垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管及其制造方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管及其制造方法。

背景技术：

传统晶体管MOSFET将器件制作在单晶硅衬底材料上。在不断追逐摩尔定律(Moore’s Law)的推动作用下，传统晶体管MOSFET的沟道长度不断缩减，器件尺寸缩小。这种收缩增加了晶体管密度，提高了芯片的集成度，以及其他的固定因素和开关速度等，同时降低了功耗，使芯片性能不断提升。在未来，随着技术要求不断提高，而硅芯片已经不能被制造得更小，于是必须寻找新的芯片制造材料，碳纳米晶体管是很好的选择。通过采用单个碳纳米管或者碳纳米管阵列代替传统体MOSFET结构的沟道材料，可以在一定程度上克服限制并且进一步缩小器件尺度。

在理想的全包围栅极结构中，具有自对准栅极的碳纳米管场效应晶体管(CarbonNano Tube Field Effect Transistor,CNTFET)尺寸已经降到了20nm。包围碳纳米管沟道的栅极的均匀性得到了巩固，并且这样的工艺也没有造成对碳纳米管的损害。

碳纳米管芯片可以大大提高高性能计算机的能力，使大数据分析速度更快，增加移动设备和物联网的功率和电池寿命，并允许云数据中心提供更有效和更经济的服务。

然而，随着器件尺寸的持续变小，随之增加的接触电阻成为了碳纳米管场效应晶体管提高性能的最大阻碍。对于任何先进的晶体管技术，由于晶体管的 尺寸减小而增加的接触电阻成为一个主要的性能瓶颈。到现在为止，器件尺寸的减少，导致接触电阻不断增大，从而导致器件性能存在与接触电阻对应的下降，此点是基于硅和碳纳米管晶体管技术所面临的挑战。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管及其制造方法，能够克服上述问题。

为了实现上述目的，本发明提出了一种垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法，包括步骤：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有第一单大马士革结构，所述第一单大马士革结构包括介质层和导电层，所述导电层形成在所述介质层内，所述介质层暴露出所述导电层；

在所述导电层表面形成纳米颗粒；

在所述导电层上形成多个间隔排列的碳纳米管；

在所述介质层、导电层及碳纳米管表面形成栅介质层；

在所述栅介质层表面形成金属栅极，所述碳纳米管的部分顶部伸出所述金属栅极的表面；

在所述金属栅极表面形成第二单大马士革结构，所述碳纳米管的顶部与所述第二单大马士革结构内的导电层相连。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述第一单大马士革结构的形成步骤包括：

在所述半导体衬底上依次形成氮化硅层和介质层；

刻蚀所述介质层，形成凹槽，刻蚀停止于所述氮化硅层；

在所述凹槽内填充所述导电层。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，在所述凹槽内形成所述导电层之前，在所述凹槽内先形成一层隔离层，所述导 电层形成在所述隔离层表面。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述隔离层为TaN或Ta。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述第二单大马士革结构的形成步骤包括：

在所述金属栅极表面依次形成氮化硅层和介质层，所述氮化硅层的表面与伸出的碳纳米管的顶部齐平；

刻蚀所述介质层，形成凹槽，刻蚀停止于所述氮化硅层，所述凹槽暴露出所述碳纳米管的顶部；

在所述凹槽内填充导电层，所述导电层与所述碳纳米管的顶部相连。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，在所述凹槽内形成所述导电层之前，在所述凹槽内先形成一层隔离层，所述隔离层在真空条件下形成，所述导电层形成在所述隔离层表面。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述隔离层为TaN、Mo或Ta。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述介质层为二氧化硅。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，在所述导电层上形成纳米颗粒和碳纳米管的步骤包括：

在所述介质层表面形成掩模层，暴露出所述导电层；

以所述掩模层为掩膜，在所述导电层表面形成纳米颗粒；

在形成所述纳米颗粒之后，在所述导电层表面形成碳纳米管；

采用负胶技术，去除所述掩模层。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述掩模层的材质为BARC或不定形碳。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中， 所述纳米颗粒材质为Co或Mo。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述栅介质层材质为HfO₂或Al₂O₃。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述金属栅极的形成步骤包括：

在所述栅介质层表面形成金属栅极，所述金属栅极覆盖所述碳纳米管的顶部；

采用化学机械研磨工艺对所述金属栅极进行研磨，暴露出所述碳纳米管的顶部；

采用回刻蚀工艺对所述金属栅极进行回刻蚀处理，使所述碳纳米管的部分顶部伸出所述金属栅极的表面。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，在形成第二单大马士革结构之后，在H₂或N₂环境下进行高温退火处理，使所述碳纳米管两端的导电层具有弧形突出部。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述高温退火的温度范围是600摄氏度至1200摄氏度。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述高温退火的时间范围是10秒～120分钟。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述碳纳米管内的真空度范围是0.01Torr～50Torr。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述碳纳米管的长度范围是2nm～100nm，所述碳纳米管横截面的尺寸范围是1nm～5nm。

进一步的，在所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法中，所述导电层的材质包括Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Fe,Co,Pd,Cu,Al,Ga,In,Ti,TiN,TaN,金刚石或以上材质的结合。

在本发明中，还提出了一种垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管，采用如上文所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法制备而成，包括：半导体衬底、第一单大马士革结构、碳纳米管、栅介质层、金属栅极及第二单大马士革结构，其中，所述第一单大马士革结构形成在所述半导体衬底上，所述第一单大马士革结构中的导电层表面形成有纳米颗粒，所述碳纳米管的两端分别连接所述第一单大马士革结构中的导电层和第二单大马士革结构中的导电层，所述栅介质层形成在所述碳纳米管及介质层的表面，所述金属栅极形成在所述栅介质层的表面，并位于所述第一单大马士革结构和第二单大马士革结构之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：在导电层表面形成纳米颗粒作为触媒，接着形成碳纳米管，栅介质层与源漏极接触，将碳纳米管密封在真空环境，从而在后续形成碳纳米场效应晶体管之后能够降低器件工作电压，提高器件使用寿命及其它性能。

附图说明

图1为本发明一实施例中垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法的流程图；

图2至图14为本发明一实施例中垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造过程的剖面示意图；

图15为本发明一实施例中沿着沟道方向的剖面示意图；

图16为本发明一实施例中沿垂直于沟道方向的剖面示意图；

图17为本发明一实施例中垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的能带示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管及其制 造方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，在本实施例中，提出了一种垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法，包括步骤：

S100：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有第一单大马士革结构，所述第一单大马士革结构包括介质层和导电层，所述导电层形成在所述介质层内，所述介质层暴露出所述导电层；

S200：在所述导电层表面形成纳米颗粒；

S300：在所述导电层上形成多个间隔排列的碳纳米管；

S400：在所述介质层、导电层及碳纳米管表面形成栅介质层；

S500：在所述栅介质层表面形成金属栅极，所述碳纳米管的部分顶部伸出所述金属栅极的表面；

S600：在所述金属栅极表面形成第二单大马士革结构，所述碳纳米管的顶部与所述第二单大马士革结构内的导电层相连。

具体的，请参考图2至图3，所述第一单大马士革结构的形成步骤包括：

在所述半导体衬底10上依次形成氮化硅层20和介质层30；

刻蚀所述介质层30，形成凹槽，刻蚀停止于所述氮化硅层20；

在所述凹槽内填充所述导电层41。

在所述凹槽内形成所述导电层41之前，在所述凹槽内先形成一层隔离层40，所述导电层41形成在所述隔离层40表面，其中，所述导电层41的材质可以为铜，介质层30的材质可以为二氧化硅，为了防止铜扩散至介质层30内，通常需要在两者之间形成导电的隔离层40，其中隔离层40可以为Ta、TaN或两者结合。

请参考图4至图7，在所述导电层41上形成纳米颗粒42和碳纳米管60的步骤包括：

在所述介质层30表面形成掩模层50，暴露出所述导电层41；

以所述掩模层50为掩膜，在所述导电层41表面形成纳米颗粒42；

在形成所述纳米颗粒42之后，在所述导电层41表面形成碳纳米管60；

采用负胶技术(lift-off)，去除所述掩模层60。

其中，所述掩模层60的材质为BARC或不定形碳等材质，所述纳米颗粒42材质为Co或Mo，形成的纳米颗粒42能够作为触媒，降低接触电阻。所述碳纳米管60的长度范围是2nm～100nm，所述碳纳米管60横截面的尺寸范围是1nm～5nm。

请参考图8，在所述介质层30、导电层41及碳纳米管60表面形成栅介质层70，所述栅介质层70材质为HfO₂或Al₂O₃。

请参考图9至图11，所述金属栅极80的形成步骤包括：

在所述栅介质层70表面形成金属栅极80，所述金属栅极80覆盖所述碳纳米管60的顶部，如图9所示；

采用化学机械研磨工艺对所述金属栅极80进行研磨，暴露出所述碳纳米管60的顶部，如图10所示；

采用回刻蚀工艺对所述金属栅极80进行回刻蚀处理，使所述碳纳米管60的部分顶部伸出所述金属栅极80的表面，如图11所示。

接着，请参考图12至图14，所述第二单大马士革结构的形成步骤包括：

在所述金属栅,80表面依次形成氮化硅层20和介质层30，所述氮化硅层20的表面与伸出的碳纳米管60的顶部齐平；

刻蚀所述介质层30，形成凹槽，刻蚀停止于所述氮化硅层20，所述凹槽暴露出所述碳纳米管60的顶部，可以对所述碳纳米管60的顶部进行清洗；

在所述凹槽内填充导电层41，所述导电层41与所述碳纳米管60的顶部相连。

同样的，由于导电层41的材质为铜，介质层30的材质为二氧化硅，为了防止铜的扩散，需要在导电层41与介质层30之间形成隔离层40，其中，隔离层40的材质可以为TaN或Ta，掺杂有Co或Mo，在第二单大马士革结构的隔离层40中包含掺杂有Co或Mo也能够降低接触电阻。其中，所述隔离层40在真空条件下形成，使所述碳纳米管60内的真空度范围是0.01Torr～50Torr。

所述导电层41的材质包括Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Fe,Co,Pd,Cu,Al,Ga,In,Ti,TiN,TaN,金刚石或以上材质的结合。其中，第一单大马士革结构和第二单大马士革结构可以作为器件的源漏极。

在形成第二单大马士革结构之后，在H₂或N₂环境下进行高温退火处理，使所述碳纳米管60两端的导电层41或者隔离层41具有弧形突出部，所述高温退火的温度范围是600摄氏度至1200摄氏度，高温退火的时间范围是10秒～120分钟，请参考图15，在高温退火之后，导电层41或者隔离层41在碳纳米管60两端能够形成弧形突出部，从而能够提高沟道的开启速度。其中，碳纳米管60内部的横截面结构可以参考图16。

在本实施例的另一方面，还提出了一种垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管，采用如上文所述的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管的制造方法制备而成，包括：半导体衬底、第一单大马士革结构、碳纳米管、栅介质层、金属栅 极及第二单大马士革结构，其中，所述第一单大马士革结构形成在所述半导体衬底上，所述第一单大马士革结构中的导电层表面形成有纳米颗粒，所述碳纳米管的两端分别连接所述第一单大马士革结构中的导电层和第二单大马士革结构中的导电层，所述栅介质层形成在所述碳纳米管及介质层的表面，所述金属栅极形成在所述栅介质层的表面，并位于所述第一单大马士革结构和第二单大马士革结构之间。

此外，形成的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管工作时的能带示意图可以参考图17，可见，形成的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管在开启时电子或空缺从源极迁移到漏极的能带迁移距离较短，使整个器件的性能更佳。

综上，在本发明实施例提供的垂直真空密封碳纳米管场效应晶体管及其制造方法中，在导电层表面形成纳米颗粒作为触媒，接着形成碳纳米管，栅介质层与源漏极接触，将碳纳米管密封在真空环境，从而在后续形成碳纳米场效应晶体管之后能够降低器件工作电压，提高器件使用寿命及其它性能。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。