抗辐照碳纳米管晶体管、制造方法以及集成电路系统

1.本公开属于晶体管电子器件技术领域，本公开尤其涉及一种抗辐照碳纳米管晶体管、制造方法以及集成电路系统。


背景技术：

2.传统硅基集成电路中使用氧化硅栅介质以及衬底，浅沟道隔离层等技术，受到总剂量辐照时会产生许多陷阱电荷，造成漏电增加，阈值电压漂移。
3.虽然硅基集成电路通过尺寸缩减可以减小辐照吸收截面，但是硅基为块体材料，存在缩减极限。硅基集成电路通过选用高k栅介质甚至真空栅介质等，减薄栅厚度减小陷阱电荷，但是这样会提高漏电几率，降低栅效率。
4.硅基集成电路使用soi技术进行衬底辐照加固，但是总剂量辐照进一步增加仍然会产生漏电通道，并且衬底反射辐照射线，造成二次辐照效应。
5.由于二维材料(如硫化钼、金属氧化物半导体等)辐照吸收截面小，有可能减小辐照吸收，但是其在辐照下不稳定，会产生明显的缺陷。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种抗辐照碳纳米管晶体管、制造方法以及集成电路系统。
7.本公开的抗辐照碳纳米管晶体管、制造方法以及集成电路系统通过以下技术方案实现。
8.根据本公开的一个方面，提供一种抗辐照碳纳米管晶体管，包括：抗辐照衬底；碳纳米管粘附层，所述碳纳米管粘附层形成在所述抗辐照衬底上；碳纳米管层，所述碳纳米管层形成在所述碳纳米管粘附层上，所述碳纳米管层作为沟道；以及栅介质，所述栅介质为至少在所述碳纳米管层的一部分上形成的聚合物离子液体凝胶。
9.根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管，所述抗辐照衬底为薄膜绝缘材料。
10.根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管，所述薄膜绝缘材料为聚酰亚胺(pi)薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)薄膜或聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)薄膜。
11.根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管，所述碳纳米管粘附层为氧化铪、氧化铝、氧化硅、或氧化锆。
12.根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管，在所述碳纳米管层与所述聚合物离子液体凝胶的接触界面之间形成有缓冲层。
13.根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管，所述缓冲层为氧化铝或氧化铪。
14.根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管，所述缓冲层的厚度为20nm以下。
15.根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管，所述碳纳米管粘附层的厚度约为5nm。
16.根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管，还包括栅极、源极以及漏极，所述源极和所述漏极采用叉指电极结构。
17.根据本公开的另一个方面，提供一种抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法，包括：提供抗辐照衬底；在所述抗辐照衬底上形成碳纳米管粘附层；在所述碳纳米管粘附层上形成碳纳米管层作为沟道材料；以及至少在所述碳纳米管层的一部分上形成聚合物离子液体凝胶作为栅介质。
18.根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法，所述抗辐照衬底为薄膜绝缘材料。
19.根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法，所述薄膜绝缘材料为聚酰亚胺(pi)薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)薄膜或聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)薄膜。
20.根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法，通过在所述抗辐照衬底上沉积氧化铪、氧化铝、氧化硅、或氧化锆，以形成所述碳纳米管粘附层。
21.根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法，通过共聚物、离子液体以及有机溶剂制备聚合物离子液体凝胶墨水，至少将所述聚合物离子液体凝胶墨水喷墨在所述碳纳米管层的一部分上形成所述聚合物离子液体凝胶。
22.根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法，所述共聚物为ps-pmma、ps-pmma-ps、ps-peo-ps、p(vdf-hfp)、peg-da或sos-n3。
23.根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法，所述离子液体为[emim]-[tfsi]、[emim]-[tf2n]、[emi]-[tcb]、[deme]-[tfsi]、[emim]-[octoso3]或者[bmim]-[pf6]。
[0024]
根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法，所述有机溶剂优选为乙酸乙酯。
[0025]
根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法，至少在所述碳纳米管层的一部分上形成聚合物离子液体凝胶，之前，至少在所述碳纳米管层与所述聚合物离子液体凝胶的接触界面之间形成缓冲层。
[0026]
根据本公开的至少一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法，所述缓冲层为氧化铝或氧化铪。
[0027]
根据本公开的又一个方面，提供一种集成电路系统，包括上述任一项的抗辐照碳纳米管晶体管或者通过上述任一项的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法制造的抗辐照碳纳米管晶体管。
附图说明
[0028]
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
[0029]
图1是根据本公开的一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的结构示意图。
[0030]
图2是根据本公开的又一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的结构示意图。
[0031]
图3是根据本公开的又一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的结构示意图。
[0032]
图4是根据本公开的一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的聚合物离子液体凝胶中形成双电层效应的示意图。
[0033]
图5是根据本公开的一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管(p型离子胶碳纳米管场效应管)的转移特性曲线。
[0034]
图6是根据本公开的一个实施方式的具有厚度为5nm的缓冲层的抗辐照碳纳米管晶体管(p型离子胶碳纳米管场效应管)的转移特性曲线。
[0035]
图7是根据本公开的一个实施方式的具有厚度为10nm的缓冲层的抗辐照碳纳米管晶体管(p型离子胶碳纳米管场效应管)的转移特性曲线。
[0036]
图8是根据本公开的一个实施方式的具有厚度为15nm的缓冲层的抗辐照碳纳米管晶体管(p型离子胶碳纳米管场效应管)的转移特性曲线。
[0037]
图9是根据本公开的一个实施方式的具有厚度为20nm的缓冲层的抗辐照碳纳米管晶体管(p型离子胶碳纳米管场效应管)的转移特性曲线。
[0038]
图10为本公开的抗辐照碳纳米管晶体管(离子胶碳纳米管场效应管)辐照后两端电流比和最低电流电压点随缓冲层厚度的变化图。
[0039]
附图标记说明
[0040]
100 抗辐照碳纳米管晶体管
[0041]
101 抗辐照衬底
[0042]
102 碳纳米管粘附层
[0043]
103 碳纳米管层
[0044]
104 栅介质
[0045]
105 漏极
[0046]
106 源极
[0047]
107 栅极
[0048]
108 缓冲层。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
[0050]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
[0051]
除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
[0052]
在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性
质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
[0053]
当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
[0054]
为了描述性目的，本公开可使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“在
……
下”、“下”、“在
……
上方”、“上”、“在
……
之上”、“较高的”和“侧(例如，在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在
……
下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
[0055]
这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
[0056]
图1是根据本公开的一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的结构示意图。
[0057]
如图1所示，抗辐照碳纳米管晶体管100，包括：抗辐照衬底101；碳纳米管粘附层102，碳纳米管粘附层102形成在抗辐照衬底101上；碳纳米管层103，碳纳米管层103形成在碳纳米管粘附层102上，碳纳米管层103作为沟道；以及栅介质104，栅介质104为至少在碳纳米管层103的一部分上形成的聚合物离子液体凝胶。
[0058]
由于聚合物离子液体凝胶能够在沟道表面形成纳米尺度双电层效应，可以有效减少栅介质陷阱电荷产生。
[0059]
本公开的抗辐照碳纳米管晶体管可称为离子胶碳纳米管晶体管，聚合物离子液体凝胶可简称为离子胶。
[0060]
需要说明的是，图1中各个部分的尺寸大小、形状仅仅是示例性的，并不对本实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管或者本公开的抗辐照碳纳米管晶体管构成限定。
[0061]
其中，作为栅介质104的聚合物离子液体凝胶，可以通过气溶胶喷墨打印的方式形成聚合物离子液体凝胶，其会在碳纳米管层103表面形成双电层效应，一方面，其作为栅介
质，为碳纳米管晶体管提供超高的栅极效率，另一方面，由于双电层的厚度很薄，属于纳米尺度，俘获的辐照陷阱电荷小，提高了碳纳米管晶体管的抗辐照能力。
[0062]
图4示出了聚合物离子液体凝胶之中形成双电层效应的示意图(上表面负栅偏压)。
[0063]
优选地，本实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管100的抗辐照衬底101为薄膜绝缘材料。
[0064]
由于使用薄膜绝缘材料作为衬底，高能辐照粒子可以穿过衬底，避免了衬底反射的二次辐照损伤，进一步的提高了碳纳米管晶体管的抗辐照能力。
[0065]
更优选地，薄膜绝缘材料为聚酰亚胺(pi)薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)薄膜或聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)薄膜。这些薄膜绝缘材料具有厚度薄、结构疏松的特点，不易产生陷阱电荷，并且辐照射线会完全穿过衬底，反射效应较小，减少了辐照射线反射引起的二次辐照效应。本领域技术人员应当理解，本公开的薄膜绝缘材料还可以采用聚酰亚胺(pi)薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)薄膜、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)薄膜之外的具有厚度薄、结构疏松特点的薄膜。
[0066]
根据本实施方式制备的抗辐照碳纳米管晶体管(p型离子胶碳纳米管场效应晶体管)的转移特性如图5所示。
[0067]
初始状态下(即被辐照之前的状态下)，p型离子胶碳纳米管场效应晶体管的亚阈值摆幅阈(ss)为100mv/dec(图5中的a曲线)，证明离子胶栅介质可以提供良好的栅控能力。
[0068]
使用剂量率560rad(si)/s，总辐照计量4mrad(si)辐照离子胶碳纳米管场效应晶体管之后，器件的转移特性如图5中的b曲线所示。
[0069]
使用大辐照剂量率来模拟极端辐照条件，缩短辐照以及测量时间，避免辐照效应随时间消退的影响。实验结果证明，本公开的这种新型的场效应晶体管经受4mrad辐照后，除了轻微的亚阈值摆幅衰退以及阈值电压微小漂移外，器件仍然能够正常工作，这是碳纳米管顶栅场效应晶体管抗辐照能力的新纪录。
[0070]
优选地，本实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的碳纳米管粘附层102为氧化铪、氧化铝、氧化硅、或氧化锆。优选地，碳纳米管粘附层102的厚度约为5nm。
[0071]
图2是根据本公开的又一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的结构示意图。
[0072]
如图2所示，抗辐照碳纳米管晶体管100，包括：抗辐照衬底101；碳纳米管粘附层102，碳纳米管粘附层102形成在抗辐照衬底101上；碳纳米管层103，碳纳米管层103形成在碳纳米管粘附层102上，碳纳米管层103作为沟道；栅介质104，栅介质104为至少在碳纳米管层103的一部分上形成的聚合物离子液体凝胶；以及至少在碳纳米管层103与聚合物离子液体凝胶的接触界面之间形成有缓冲层108。
[0073]
需要说明的是，图2中各个部分的尺寸大小、形状也仅仅是示例性的，并不对本实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管或者本公开的抗辐照碳纳米管晶体管构成限定。
[0074]
图3是根据本公开的又一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的结构示意图。
[0075]
如图3所示，抗辐照碳纳米管晶体管100的缓冲层108的设置区域相对于图2中所示的抗辐照碳纳米管晶体管100的缓冲层108的设置区域更大。
[0076]
通过缓冲层108的设置，离子胶碳纳米管晶体管能够具有典型的双极性，其最小电流点在v
gs
＝0v附近，表明其可以同时作为增强型n型和p型场效应晶体管来构建类cmos集成
电路。通过调节缓冲层的厚度，调节晶体管极性。
[0077]
为了调节离子胶碳纳米管场效应晶体管的阈值，至少在聚合物离子液体凝胶和碳纳米管层103接触界面之间，形成有缓冲层108，来调节离子胶碳纳米管场效应晶体管的vmin(vmin为离子胶碳纳米管场效应晶体管转移曲线中电流最小点电压)，可以使用原子层沉积技术(ald)生长一定厚度的氧化铝或氧化铪作为缓冲层。
[0078]
本实施方式中，图6至图9示出了具有不同厚度缓冲层的抗辐照碳纳米管晶体管(p型离子胶碳纳米管场效应晶体管)的转移特性曲线。
[0079]
下面将以氧化铝作为缓冲层为例进行说明。图6至9中，氧化铝缓冲层的厚度依次为5nm、10nm、15nm、20nm。
[0080]
结合图5(未设置缓冲层，即氧化铝缓冲层厚度为0)以及图6至9，随着氧化铝缓冲层的厚度从0增加到20nm，气凝胶喷墨打印制备的离子胶碳纳米管场效应晶体管的vmin左移(从0.6v到0.2v)，场效应晶体管左右两支开态电流比值趋近于1，说明器件的双极性逐渐明显。
[0081]
对比辐照前后(图5至图9中a曲线为辐照前，b曲线为辐照后)离子胶碳纳米管场效应晶体管的转移特性，图10示出了离子胶碳纳米管场效应管辐照后两端电流比和最低电流电压点随缓冲层厚度的变化。由图10可以看出，离子胶碳纳米管场效应管(抗辐照碳纳米管晶体管)的vmin和双极性在经受4mrad(si)辐照后并没有明显的改变，说明缓冲层的引入并不会损失离子胶碳纳米管晶体管的抗辐照性能。
[0082]
本公开通过重新设计碳纳米管晶体管的结构以及选取栅介质与衬底材料，离子胶碳纳米管晶体管以及由离子胶碳纳米管晶体管制造的集成电路的抗辐照能力明显提高，在辐照剂量率560rad/s的情况下，辐照4mrad(si)，电路仍然能够正常工作。4mrad(si)的总剂量辐照相当于宇宙空间对器件约10年的总辐射剂量。
[0083]
而且，由于本公开的抗辐照碳纳米管晶体管使用离子胶栅介质，离子胶是一种准液态的物质，其辐照损伤更容易修复。通过一定温度的退火处理，离子胶内部流动性增强，正负离子更容易流动，促进辐照诱导俘获的陷阱电荷耗散，同时使得离子胶双电层重新达到平衡，这种特性使得离子胶可以在更为温和的退火条件下实现辐照损伤修复。
[0084]
上述实施方式中，优选地，抗辐照碳纳米管晶体管100的缓冲层108为氧化铝。
[0085]
根据本公开的优选实施方式，抗辐照碳纳米管晶体管100还包括栅极107、源极106以及漏极105，源极106和漏极105采用叉指电极结构，增加器件的宽度，进一步增强抗辐照碳纳米管晶体管的抗辐照稳定性。
[0086]
例如，在柔性聚酰亚胺(pi)衬底上使用ald沉积5nm氧化铪或氧化铝、氧化硅、氧化锆作为喷墨打印碳纳米管粘附层，使用离子胶作为栅介质，使用金(au)作为接触电极，使用气溶胶喷墨打印银(ag)作为侧栅电极。
[0087]
根据本公开的一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法，包括：提供抗辐照衬底101；在抗辐照衬底上形成碳纳米管粘附层102；在碳纳米管粘附层102上形成碳纳米管层103作为沟道材料；以及至少在碳纳米管层103的一部分上形成聚合物离子液体凝胶作为栅介质104。
[0088]
根据本公开的又一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法，包括：提供抗辐照衬底101；在抗辐照衬底上形成碳纳米管粘附层102；在碳纳米管粘附层102上形成碳
纳米管层103作为沟道材料；至少在碳纳米管层103的一部分上形成缓冲层108；以及至少在缓冲层108上形成聚合物离子液体凝胶作为栅介质104。
[0089]
上述实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法中，抗辐照衬底为薄膜绝缘材料。
[0090]
优选地，薄膜绝缘材料为聚酰亚胺(pi)薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)薄膜、或聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)薄膜。
[0091]
优选地，本公开的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法中，通过在抗辐照衬底上沉积氧化铪、氧化铝、氧化硅、或氧化锆以形成碳纳米管粘附层。
[0092]
优选地，本公开的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法中，通过共聚物、离子液体以及有机溶剂制备聚合物离子液体凝胶墨水，至少将聚合物离子液体凝胶墨水喷墨在碳纳米管层103的一部分上形成聚合物离子液体凝胶。
[0093]
例如，使用二嵌段共聚物ps-pmma、离子液体[emim][tfsi]和乙酸乙酯混合搅拌制备离子胶打印墨水，共聚物ps-pmma、离子液体[emim][tfsi]和乙酸乙酯以一定的重量比混合，在室温下转动搅拌，获得离子胶墨水，用于气溶胶喷墨打印。
[0094]
本公开的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法中，共聚物优选为ps-pmma、ps-pmma-ps、ps-peo-ps、p(vdf-hfp)、peg-da或sos-n3。
[0095]
本公开的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法中，离子液体优选为[emim]-[tfsi]、[emim]-[tf2n]、[emi]-[tcb]、[deme]-[tfsi]、[emim]-[octoso3]或者[bmim]-[pf6]。
[0096]
本公开的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法中，有机溶剂优选为乙酸乙酯。
[0097]
根据本公开的一个实施方式的集成电路系统，包括上述任一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管或者通过上述任一个实施方式的抗辐照碳纳米管晶体管的制造方法制造的抗辐照碳纳米管晶体管。
[0098]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
[0099]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0100]
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。