本发明属于集成电路技术领域，涉及一种碳纳米管束场效应晶体管阵列及其制造方法。
背景技术：
对于载流子运输介质，真空本质上优于固体，因为它允许弹道运输，而在半导体中，载流子会遭受光学和声学声子散射。真空中的电子速度理论上是3×1010cm/s，但在半导体中，电子速度仅约为5×107cm/s。一些科学家认为，在真空晶体管中，似乎只有电子可以在电极之间流动，而空穴不能。除非我们学会处理正电子，否则将不可能做任何互补型电路，例如CMOS。而没有互补型电路，功率将过高，最有可能限制真空晶体管进入细分市场。很难想象，任何大型数字电路都会用到真空晶体管。
目前真空晶体管主要有四种类型(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)垂直场发射型、(b)平面横向场发射型、(c)MOSFET型、(d)绝缘栅空气沟道晶体管。
近年来，已经有报道公开了在理想的围栅几何形态下，碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)的自对准栅极尺寸可缩小到20纳米(IBM创造了第一个9nm碳纳米管晶体管，通过Gareth Halfacree于2012年1月30日发表)。栅极包围碳纳米管沟道的均匀性已经被证实，并且这个过程不会损坏碳纳米管。此外，利用合适的栅极介质层，可以实现N型晶体管或P型晶体管，其中，利用HfO2作为栅介质层可以实现N型晶体管，利用Al2O3作为栅介质层可以实现P型晶体管(Aaron D.Franklin，Carbon Nanotube Complementary Wrap-Gate Transistors，Nano Lett.,2013,13(6),pp 2490–2495)。这些发现不仅为围栅碳纳米管器件的进一步研究提供了一个有前途的平台，并表明采用碳纳米管的大规模数字开关拥有现实的技术潜力。
然而，仍有必要开发CNTFET的潜力和可能性，使其能够用于制造拥有高操作电压和高驱动电流的大功率器件。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种碳纳米管束场效应晶体管阵列及其制造方法，用于解决现有技术中碳纳米管场效应晶体管不能应用于大功率器件的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种碳纳米管束场效应晶体管阵列，包括：
源极材料层；
漏极材料层，形成于所述源极材料层上方；
碳纳米管束阵列，连接于所述源极材料层与所述漏极材料层之间；所述碳纳米管束阵列包括若干分立设置的碳纳米管束单元，其中，所述碳纳米管束单元的轴向第一端与所述源极材料层连接，所述碳纳米管束单元的轴向第二端与所述漏极材料层连接；
栅极结构，形成于所述碳纳米管束阵列中各个碳纳米管束单元之间，且所述栅极结构与所述源极材料层之间通过第一绝缘层隔离，所述栅极结构与所述漏极材料层之间通过第二绝缘层隔离；其中，所述栅极结构包括栅极介质层及栅极材料层，所述栅极介质层包围所述碳纳米管束单元的外侧面，所述栅极材料层包围所述栅极材料层外侧面。
可选地，所述碳纳米管束场效应晶体管阵列还包括基底及形成于所述基底上的第三绝缘层，所述源极材料层形成于所述第三绝缘层上。
可选地，所述碳纳米管束单元的轴向与所述源极材料层所在平面之间的角度为80°～100°。
可选地，所述碳纳米管束单元的高度大于100μm。
可选地，所述栅极介质层采用高K介质，所述栅极材料层包括金属材料。
可选地，所述源极材料层与漏极材料层均包括金属材料。
本发明还提供一种碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法，包括如下步骤：
S1：提供一基底，在所述基底上依次形成第三绝缘层、源极材料层及第一绝缘层；
S2：在所述第一绝缘层中形成通孔阵列；所述通孔阵列包括若干分立设置的通孔，所述通孔暴露出所述源极材料层上表面；
S3：基于所述通孔阵列形成碳纳米管束阵列；所述碳纳米管束阵列包括若干与所述通孔位置相对应的碳纳米管束单元，其中，所述碳纳米管束单元的轴向第一端与所述源极材料层连接；
S4：形成覆盖所述碳纳米管束单元外侧面的栅极介质层；
S5：形成覆盖所述栅极介质层外侧面的栅极材料层；
S6：依次形成第二绝缘层及漏极材料层，其中，所述碳纳米管束单元的轴向第二端与所述漏极材料层连接，所述栅极介质层及栅极材料层与所述漏极材料层之间通过第二绝缘层隔离。
可选地，于所述步骤S3中，在保护性气氛下，利用催化剂及碳源，通过化学气相沉积法形成所述碳纳米管束阵列。
可选地，所述保护性气氛包括N2、H2、Ar中的一种或多种，所述催化剂包括Fe、Ni、Co中的一种或多种，所述碳纳米管束阵列的生长温度范围是500～740℃。
可选地，首先基于所述通孔阵列在所述源极材料层上表面形成所述催化剂，然后基于所述催化剂生长所述碳纳米管束阵列。
可选地，将包含催化剂离子的溶液施加于所述源极材料层表面，并进行退火，以增加催化剂离子与所述源极材料层的结合强度。
可选地，所述退火的温度范围是700～900℃，退火时间为30～90min。
可选地，还包括去除所述第二绝缘层表面多余的催化剂离子的步骤。
可选地，通过湿法腐蚀去除所述第二绝缘层表面多余的催化剂离子。
可选地，所述碳纳米管束单元的轴向与所述源极材料层所在平面之间的角度为80°～100°。
可选地，所述碳纳米管束单元的高度大于100μm。
如上所述，本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列及其制造方法，具有以下有益效果：本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列采用碳纳米管束作为沟道材料，其中碳纳米管束单元只有外部的碳纳米管被栅极介质层所包围，而内部的碳纳米管并没有被栅极介质层所包围，但由于碳纳米管束中各碳纳米管之间的相互作用，处于碳纳米管束单元内部的碳纳米管仍然能够发挥有效作用。本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列能够耐受更高的操作电压及操作电流，能够应用于大功率器件。并且本发明采用环栅结构，可以提高栅极对沟道的操控能力。本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法具有工艺步骤简单的特点，有利于降低生产成本。
附图说明
图1显示为本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列的结构示意图。
图2显示为本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法在所述基底上依次形成第三绝缘层、源极材料层及第一绝缘层的示意图。
图3显示为本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法在所述第一绝缘层中形成通孔阵列的示意图。
图4显示为本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法基于所述通孔阵列在所述源极材料层上表面形成所述催化剂的示意图。
图5显示为本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法基于所述催化剂生长所述碳纳米管束阵列的示意图。
图6显示为本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法形成覆盖所述碳纳米管束单元外侧面的栅极介质层的示意图。
图7显示为本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法形成覆盖所述栅极介质层外侧面的栅极材料层的示意图。
图8显示为本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法去除部分栅极介质层及栅极材料层，以暴露碳纳米管束阵列上部的示意图。
图9显示为本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法形成第二绝缘层及漏极材料层的示意图。
元件标号说明
101 基底
102 第三绝缘层
103 源极材料层
104 第一绝缘层
105 碳纳米管束单元
106 栅极介质层
107 栅极材料层
108 第二绝缘层
109 漏极材料层
110 通孔
111 催化剂
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供一种碳纳米管束场效应晶体管阵列，请参阅图1，显示为该碳纳米管束场效应晶体管阵列的结构示意图，包括：
源极材料层103；
漏极材料层109，形成于所述源极材料层103上方；
碳纳米管束阵列，连接于所述源极材料层103与所述漏极材料层109之间；所述碳纳米管束阵列包括若干分立设置的碳纳米管束单元105，其中，所述碳纳米管束单元105的轴向第一端与所述源极材料层103连接，所述碳纳米管束单元105的轴向第二端与所述漏极材料层109连接；
栅极结构，形成于所述碳纳米管束阵列中各个碳纳米管束单元105之间，且所述栅极结构与所述源极材料层103之间通过第一绝缘层104隔离，所述栅极结构与所述漏极材料层109之间通过第二绝缘层108隔离；其中，所述栅极结构包括栅极介质层106及栅极材料层107，所述栅极介质层106包围所述碳纳米管束单元105的外侧面，所述栅极材料层107包围所述栅极材料层107的外侧面。
本实施例中，所述碳纳米管束场效应晶体管阵列还包括基底101及形成于所述基底101上的第三绝缘层102，所述源极材料层103形成于所述第三绝缘层102上。
具体的，所述基底101包括但不限于Si、Ge等常规半导体衬底材料。所述第三绝缘层102可采用氧化硅或其它绝缘材料，用于将所述源极材料层103与所述基底101隔离。
具体的，每个碳纳米管束单元105均作为一个场效应晶体管的沟道材料，其轴向两端分别与所述源极材料层103及所述漏极材料层109连接。所述源极材料层103作为碳纳米管束场效应晶体管的N+型源极，所述漏极材料层109作为碳纳米管束场效应晶体管的N+型漏极。
本实施例中，所述碳纳米管束单元105的高度大于100μm。所述碳纳米管束单元105的轴向与所述源极材料层103所在平面之间的角度为80°～100°，优选为90°。换句话说，所述碳纳米管束单元105的轴向与所述源极材料层103所在平面垂直，或基本垂直。
具体的，所述碳纳米管束单元105由多根碳纳米管组成，其中，只有位于碳纳米管束外围的碳纳米管被所述栅极介质层106部分包围或全部包围，而位于碳纳米管束内部的碳纳米管并没有被栅极介质层106所包围，但由于碳纳米管束中各碳纳米管之间的相互作用，处于所述碳纳米管束单元105内部的碳纳米管仍然能够发挥有效作用。相对于单根碳纳米管作为沟道，本发明采用包含多根碳纳米管的碳纳米管束作为沟道材料，可以使得碳纳米管束场效应晶体管阵列耐受更高的操作电压及操作电流，从而能够应用于大功率器件。
本发明中，由于所述栅极介质层106包围所述碳纳米管束单元105的外侧面，所述栅极材料层107包围所述栅极材料层107的外侧面，使得所述栅极结构构成环栅结构，可以提高栅极对碳纳米管束沟道的操控能力。
作为示例，所述栅极结构中，所述栅极介质层106采用高K介质(高于二氧化硅的介电常数3.9)，例如铪基氧化物，HfO2、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO等，或者其他介电材料。所述栅极材料层107采用金属栅，其包括金属材料，例如包括Ti、Ta、Hf、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Al、Co、W、Mo中的任意一种或其合金中的任意一种。
作为示例，所述源极材料层103与漏极材料层109也均包括金属材料，例如包括Ti、Ta、Hf、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Al、Co、W、Mo中的任意一种或其合金中的任意一种。
本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列采用碳纳米管束作为沟道材料，并采用环栅结构，不仅能够应用于大功率器件，并且具有较强的沟道控制能力。
实施例二
本发明还提供一种碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法，包括如下步骤：
首先请参阅图2，执行步骤S1：提供一基底101，在所述基底101上依次形成第三绝缘层102、源极材料层103及第一绝缘层104。
具体的，所述基底101包括但不限于Si、Ge等常规半导体衬底材料。所述第三绝缘层102采用氧化硅或其它绝缘材料，用于将所述源极材料层103与所述基底101隔离。所述源极材料层103包括金属材料，例如包括Ti、Ta、Hf、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Al、Co、W、Mo中的任意一种或其合金中的任意一种。所述第一绝缘层104采用氧化硅或其它绝缘材料。
所述第三绝缘层102、源极材料层103、第一绝缘层104可采用物理气相沉积法或化学气相沉积法形成。
然后请参阅图3，执行步骤S2：在所述第一绝缘层104中形成通孔阵列；所述通孔阵列包括若干分立设置的通孔110，所述通孔110暴露出所述源极材料层103上表面。
具体的，通过光刻、刻蚀等工艺步骤形成所述通孔阵列。所述通孔110的形状包括但不限于多边形、圆形、椭圆形等。
接着请参阅图4-图5，执行步骤S3：基于所述通孔阵列形成碳纳米管束阵列；所述碳纳米管束阵列包括若干与所述通孔110位置相对应的碳纳米管束单元105，其中，所述碳纳米管束单元105的轴向第一端与所述源极材料层103连接。
具体的，每个通孔110对应于一个碳纳米管束单元105，每个碳纳米管束单元105均作为一个场效应晶体管的沟道材料。
本实施例中，在保护性气氛下，利用催化剂及碳源，通过化学气相沉积法形成所述碳纳米管束阵列。所述保护性气氛包括N2、H2、Ar中的一种或多种，所述碳源包括但不限于甲烷、乙炔等含碳气体，所述催化剂包括Fe、Ni、Co中的一种或多种，所述碳纳米管束阵列的生长温度范围是500～740℃。
具体的，如图4所示，首先基于所述通孔阵列在所述源极材料层103上表面形成所述催化剂111。作为示例，将包含催化剂离子的溶液施加于所述源极材料层103表面，以形成所述催化剂111。本实施例中，还包括行退火的步骤，以增加催化剂离子与所述源极材料层103的结合强度。所述退火的温度范围是700～900℃，退火时间为30～90min。
进一步的，退火之后，还包括去除所述第二绝缘层104表面多余的催化剂离子的步骤。作为示例，通过湿法腐蚀去除所述第二绝缘层104表面多余的催化剂离子。
如图5所示，然后基于所述催化剂111生长所述碳纳米管束阵列。本实施例中，所述碳纳米管束单元105的轴向与所述源极材料层103所在平面之间的角度为80°～100°，优选为90°。换句话说，所述碳纳米管束单元105的轴向与所述源极材料层103所在平面垂直，或基本垂直。
作为示例，将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500℃～740℃，然后通入碳源气体并反应约5～30分钟，生长得到碳纳米管束阵列，其高度大于100微米。该碳纳米管束阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管束阵列。该碳纳米管束与所述通孔面积基本相同。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管束阵列中基本不含有无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等杂质。
再请参阅图6，执行步骤S4：形成覆盖所述碳纳米管束单元105外侧面的栅极介质层106。
具体的，采用物理气相趁机沉积法或化学气相沉积法形成所述栅极介质层106。作为示例，所述栅极介质层106采用高K介质(高于二氧化硅的介电常数3.9)，例如铪基氧化物，HfO2、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO等，或者其他介电材料。
再请参阅图7，执行步骤S5：形成覆盖所述栅极介质层106外侧面的栅极材料层107。
具体的，采用物理气相趁机沉积法或化学气相沉积法形成所述栅极材料层107。作为示例，所述栅极材料层107采用金属栅，其包括金属材料，例如包括Ti、Ta、Hf、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Al、Co、W、Mo中的任意一种或其合金中的任意一种。
进一步的，如图8所示，去除部分所述栅极材料层107及栅极介质层106，暴露出所述碳纳米管束阵列上部。去除方法可以是湿法腐蚀或等离子体刻蚀等适合的方法。
最后请参阅图9，执行步骤S6：依次形成第二绝缘层108及漏极材料层109，其中，所述碳纳米管束单元105的轴向第二端与所述漏极材料层109连接，所述栅极介质层106及栅极材料层107与所述漏极材料层109之间通过第二绝缘层108隔离。
具体的，所述第二绝缘层108采用氧化硅或其它绝缘材料，所述漏极材料层109包括金属材料，例如包括Ti、Ta、Hf、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Al、Co、W、Mo中的任意一种或其合金中的任意一种。
具体的，所述碳纳米管束单元105顶端嵌入所述漏极材料层109中，可增加所述碳纳米管束单元105与所述漏极材料层109之间连接的牢固度。
至此，制造完成了本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列。本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法具有工艺步骤简单的特点，有利于降低生产成本。
综上所述，本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列采用碳纳米管束作为沟道材料，其中碳纳米管束单元只有外部的碳纳米管被栅极介质层所包围，而内部的碳纳米管并没有被栅极介质层所包围，但由于碳纳米管束中各碳纳米管之间的相互作用，处于碳纳米管束单元内部的碳纳米管仍然能够发挥有效作用。本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列能够耐受更高的操作电压及操作电流，能够应用于大功率器件。并且本发明采用环栅结构，可以提高栅极对沟道的操控能力。本发明的碳纳米管束场效应晶体管阵列的制造方法具有工艺步骤简单的特点，有利于降低生产成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。