìn)行處理，使所述源漏極在碳納米管處形成突出部。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述高溫退火工藝的反應(yīng)溫度范圍為600攝氏度～1200攝氏度。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述高溫退火工藝采用的氣體為H₂或N₂。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述高溫退火工藝的反應(yīng)時間范圍為10秒～120分鐘。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述多孔薄膜的形成步驟包括：

在所述介質(zhì)層表面形成重?fù)诫s多晶硅；

電子刻蝕所述重?fù)诫s多晶硅，形成多孔的多晶硅，獲得多孔薄膜。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述掩膜層包括氮化硅層和光阻，所述光阻形成在所述氮化硅表面。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述金屬觸媒包括Pt、Au、Ag、Cu或Ni。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，在形成所述金屬觸媒之后形成碳納米管之前，還包括步驟：對所述多孔薄膜在H₂或N₂下進(jìn)行烘烤。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述碳納米管的形成步驟包括：在化學(xué)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納米管。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，形成所述碳納米管所需的高溫范圍為800攝氏度～1000攝氏度。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述金屬觸媒的尺寸范圍是1nm～3nm。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述源漏極的材質(zhì)為低功函數(shù)金屬。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述源漏極的材質(zhì)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(zhì)的結(jié)合。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述 碳納米管內(nèi)的真空度范圍是0.01Torr～50Torr。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述碳納米管的長度范圍是2nm～100nm，所述碳納米管橫截面的尺寸范圍是1nm～5nm。

進(jìn)一步的，在所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述柵介質(zhì)層材質(zhì)為HfO₂或Al₂O₃。

在本發(fā)明中，還提出了一種全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管，采用如上文所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法制備而成，包括：半導(dǎo)體襯底、介質(zhì)層、碳納米管、柵介質(zhì)層、金屬柵極及源漏極，其中，所述介質(zhì)層形成在所述半導(dǎo)體襯底表面，所述金屬柵極及源漏極形成在所述介質(zhì)層表面，所述碳納米管被所述柵介質(zhì)層包圍，暴露出碳納米管的兩端，所述柵介質(zhì)層的兩端及暴露出的碳納米管的兩端被所述源漏極包圍，使所述柵介質(zhì)層及碳納米管懸空，所述金屬柵極位于所述碳納米管的中端區(qū)域，并包圍所述柵介質(zhì)層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在：在多孔薄膜表面形成納米顆粒作為觸媒，接著形成碳納米管，源漏極包圍柵介質(zhì)層，將碳納米管密封在真空環(huán)境，從而在后續(xù)形成碳納米場效應(yīng)晶體管之后能夠降低器件工作電壓，提高器件使用壽命及其它性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例中全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法的流程圖；

圖2至圖10為本發(fā)明一實施例中全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造過程的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11和圖12為本發(fā)明一實施例中全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管沿著溝道方向的剖面示意圖；

圖13為本發(fā)明一實施例中全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管沿垂直于溝道方向的剖面示意圖；

圖14為本發(fā)明一實施例中全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的能帶示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合示意圖對本發(fā)明的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管及其制造方法進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中表示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，應(yīng)該理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以修改在此描述的本發(fā)明，而仍然實現(xiàn)本發(fā)明的有利效果。因此，下列描述應(yīng)當(dāng)被理解為對于本領(lǐng)域技術(shù)人員的廣泛知道，而并不作為對本發(fā)明的限制。

為了清楚，不描述實際實施例的全部特征。在下列描述中，不詳細(xì)描述公知的功能和結(jié)構(gòu)，因為它們會使本發(fā)明由于不必要的細(xì)節(jié)而混亂。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為在任何實際實施例的開發(fā)中，必須做出大量實施細(xì)節(jié)以實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如按照有關(guān)系統(tǒng)或有關(guān)商業(yè)的限制，由一個實施例改變?yōu)榱硪粋€實施例。另外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為這種開發(fā)工作可能是復(fù)雜和耗費時間的，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說僅僅是常規(guī)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(fā)明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。

請參考圖1，在本實施例中，提出了一種全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法，包括步驟：

S100：提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上依次形成有介質(zhì)層和多孔薄膜；

S200：在所述多孔薄膜表面形成圖案化的掩膜層，所述掩膜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，并去除所述掩膜層；

S400：在所述金屬觸媒上形成碳納米管，并刻蝕去除部分多孔薄膜，所述 碳納米管的兩端由剩余的多孔薄膜支撐，使所述碳納米管懸空；

S500：在所述碳納米管表面形成柵介質(zhì)層；

S600：在所述柵介質(zhì)層及介質(zhì)層表面形成金屬柵極，所述金屬柵極位于所述碳納米管的中端區(qū)域；

S700：刻蝕去除位于碳納米管兩端表面的部分柵介質(zhì)層，暴露出部分碳納米管的兩端；

S800：刻蝕去除剩余的多孔薄膜；

S900：在暴露出的碳納米管兩端及介質(zhì)層表面分別形成源漏極，所述源漏極覆蓋部分柵介質(zhì)層，并與所述金屬柵極隔離。

具體的，請參考圖2，提供半導(dǎo)體襯底10，在所述半導(dǎo)體襯底10上依次形成有介質(zhì)層20和多孔薄膜30。所述多孔薄膜30的形成步驟包括：

在所述介質(zhì)層20表面形成重?fù)诫s多晶硅，例如摻雜銅；

電子刻蝕所述重?fù)诫s多晶硅，形成多孔的多晶硅，獲得多孔薄膜30。

請參考圖3，在所述多孔薄膜30表面形成圖案化的掩膜層40，所述掩膜層40暴露出部分多孔薄膜30，其中，所述掩膜層40可以包括氮化硅和光阻，所述光阻形成在所述氮化硅表面。

請參考圖4，以所述掩膜層40為掩膜，在暴露出的多孔薄膜30表面形成金屬觸媒50，并去除所述掩膜層40，若包括兩層，則先去除光阻，保留氮化硅。

其中，所述金屬觸媒50包括Pt、Au、Ag、Cu、Ni或其他金屬材質(zhì)，金屬觸媒50的尺寸范圍是1nm～3nm，在該尺寸下，其可以很好的作為觸媒，使后續(xù)的碳納米管更容易形成，并且金屬觸媒50還可以作為后續(xù)碳納米管的支柱。

在形成所述金屬觸媒50之后形成碳納米管之前，還包括步驟：對所述多孔薄膜30在H₂或N₂下進(jìn)行烘烤(Baking)，此舉為了去除多孔薄膜30內(nèi)的水汽等雜質(zhì)。此時，可以去除保留的氮化硅。

請參考圖5，在所述金屬觸媒50上形成碳納米管60，其中，所述碳納米管60的形成步驟包括：在化學(xué)氣相沉積腔室中通入CH₄，在高溫下和金屬觸媒50 條件下形成碳納米管60。形成所述碳納米管60所需的高溫范圍為800攝氏度～1000攝氏度，例如是900攝氏度，形成的所述碳納米管的長度范圍是2nm～100nm，例如是50nm，所述碳納米管60橫截面的尺寸范圍是1nm～5nm，例如是3nm。

請參考圖6，采用光阻、曝光、刻蝕等工藝，去除部分多孔薄膜30，所述碳納米管60的兩端由剩余的多孔薄膜30支撐，使所述碳納米管60懸空；刻蝕停止于所述介質(zhì)層20表面。

請參考圖7，在所述碳納米管60表面形成柵介質(zhì)層70；所述柵介質(zhì)層70材質(zhì)為HfO₂或Al₂O₃。所述柵介質(zhì)層70包圍所述碳納米管60。

請參考圖8，在所述柵介質(zhì)層70及介質(zhì)層20表面形成金屬柵極80，所述金屬柵極80位于所述碳納米管60的中端區(qū)域，即位于碳納米管60兩端的中點位置附近，其可以通過沉積形成，然后通過光阻、曝光及刻蝕工藝去除不需要的部分即可。

請參考圖9，刻蝕去除位于碳納米管60兩端表面的部分柵介質(zhì)層70，暴露出部分碳納米管60的兩端；其可以通過光阻、曝光及刻蝕完成，接著，刻蝕去除剩余的多孔薄膜30，刻蝕停止于所述介質(zhì)層20。

請參考圖10，在暴露出的碳納米管60兩端及介質(zhì)層20表面分別形成源漏極90，所述源漏極90覆蓋部分柵介質(zhì)層70，并與所述金屬柵極80隔離，所述源漏極90的材質(zhì)為低功函數(shù)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(zhì)的結(jié)合，所述源漏極90采用PVD或ALD工藝形成，并且在低壓環(huán)境下形成，形成后的器件剖面示意圖如圖11所示。

請結(jié)合圖12和圖13，在形成源漏極90之后，還包括步驟：采用高溫退火對所述源漏極90進(jìn)行處理，使所述源漏極90在碳納米管60處形成突出部，突出部能夠提高器件的性能，例如開啟速率等。所述高溫退火工藝的反應(yīng)溫度范圍為600攝氏度～1200攝氏度，例如是1000攝氏度，所述高溫退火工藝的反應(yīng) 時間范圍為10秒～120分鐘，例如是60分鐘，所述高溫退火工藝采用的氣體為H₂或N₂。

在本申請中，還提出了一種全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管，采用如上文所述的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管的制造方法制備而成，包括：半導(dǎo)體襯底、介質(zhì)層、碳納米管、柵介質(zhì)層、金屬柵極及源漏極，其中，所述介質(zhì)層形成在所述半導(dǎo)體襯底表面，所述金屬柵極及源漏極形成在所述介質(zhì)層表面，所述碳納米管被所述柵介質(zhì)層包圍，暴露出碳納米管的兩端，所述柵介質(zhì)層的兩端及暴露出的碳納米管的兩端被所述源漏極包圍，使所述柵介質(zhì)層及碳納米管懸空，所述金屬柵極位于所述碳納米管的中端區(qū)域，并包圍所述柵介質(zhì)層。

此外，形成的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管工作時的能帶示意圖可以參考圖14，可見，形成的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管在開啟時電子或空缺從源極遷移到漏極的能帶遷移距離較短，使整個器件的性能更佳。

綜上，在本發(fā)明實施例提供的全密封真空納米管場效應(yīng)晶體管及其制造方法中，在導(dǎo)電層表面形成納米顆粒，接著形成碳納米管，由于納米顆?？梢宰鳛橛|媒，從而在后續(xù)形成碳納米管之后能夠降低接觸電阻，提高器件性能。

上述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不對本發(fā)明起到任何限制作用。任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的范圍內(nèi)，對本發(fā)明揭露的技術(shù)方案和技術(shù)內(nèi)容做任何形式的等同替換或修改等變動，均屬未脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的內(nèi)容，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。