專利名稱：制造用于以陣列布置的垂直碳納米管場效應(yīng)晶體管的方法和由該方法形成的場效應(yīng)晶體 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制造，更特別地，涉及構(gòu)造垂直碳納米管場效應(yīng)晶體管及其陣列的方法、以及通過這樣的方法形成的器件結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)的陣列。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)場效應(yīng)晶體管(FET)是一般作為基本構(gòu)件塊包括在集成電路(IC)芯片的復(fù)雜電路中的常見常規(guī)元件。FET尺寸的等比例縮小改善了電路性能且提高了設(shè)置在IC芯片上的FET的功能性能力。然而，持續(xù)的尺寸減小會受到與傳統(tǒng)材料相關(guān)的尺寸限制以及與光刻構(gòu)圖相關(guān)的成本的妨礙。
碳納米管是碳原子的六角環(huán)構(gòu)成的納米級大高寬比(high-aspect-ratio)圓筒，其可具有半導(dǎo)體電子狀態(tài)或?qū)w電子狀態(tài)。合成適于形成FET陣列的碳納米管的常規(guī)方法利用化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝。具體地，CVD工藝將含碳反應(yīng)物流引導(dǎo)至位于平面基板上的催化劑材料，在那里反應(yīng)物被催化從而合成碳納米管。通過活性碳原子在與催化劑材料的界面處的插入，碳納米管生長且變長。然后碳納米管被收割以用于各種目標應(yīng)用。
已經(jīng)利用半導(dǎo)體的碳納米管作為溝道區(qū)域且在位于基板表面上的金源極電極和金漏極電極之間延伸的半導(dǎo)體的碳納米管的相對兩端形成接觸而成功制造了FET。柵極電極定義在碳納米管下面的基板中且通常在源極和漏極電極之間?；宓难趸砻娑x位于埋設(shè)柵極電極和碳納米管之間的柵極電介質(zhì)。
納米管FET可以可靠地開關(guān)，且與相當(dāng)?shù)墓杌骷Y(jié)構(gòu)相比，由于碳納米管的小尺寸而消耗顯著更少的功率。已經(jīng)在受控實驗室條件下通過利用原子力顯微鏡操作單根半導(dǎo)體碳納米管以精確定位在源極和漏極電極之間而成功形成了這樣的FET。還已經(jīng)通過從隨機分散的半導(dǎo)體碳納米管的組中將單根半導(dǎo)體碳納米管符合地定位在源極和漏極電極之間而形成了納米管FET。
IC芯片的制造和批量生產(chǎn)需要FET的大陣列。碳納米管的常規(guī)操作或符合定位不能滿足批量生產(chǎn)的要求。不幸地，隨著碳納米管變長，到達催化劑材料的CVD反應(yīng)物流變得有限，其使納米管的合成變得緩慢甚至中斷。在某些FET設(shè)計中，催化劑材料位于大高寬比開口的基部，這進一步限制了反應(yīng)物流(reactant flow)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，提供一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，包括柵極電極，包括垂直側(cè)壁和覆蓋該垂直側(cè)壁的柵極電介質(zhì)；在與所述柵極電極的所述垂直側(cè)壁相鄰的位置處垂直延伸在相對的第一和第二端之間的至少一個半導(dǎo)體碳納米管；與所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的所述第一端電耦接的第一接觸；以及與所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的所述第二端電耦接的第二接觸。
在一個實施例中，該半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)還包括將該導(dǎo)體碳納米管與該柵極電極電耦接的催化劑墊，該催化劑墊參與所述導(dǎo)體碳納米管的合成。
在一個實施例中，至少一個半導(dǎo)體碳納米管是單壁半導(dǎo)體碳納米管。
在一個實施例中，該半導(dǎo)體器件還包括在與所述柵極電極的所述垂直側(cè)壁相鄰的位置處垂直延伸的多個半導(dǎo)體碳納米管。
在一個實施例中，該第一接觸(例如源極)包括催化劑墊，該催化劑墊的特征在于對生長所述至少一個半導(dǎo)體納米管有效的催化劑材料。在此實施例中，該至少一個半導(dǎo)體碳納米管的第一端可包括在制造期間從所述催化劑墊擴散到所述第一端中的電導(dǎo)率增強物質(zhì)。
在一個實施例中，該半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置在所述第一接觸和所述柵極電極之間用于將所述第一接觸與所述柵極電極電隔離的絕緣層。
在一個實施例中，該半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置在該第二接觸和該柵極電極之間用于將該第二接觸與該柵極電極電隔離的絕緣層。
在一個實施例中，該半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)還包括第三接觸以及將所述柵極電極與該第三接觸電耦接的至少一個導(dǎo)體碳納米管。
在一個實施例中，該第二接觸包括垂直延伸的金屬柱，其與所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的該第二端電耦接。在此實施例中，該第二接觸可包括在所述柵極電極下水平延伸用于將所述催化劑墊與所述金屬柱耦接的導(dǎo)電層。
在一個實施例中，該第二接觸包括至少一個垂直延伸的導(dǎo)體碳納米管，其與所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的所述第二端電耦接。在此實施例中，該第二接觸可包括在所述柵極電極下水平延伸用于將所述催化劑墊與所述至少一個垂直延伸的導(dǎo)體碳納米管耦接的導(dǎo)電層。
優(yōu)選地，提供一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，其包括具有被覆蓋以柵極電介質(zhì)的垂直側(cè)壁的柵極電極以及在與所述柵極電極的該垂直側(cè)壁相鄰的位置處垂直延伸的半導(dǎo)體碳納米管。源極優(yōu)選與該半導(dǎo)體碳納米管的一端電耦接，漏極優(yōu)選與該半導(dǎo)體碳納米管的相反端電耦接。多個半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)可以以陣列布置且作為存儲電路或者作為邏輯電路互連在一起。
優(yōu)選地，提供一種合成包括碳納米管的FET的陣列的方法，其適于批量生產(chǎn)技術(shù)且其中在集成到FET結(jié)構(gòu)中的催化劑材料處發(fā)生的CVD納米管合成工藝不受限于反應(yīng)物流限制。
優(yōu)選地，提供一種制造器件結(jié)構(gòu)的方法。該方法優(yōu)選包括形成堆疊結(jié)構(gòu)，該堆疊結(jié)構(gòu)包括多個與源極接觸電耦接的催化劑墊、柵極電極層、以及將該柵極電極層與該多個催化劑墊分隔開的絕緣層。該方法還優(yōu)選包括劃分所述堆疊結(jié)構(gòu)從而在所述柵極電極層中定義多個柵極電極，其中相鄰柵極電極通過反應(yīng)物路徑被分隔開且所述多個催化劑墊的每個在所述多個柵極電極的對應(yīng)的一個的垂直側(cè)壁附近的位置處至少部分暴露于反應(yīng)物路徑。優(yōu)選地，至少一個半導(dǎo)體碳納米管采用包括將反應(yīng)物通過所述反應(yīng)物路徑引導(dǎo)到所述多個催化劑墊的每個的化學(xué)氣相沉積工藝被合成在所述多個催化劑墊的每個上。
根據(jù)第二方面，提供一種電路，包括互連的多個所述第一方面的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，其以特征在于多個行和多個列的陣列布置。
在一個實施例中，該多個半導(dǎo)體器件互連作為存儲電路。
在一個實施例中，該電路還包括多個字線，每個電互連位于所述陣列的所述多個行的對應(yīng)的一個中的所述多個半導(dǎo)體器件的每個的所述柵極電極；以及多個位線，每個電互連位于所述陣列的所述多個列的對應(yīng)的一個中的所述多個半導(dǎo)體器件的每個的所述第二接觸。
在一個實施例中，所述多個字線的每個包括所述多個半導(dǎo)體器件的所述柵極電極。
在一個實施例中，所述多個位線的每個包括電耦接位于所述陣列的所述多個行的對應(yīng)的一個中的所述多個半導(dǎo)體器件的每個的源極的導(dǎo)電條。
在一個實施例中，該電路還包括基板，承載所述多個半導(dǎo)體器件且特征在于垂直于表面觀察時的表面區(qū)域，所述多個半導(dǎo)體器件通過開口空間分隔開，所述開口空間在所述表面區(qū)域的約20％至約50％的范圍。
在一個實施例中，該多個半導(dǎo)體器件互連作為邏輯電路。
根據(jù)第三方面，提供一種制造包括半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的陣列的電路的方法，包括形成包括導(dǎo)電層、每個與該導(dǎo)電層電耦接的多個第一催化劑墊、柵極電極層、以及將該柵極電極層與所述多個第一催化劑墊分隔開的絕緣層的堆疊結(jié)構(gòu)；劃分所述堆疊結(jié)構(gòu)從而在所述柵極電極層中定義多個柵極電極以定義所述陣列，其中相鄰柵極電極通過反應(yīng)物路徑分隔開且所述多個第一催化劑墊的每個在所述多個柵極電極的對應(yīng)的一個的垂直側(cè)壁附近的位置處至少部分暴露到所述反應(yīng)物路徑；以及通過所述反應(yīng)物路徑將反應(yīng)物引導(dǎo)到所述多個第一催化劑墊的每個以用于通過化學(xué)氣相沉積工藝在所述多個第一催化劑墊的每個上從所述反應(yīng)物合成至少一個半導(dǎo)體碳納米管。
在一個實施例中，該方法還包括在所述柵極電極上形成多個第二催化劑墊；以及在所述多個第二催化劑墊的每個上合成至少一個導(dǎo)體碳納米管。
在一個實施例中，該方法還包括定義所述多個第一催化劑墊的每個的活性區(qū)域。
在一個實施例中，定義所述活性區(qū)域還包括用掩模覆蓋所述多個第一催化劑墊的每個的第一部分；以及蝕刻所述多個第一催化劑墊的相對于所述掩模選擇的第二部分，使得所述第一部分定義所述活性區(qū)域。
在一個實施例中，所述掩模是臨時間隔物，在蝕刻后其從所述器件結(jié)構(gòu)被去除。
在一個實施例中，該方法還包括形成多個第一接觸，其每個與合成在所述多個第一催化劑墊的對應(yīng)的一個上的所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的第一端電耦接。
在一個實施例中，該陣列特征在于以多個行和多個列布置的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，且該方法還包括構(gòu)圖所述導(dǎo)電層從而定義多個位線，其每個電互連位于所述陣列的所述多個行的每個中的全部半導(dǎo)體器件的所述第一接觸。
在一個實施例中，該陣列特征在于以多個行和多個列布置的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，且所述多個柵極電極的每個定義用于位于所述陣列的所述多個列的對應(yīng)的一個中的所述多個半導(dǎo)體器件的字線。
在一個實施例中，該方法還包括形成多個第二接觸，其每個與合成在所述多個第一催化劑墊的對應(yīng)的一個上的所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的第二端電耦接。
在一個實施例中，該方法還包括將所述多個柵極電極、所述多個第一接觸、以及所述多個第二接觸電互連為邏輯電路。
在一個實施例中，該方法還包括將所述多個柵極電極、所述多個第一接觸、以及所述多個第二接觸電互連為存儲電路。
在一個實施例中，該方法還包括從所述第一多個催化劑墊擴散電導(dǎo)率增強物質(zhì)到其上所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的相鄰端中。
在一個實施例中，擴散所述電導(dǎo)率增強物質(zhì)發(fā)生在通過所述反應(yīng)物路徑將所述反應(yīng)物引導(dǎo)到所述多個第一催化劑墊的每個之后。


現(xiàn)在將參照附圖以示例方式詳細說明本發(fā)明的實施例，附圖中圖1A是根據(jù)本發(fā)明一實施例的部分基板的頂視圖；圖1B是根據(jù)本發(fā)明一實施例的基本沿圖1A的線1B-1B截取的剖視圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明一實施例的在后續(xù)制造階段圖1A的基板的頂視圖；圖2B是根據(jù)本發(fā)明一實施例的基本沿圖2A的線2B-2B截取的剖視圖；圖3A是根據(jù)本發(fā)明一實施例的在后續(xù)制造階段與圖2A類似的頂視圖；圖3B是根據(jù)本發(fā)明一實施例的基本沿圖3A的線3B-3B截取的剖視圖；圖4A是根據(jù)本發(fā)明一實施例的在后續(xù)制造階段與圖3A類似的頂視圖；圖4B是根據(jù)本發(fā)明一實施例的基本沿圖4A的線4B-4B截取的剖視圖；圖5A是根據(jù)本發(fā)明一實施例的在后續(xù)制造階段與圖4A類似的頂視圖；圖5B是根據(jù)本發(fā)明一實施例的基本沿圖5A的線5B-5B截取的剖視圖；圖6A是根據(jù)本發(fā)明一實施例的在后續(xù)制造階段與圖5A類似的頂視圖；圖6B是根據(jù)本發(fā)明一實施例的基本沿圖6A的線6B-6B截取的剖視圖；圖7A是根據(jù)本發(fā)明一實施例的在后續(xù)制造階段與圖6A類似的頂視圖；圖7B是根據(jù)本發(fā)明一實施例的基本沿圖7A的線7B-7B截取的剖視圖；圖8A是根據(jù)本發(fā)明一實施例的在后續(xù)制造階段與圖7A類似的頂視圖；圖8B是根據(jù)本發(fā)明一實施例的基本沿圖8A的線8B-8B截取的剖視圖；
圖9A是根據(jù)本發(fā)明一實施例的在后續(xù)制造階段與圖8A類似的頂視圖；圖9B是根據(jù)本發(fā)明一實施例的基本沿圖9A的線9B-9B截取的剖視圖；圖10A是根據(jù)本發(fā)明一供選實施例的器件結(jié)構(gòu)的與圖9A類似的頂視圖；圖10B是基本沿圖10A中的線10B-10B截取的剖視圖；圖11A是根據(jù)本發(fā)明一供選實施例的器件結(jié)構(gòu)的與圖10A類似的頂視圖；圖11B是基本沿圖11A中的線11B-11B截取的剖視圖；圖12A是根據(jù)本發(fā)明一供選實施例的器件結(jié)構(gòu)的與圖11A類似的頂視圖；圖12B是基本沿圖12A中的線12B-12B截取的剖視圖；具體實施方式
各種實施例提供用于形成場效應(yīng)晶體管(FET)的陣列的方法，該場效應(yīng)晶體管包括半導(dǎo)體碳納米管作為作為溝道區(qū)域，且可選地，包括導(dǎo)體碳納米管作為柵極接觸和/或源極接觸的構(gòu)件。相鄰FET間隔開，使得碳納米管變長時到達支持納米管合成的催化劑材料的CVD反應(yīng)物流不會變得受限。因為納米管合成不因顯著的流限制而受到妨礙，所以碳納米管可以以較高速度生長至較大長度，且FET的陣列可通過合適的批量生產(chǎn)技術(shù)形成。
參照圖1A和1B，層堆疊10形成在覆蓋以導(dǎo)電層14的多個平行行或條的基板12上，導(dǎo)電層14包括在所完成的器件結(jié)構(gòu)54(圖9A和9B)中參與源極/漏極連接的導(dǎo)電材料。基板12可由任何合適的基板材料構(gòu)成，包括但不限于硅(Si)、砷化鎵(GaAs)、玻璃、碳化硅(SiC)和二氧化硅(SiO2)。如果基板12由導(dǎo)電材料構(gòu)成，則它必需被覆蓋以絕緣材料(未示出)，使得分立器件結(jié)構(gòu)54在制成之后不短路到一起。層堆疊10包括通過絕緣層20與柵極導(dǎo)體18分隔開的圖案化的催化劑墊層16。柵極導(dǎo)體18包括導(dǎo)電材料的毯層，例如通過低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)工藝沉積的高度摻雜的多晶硅。絕緣層20由通過任何合適的常規(guī)沉積技術(shù)沉積的絕緣材料薄膜形成，例如SiO2、氮化硅(Si3N4)或氮氧化硅(SiOxNy)。形成基板12、導(dǎo)電層14和柵極導(dǎo)體18的材料不催化碳納米管的合成。
通過利用任何常規(guī)沉積技術(shù)沉積催化劑材料的毯層，然后采用標準光刻和減蝕刻工藝構(gòu)圖該毯層來形成催化劑墊16，所述常規(guī)沉積技術(shù)包括但不限于利用合適的前體例如金屬鹵化物和羰基金屬的化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝、濺鍍、以及物理氣相沉積。定位導(dǎo)電的催化劑墊16使得導(dǎo)電層14的條不彼此短路。催化劑墊16中的催化劑材料是當(dāng)在適于促進納米管生長的化學(xué)反應(yīng)條件下暴露于適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)物時能成核并支持半導(dǎo)體碳納米管的合成或生長的任何材料。用于催化劑墊16的合適催化劑材料包括但不限于鐵、鎳、鈷、這些金屬的化合物例如金屬氧化物和金屬硅化物、以及這些金屬的合金。在金屬氧化物的情況下，需要進行還原以獲得或激活催化劑材料。催化劑材料或與催化劑材料混合成合金的材料，例如過渡金屬、鉀、銣、或五氟化砷(AsF5)，在合適的條件下也能夠從催化劑墊16選擇性擴散到合成的半導(dǎo)體碳納米管42(圖7A和7B)中以增大被擴散的區(qū)域的電導(dǎo)率，如下面說明的。
這里提及的術(shù)語“垂直”、“水平”等以示例而不是以限制的方式給出，以確定參照系。這里所使用的術(shù)語“水平”定義為平行于常規(guī)平面或基板12的表面的平面，與取向無關(guān)。術(shù)語“垂直”指的是與剛才定義的水平垂直的方向。諸如“在...上”、“在...上方”、“在...下”、“側(cè)”(如“側(cè)壁”)、“更高”、“更低”、“在...之上”、“在...下面”和“在...下方”相對于水平平面定義。應(yīng)理解，可采用各種其它的參照系而不偏離本發(fā)明的思想和范圍。
參照處于后續(xù)制造階段的圖2A和2B，其中相似的附圖標記表示與圖1A和1B中相似的特征，絕緣層24沉積在柵極導(dǎo)體18上且通過標準光刻和蝕刻工藝被構(gòu)圖。絕緣層24由不催化碳納米管的合成的絕緣材料的薄膜形成，例如SiO2、Si3N4或SiOxNy。絕緣層24可通過任何合適的常規(guī)沉積技術(shù)來沉積。絕緣層20和24應(yīng)是薄的，以優(yōu)化器件性能。
參照處于后續(xù)制造階段的圖3A和3B，其中相似的附圖標記表示與圖2A和2B中相似的特征，層堆疊10(圖2A和2B)被構(gòu)圖從而形成與共同作用以定義器件結(jié)構(gòu)54(圖9A和9B)的矩形柵格的導(dǎo)電層14的條直交地行進的基本相同的平行列柵極電極25的陣列。為此，絕緣層24和柵極導(dǎo)體18的垂直對準部分通過還暴露催化劑墊16和導(dǎo)電層14的區(qū)域的標準光刻和蝕刻工藝被去除。絕緣層20將每個柵極電極25與導(dǎo)電層14電隔離。在存儲器應(yīng)用中，每個柵極電極25定義用于選擇相應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)54的列中的全部器件結(jié)構(gòu)54的字線26。盡管圖3A和3B中僅示出兩個柵極電極25，但是這僅僅是示例的方式，任何數(shù)目的柵極電極25可定義在柵極導(dǎo)體18中從而滿足特定電路設(shè)計。
導(dǎo)電層14的相鄰條通過絕緣層12的多個平行條之一彼此分隔開，當(dāng)絕緣層20和柵極導(dǎo)體18的部分被去除時，它們被暴露。導(dǎo)電層14的條定義位線27，用于選擇相應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)54的行中的全部器件結(jié)構(gòu)54。字線26和位線27與適當(dāng)?shù)碾娐?未示出)進行接口，從而讀取或?qū)ぶ肺挥谶x定字線26和選定位線27的交叉處的特定器件結(jié)構(gòu)54。因此，根據(jù)本發(fā)明的此實施例定義了存儲器件結(jié)構(gòu)54的陣列。
參照處于后續(xù)制造階段的圖4A和4B，其中相似的附圖標記表示與圖3A和3B中相似的特征，形成可以由SiO2或SiOxNy構(gòu)成的臨時間隔物28，其覆蓋催化劑墊16、絕緣層20和柵極電極25的垂直表面。臨時間隔物28的厚度或?qū)挾仍谖g刻之后確定最終暴露到用于合成碳納米管的反應(yīng)物的催化劑墊16的每個的催化劑位置或活性區(qū)域34。據(jù)信活性區(qū)域34的尺寸是確定合成在其上的半導(dǎo)體碳納米管42(圖7A和7B)的尺寸的一個因素。在本發(fā)明的某些實施例中，活性區(qū)域34的寬度為若干納米左右。
參照處于后續(xù)制造階段的圖5A和5B，其中相似的附圖標記表示與圖4A和4B中相似的特征，利用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的濕蝕刻或干蝕刻工藝通過去除催化劑墊16的未被臨時間隔物28掩蔽的部分來定義活性區(qū)域34?；钚詤^(qū)域通過利用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的濕蝕刻或干蝕刻工藝來去除臨時間隔物28而暴露。蝕刻工藝之后，所得結(jié)構(gòu)包括每個具有所需特征尺寸的活性區(qū)域34的陣列?；钚詤^(qū)域34的一列與每個柵極電極25對準。
在本發(fā)明的供選實施例中，催化劑墊16沉積為單層厚度且被退火從而產(chǎn)生納米晶。較小的納米晶可以導(dǎo)致較小直徑納米管42(圖7A和7B)的合成且可以有利于單壁碳納米管42的合成。
參照處于后續(xù)制造階段的圖6A和6B，其中相似的附圖標記表示與圖5A和5B中相似的特征，絕緣層38施加到每個柵極電極25的垂直表面。絕緣層38可由任何合適的絕緣或電介質(zhì)材料構(gòu)成，例如通過氧化工藝生長的或者通過CVD工藝沉積的SiO2。絕緣層38充當(dāng)完成的器件結(jié)構(gòu)54(圖10A和10B)中的柵極電介質(zhì)。字線26布置為平行列且位線27以平行的行布置，相鄰字線26通過提供到達活性區(qū)域34的反應(yīng)物流路徑的對應(yīng)的多個開口容積或空間39之一分隔開。在本發(fā)明的某些實施例中，開口空間39定義的區(qū)域?qū)ρ嘏c基板12正交或垂直的方向觀察的總區(qū)域的比值為約20％和約50％之間，優(yōu)選約33％。絕緣層38的形成會氧化形成活性區(qū)域34的催化劑材料或以其它方式使之不活潑。氧化的催化劑材料可利用混合氣體(forming gas)或氫在約300℃至約600℃的溫度下還原，其被選擇從而避免潛在地還原絕緣層38。
參照處于后續(xù)制造階段的圖7A和7B，其中相似的附圖標記表示與圖6A和6B中相似的特征，碳納米管42通過CVD工藝生長或合成在活性區(qū)域34上。碳納米管42的長度通常為約50nm至約500nm，其大致對應(yīng)于柵極電極25的垂直高度?？蛇x的間隔物(未示出)可應(yīng)用在催化劑墊16的活性區(qū)域34的垂直表面周圍從而消除從那些垂直表面的納米管合成，其會潛在地堵塞開口空間39和/或通過延伸在相鄰字線26或相鄰位線27之間而不期望地產(chǎn)生不需要的電連接。如果暴露在開口空間39中的導(dǎo)電層14由支持納米管合成的導(dǎo)電材料構(gòu)成，則必須應(yīng)用臨時掩模材料層(未示出)以在納米管合成期間覆蓋導(dǎo)電層14的暴露水平表面且在納米管合成之后被去除。
每個活性區(qū)域34支持一個或更多半導(dǎo)體碳納米管42的合成。在本發(fā)明的一個實施例中，納米管合成條件和反應(yīng)物和/或構(gòu)成催化劑墊16的催化劑材料的類型被選擇來在活性區(qū)域34上選擇性地生長半導(dǎo)體碳納米管42。供選地，通過例如施加足夠大的電流從而破壞具有導(dǎo)體分子結(jié)構(gòu)的納米管42，活性區(qū)域34上的半導(dǎo)體碳納米管42可以優(yōu)先選自所生長的包括導(dǎo)體和半導(dǎo)體分子結(jié)構(gòu)兩者的納米管42的集合。用于導(dǎo)體碳納米管的合成后破壞的示例性方法描述在共同受讓的美國專利No.6423583中，在此引用其全部內(nèi)容作為參考。
碳納米管42構(gòu)成精確布置的鍵合碳原子的六角環(huán)的中空圓筒管，具有特征在于半導(dǎo)體電子狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。圓筒管可具有從約0.5nm到若干納米范圍內(nèi)的直徑，該直徑受到活性區(qū)域34的尺寸的限制，如果多壁，可具有數(shù)納米的壁厚。沒有限制地，碳納米管42可以是類似同心圓筒的多壁納米管，或者替代地可以構(gòu)成單壁納米管。
碳納米管42從對應(yīng)的活性區(qū)域34向上延伸，具有垂直的或者考慮到生長方向上會發(fā)生從垂直狀態(tài)的較小的偏離(例如傾斜)而至少基本垂直的取向。變長的碳納米管42將緊密地在空間上遵循柵極電極25的相鄰垂直表面或與之一致。預(yù)期納米管42的垂直方向?qū)τ诘入x子體增強CVD特別明顯，等離子體增強CVD中納米管42可沿開口空間39中存在的電場的方向變長。盡管不希望被理論束縛，相信范得瓦爾斯力將作用來將變長的碳納米管42吸引到絕緣層38的垂直表面。
合成碳納米管42的CVD工藝或等離子體增強CVD工藝優(yōu)選依賴于在適于促進碳納米管在形成催化劑墊16的催化劑材料上的生長的生長條件下供應(yīng)的任何合適的氣體或蒸發(fā)的含碳反應(yīng)物，包括但不限于一氧化碳(CO)、乙烯(C2H4)、甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、二甲苯(C6H4(CH3)2)、C2H2和氨(NH3)的混合物、C2H2和氮(N2)的混合物、C2H2和氫(H2)的混合物、乙醇(C2H6O)和N2的混合物?；?2可加熱到足以促進和/或加速CVD生長的溫度。反應(yīng)物被輸送或供給到每個活性區(qū)域34，在那里反應(yīng)物與催化劑材料化學(xué)反應(yīng)從而成核碳納米管42且在成核后維持其生長。特別地，在由字線26之間開口空間39定義的容積中反應(yīng)物沒有明顯的流動限制地自由流動到活性區(qū)域34以參與半導(dǎo)體碳納米管42的合成。預(yù)期通過碳原子在每根碳納米管42與相應(yīng)的活性區(qū)域34之間的界面處的增加而產(chǎn)生合成。催化劑墊16的催化劑材料參與且促進碳納米管合成，而其自身不被化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變或消耗，所述化學(xué)反應(yīng)通過減小形成半導(dǎo)體碳納米管42的反應(yīng)的活性能而發(fā)生在其暴露表面。
在納米管合成期間或者完成納米管合成且不再存在反應(yīng)物之后通過高溫?zé)嵬嘶?，源自催化劑材料或來自與催化劑材料混合成合金的材料的原子會擴散到半導(dǎo)體碳納米管42的長度區(qū)域中。擴散物質(zhì)的存在將提高優(yōu)選約等于絕緣層20的厚度的長度的擴散區(qū)域中半導(dǎo)體碳納米管42的電導(dǎo)率。通常，在比納米管合成期間的溫度高的溫度進行擴散，其僅在碳納米管42合成之后受控地促進擴散。換言之，合成期間導(dǎo)電提高物質(zhì)不從催化材料的活性區(qū)域34傳輸?shù)教技{米管42中，否則對于與柵極電極25水平對準的納米管42的長度會損害納米管42的半導(dǎo)體屬性。
參照處于后續(xù)制造階段的圖8A和8B，其中相似的附圖標記表示與圖7A和7B中相似的特征，通過常規(guī)工藝保形沉積電介質(zhì)材料的填充層46從而填充相鄰字線26之間的開口空間以及相鄰半導(dǎo)體碳納米管42之間的任何如果存在的間隔。填充層46可以是例如通過CVD工藝沉積的SiO2或低介電常數(shù)的旋涂玻璃。填充層46穩(wěn)定化接觸或接近絕緣層38的碳納米管42的位置。填充層46通過CMP或任何其它合適的平坦化技術(shù)拋平且另一絕緣層48例如SiO2沉積在平坦化的填充層46上。拋光去除填充層46至足以使突出到絕緣層24的上表面的水平平面之上的長納米管42也變短的深度。
參照處于后續(xù)制造階段的圖9A和9B，其中相似的附圖標記表示與圖8A和8B中相似的特征，通過利用標準光刻和蝕刻工藝在絕緣層48中定義接觸開口，可選地用一個或更多阻擋/粘合增強層(未示出)對該接觸開口加襯，及毯式沉積金屬例如鎢以用金屬塞(plug)填充該接觸開口，且然后通過任何合適的平坦化技術(shù)例如CMP去除該導(dǎo)電材料的過量浮蓋物，由此形成與半導(dǎo)體碳納米管42電耦接的源極/漏極接觸50以及與柵極電極25電耦接的柵極接觸52。當(dāng)接觸開口被蝕刻時特定碳納米管42的自由端或前導(dǎo)尖端被暴露且在接觸開口被填充以對應(yīng)的金屬塞從而形成源極/漏極接觸50之后所述特定碳納米管42的自由端或前導(dǎo)尖端垂直突出到對應(yīng)的接觸50的主體中。
所得結(jié)構(gòu)是存儲電路，包括布置為場效應(yīng)晶體管的互連的行和列陣列的存儲器件結(jié)構(gòu)54，所述場效應(yīng)晶體管每個包括通過柵極電極25定義的柵極、源極/漏極接觸50、催化劑墊16和導(dǎo)電層14的條定義的第二源極/漏極接觸、絕緣層38定義的柵極電介質(zhì)、以及沿半導(dǎo)體碳納米管42的長度定義的半導(dǎo)體溝道區(qū)域。每個完成的器件結(jié)構(gòu)54被電耦合以用于與支承在基板12的相鄰區(qū)域上的其它器件結(jié)構(gòu)54一起在存儲電路中運行。
圖9A和9B中概略示出的多個電容器55和多個電容器56與不同字線26中的漏極接觸50電耦接以用于電荷存儲。此結(jié)構(gòu)更詳細地描述于例如S.Arai等人在IEEE IEDM 01-403(2001)中的文章中，在此引用其全部內(nèi)容作為參考。當(dāng)足夠的電壓從傳導(dǎo)線57、59之一施加到合適的字線26時，電流選擇性地從催化劑墊16經(jīng)碳納米管42流動以在電容器56中存儲電荷。存儲器件結(jié)構(gòu)54通過用來讀和寫存儲器件結(jié)構(gòu)54的二元狀態(tài)的導(dǎo)電層14的條(例如位線27)和柵極電極25(例如位線26)電耦合。
參照根據(jù)本發(fā)明一供選實施例的圖10A和10B，其中相似的附圖標記表示與圖1-9中相似的特征，存儲器件結(jié)構(gòu)58包括催化劑墊22的第二圖案化層，其設(shè)置在層堆疊10中一般在柵極導(dǎo)體18(圖1A和1B)上面且在絕緣層24(圖2A和2B)下面的位置。構(gòu)成催化劑墊22的催化劑材料是當(dāng)在適于促進納米管生長的化學(xué)反應(yīng)條件下暴露到合適的反應(yīng)物時能夠成核和支持碳納米管44的合成或生長的任何導(dǎo)電材料。用于催化劑墊22的合適的催化劑材料在上面關(guān)于催化劑墊16進行了描述。在催化劑墊22上通過CVD生長工藝生長或合成一個或更多碳納米管44，其中至少小部分多個碳納米管44具有特征在于導(dǎo)體電子態(tài)的結(jié)構(gòu)。表征CVD生長工藝的合成條件可被修改從而優(yōu)先地生長導(dǎo)體碳納米管44。碳納米管44的長度通常約10nm至約100nm。替代柵極接觸52的柵極接觸60與碳納米管44電耦接且因此與柵極電極25中的對應(yīng)的一個電耦接。
在本發(fā)明的一個實施例中，在與圖8A和8B對應(yīng)的制造階段之后，接觸開口通過標準光刻和蝕刻工藝定義在絕緣層24、填充層46和絕緣層48中從而暴露催化劑墊22。碳納米管44通過CVD生長工藝被合成且接觸開口被填充以金屬塞從而提供柵極接觸60。在接觸開口被填充以對應(yīng)的金屬塞之后，碳納米管44垂直地突出到對應(yīng)的柵極接觸60的主體中。
絕緣層24水平上被縮短使得層24的垂直邊緣從活性區(qū)域34上面的柵極電極25的垂直表面縮回。絕緣層24的減小的寬度還減小形成在催化劑墊16上的彎曲的碳納米管44(圖8A和8B)的自由端接觸絕緣層24的垂直表面的可能性且由此與柵極電極25的垂直表面間隔開。
參照圖11A和11B，其中相似的附圖標記表示與圖1-10中相似的特征，邏輯器件結(jié)構(gòu)74的導(dǎo)電層14在與圖1A和1B的制造階段相當(dāng)?shù)闹圃祀A段被蝕刻從而以層條紋化定義中斷，其最終被填充以部分填充層46。作為圖4A和4B中可見的導(dǎo)電層14的條紋化的結(jié)果且與之協(xié)作，相鄰的器件結(jié)構(gòu)74被電隔離，除非在完成的器件結(jié)構(gòu)中故意互連從而形成邏輯電路。半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)74從層堆疊10(圖2A和2B)構(gòu)造，層堆疊10通過利用標準光刻和蝕刻工藝構(gòu)圖柵極導(dǎo)體18以定義配置為間隔開的島的基本相同的柵極電極66的陣列而被修改。柵極電極66被布置為陣列的列和行，其中相鄰柵極電極66通過對應(yīng)的多個開口空間39之一被分隔開，開口空間39在半導(dǎo)體碳納米管42的生長期間向?qū)?yīng)的一個活性區(qū)域34提供反應(yīng)物流路徑。
與半導(dǎo)體碳納米管42的一端電耦接的源極/漏極接觸68、與導(dǎo)電墊76電耦接從而定義經(jīng)導(dǎo)電層14與半導(dǎo)體碳納米管42的相反端的源極連接的金屬柱80、以及與每個柵極電極66電耦接的柵極接觸70通過標準光刻和蝕刻工藝形成在絕緣層48中。導(dǎo)電層14的一段截條在每個柵極電極66下面從對應(yīng)的金屬柱80水平地延伸從而與相關(guān)的催化劑墊16電耦接。導(dǎo)電層14的截條、催化劑墊16和金屬柱80共同形成第二源極/漏極接觸。導(dǎo)電金屬化線82、84和86分別互連源極/漏極接觸68、柵極接觸70和金屬柱80，用于作為邏輯電路運行，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣。
參照根據(jù)本發(fā)明一供選實施例的圖12A和12B，其中相似的附圖標記表示與圖11A和11B中相似的特征，邏輯器件結(jié)構(gòu)88還包括催化劑墊76，其每個由能支持至少一個導(dǎo)體碳納米管90的生長的催化劑材料形成。導(dǎo)電的催化劑墊76通過形成催化劑墊16的工藝被引入到層堆疊10中。其中至少一小部分具有導(dǎo)體電子態(tài)的碳納米管90在與圖7A和7B的制造階段對應(yīng)的制造階段被合成，在圖7A和7B的制造階段半導(dǎo)體碳納米管42及，可選地，碳納米管44(圖10A和10B)被合成。通過標準光刻和蝕刻工藝在絕緣層48中形成的源極/漏極接觸92與導(dǎo)體碳納米管90電耦接。碳納米管90的自由端延伸到源極/漏極接觸92的主體中。源極/漏極接觸68、柵極接觸70和源極/漏極接觸92分別通過導(dǎo)電金屬化線82、84和86互連，以用于作為邏輯電路運行，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的。預(yù)期柵極接觸70也可部分通過導(dǎo)體碳納米管(未示出但是類似于圖10A和10B所描繪的碳納米管44)形成。
盡管通過各種實施例的描述說明了本發(fā)明，且同時相當(dāng)詳細地描述了這些實施例，但是這些應(yīng)用無意以這些細節(jié)約束或以任何方式限制所附權(quán)利要求的范圍。其它優(yōu)點和修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。因此，在其較寬的方面，本發(fā)明不局限于顯示和描述的特定細節(jié)、典型的裝置和方法、以及示例性例子。因此，可以從這些細節(jié)做出改變而不偏離申請人的基本發(fā)明概念的思想和范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，包括柵極電極，其包括垂直側(cè)壁和覆蓋該垂直側(cè)壁的柵極電介質(zhì)；至少一個半導(dǎo)體碳納米管，在與所述柵極電極的所述垂直側(cè)壁相鄰的位置處垂直延伸在相對的第一和第二端之間；第一接觸，與所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的所述第一端電耦接；以及第二接觸，與所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的所述第二端電耦接。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，還包括將所述導(dǎo)體碳納米管與所述柵極電極電耦接的催化劑墊，該催化劑墊參與所述導(dǎo)體碳納米管的合成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管是單壁半導(dǎo)體碳納米管。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，還包括多個半導(dǎo)體碳納米管，在與所述柵極電極的所述垂直側(cè)壁相鄰的位置處垂直延伸。
5.如任一前述權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，其中該第一接觸包括催化劑墊，其特征在于對生長所述至少一個半導(dǎo)體納米管有效的催化劑材料。
6.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的所述第一端包含在制造期間從所述催化劑墊擴散到所述第一端中的電導(dǎo)率增強物質(zhì)。
7.如任一前述權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，還包括設(shè)置在所述第一接觸與所述柵極電極之間用于將所述第一接觸與所述柵極電極電隔離的絕緣層。
8.如任一前述權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，還包括設(shè)置在所述第二接觸與所述柵極電極之間用于將所述第二接觸與所述柵極電極電隔離的絕緣層。
9.如任一前述權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，還包括第三接觸以及將所述柵極電極與所述第三接觸電耦接的至少一個導(dǎo)體碳納米管。
10.如任一前述權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，其中所述第二接觸包括與所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的所述第二端電耦接的垂直延伸的金屬柱。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，其中所述第二接觸包括在所述柵極電極下水平延伸用于將所述催化劑墊與所述金屬柱耦接的導(dǎo)電層。
12.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，其中所述第二接觸包括與所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的所述第二端電耦接的至少一個垂直延伸的導(dǎo)體碳納米管。
13.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，其中所述第二接觸包括在所述柵極電極下水平延伸用于將所述催化劑墊與所述至少一個垂直延伸的導(dǎo)體碳納米管耦接的導(dǎo)電層。
14.一種電路，包括以特征在于多個行和多個列的陣列布置的互連的多個權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。
15.如權(quán)利要求14所述的電路，其中所述多個半導(dǎo)體器件互連作為存儲電路。
16.如權(quán)利要求15所述的電路，還包括多條字線，每條將位于所述陣列的所述多個行的對應(yīng)的一個中的所述多個半導(dǎo)體器件的每個的所述柵極電極電互連；以及多條位線，每條將位于所述陣列的所述多個列的對應(yīng)的一個中的所述多個半導(dǎo)體器件的每個的所述第二接觸電互連。
17.如權(quán)利要求16所述的電路，其中所述多條字線的每條包括所述多個半導(dǎo)體器件的所述柵極電極。
18.如權(quán)利要求16或17所述的電路，其中所述多條位線的每條包括電耦接位于所述陣列的所述多個行的對應(yīng)的一個中的所述多個半導(dǎo)體器件的每個的所述第一接觸的導(dǎo)電條。
19.如權(quán)利要求14至18的任一項所述的電路，還包括基板，承載所述多個半導(dǎo)體器件且特征在于垂直于該基板觀察的表面區(qū)域，所述多個半導(dǎo)體器件通過開口空間分隔開，所述開口空間在所述表面區(qū)域的約20％至約50％的范圍內(nèi)。
20.如權(quán)利要求14所述的電路，其中所述多個半導(dǎo)體器件互連作為邏輯電路。
21.一種用于制造包括半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的陣列的電路的方法，包括形成堆疊結(jié)構(gòu)，其包括導(dǎo)電層、每個與該導(dǎo)電層電耦接的多個第一催化劑墊、柵極電極層、以及將所述柵極電極層與所述多個第一催化劑墊分隔開的絕緣層；劃分所述堆疊結(jié)構(gòu)從而在所述柵極電極層中定義多個柵極電極以定義所述陣列，所述陣列中相鄰柵極電極通過反應(yīng)物路徑分隔開且所述多個第一催化劑墊的每個在接近所述多個柵極電極的對應(yīng)的一個的垂直側(cè)壁的位置處至少部分暴露于所述反應(yīng)物路徑；以及通過所述反應(yīng)物路徑將反應(yīng)物引導(dǎo)到所述多個第一催化劑墊的每個以用于通過化學(xué)氣相沉積工藝在所述多個第一催化劑墊的每個上從所述反應(yīng)物合成至少一個半導(dǎo)體碳納米管。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，還包括在所述柵極電極上形成多個第二催化劑墊；以及在所述多個第二催化劑墊的每個上合成至少一個導(dǎo)體碳納米管。
23.如權(quán)利要求21或22所述的方法，還包括定義所述多個第一催化劑墊的每個的活性區(qū)域。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中定義所述活性區(qū)域還包括用掩模覆蓋所述多個第一催化劑墊的每個的第一部分；以及蝕刻所述多個第一催化劑墊的每個的相對于所述掩模選擇的第二部分，使得所述第一部分定義所述活性區(qū)域。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述掩模是臨時間隔物，在蝕刻后其從所述器件結(jié)構(gòu)被去除。
26.如權(quán)利要求21至25的任一項所述的方法，還包括形成多個第一接觸，其每個與合成在所述多個第一催化劑墊的對應(yīng)的一個上的所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的第一端電耦接。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中該陣列特征在于以多個行和多個列布置的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，且該方法還包括構(gòu)圖所述導(dǎo)電層從而定義多條位線，其每條電互連位于所述陣列的所述多個行的每個中的全部半導(dǎo)體器件的所述第一接觸。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中該陣列特征在于以多個行和多個列布置的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，且所述多個柵極電極的每個定義用于位于所述陣列的所述多個列的對應(yīng)的一個中的所述多個半導(dǎo)體器件的字線。
29.如權(quán)利要求26至28的任一項所述的方法，還包括形成多個第二接觸，其每個與合成在所述多個第一催化劑墊的對應(yīng)的一個上的所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的第二端電耦接。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，還包括將所述多個柵極電極、所述多個第一接觸、以及所述多個第二接觸電互連作為邏輯電路。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，還包括將所述多個柵極電極、所述多個第一接觸、以及所述多個第二接觸電互連作為存儲電路。
32.如權(quán)利要求21至31的任一項所述的方法，還包括從所述多個第一催化劑墊的每個擴散電導(dǎo)率增強物質(zhì)到其上所述至少一個半導(dǎo)體碳納米管的相鄰端中。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其中擴散所述電導(dǎo)率增強物質(zhì)發(fā)生在通過所述反應(yīng)物路徑將所述反應(yīng)物引導(dǎo)到所述多個第一催化劑墊的每個之后。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于形成碳納米管場效應(yīng)晶體管、碳納米管場效應(yīng)晶體管的陣列的方法，以及該方法形成的器件結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)的陣列。該方法包括形成堆疊結(jié)構(gòu)，該堆疊結(jié)構(gòu)包括柵極電極層和催化劑墊，該催化劑墊每個與源極/漏極接觸電耦接。該柵極電極層分為多個柵極電極且至少一個半導(dǎo)體碳納米管通過化學(xué)氣相沉積工藝合成在所述催化劑墊的每個上。所完成的器件結(jié)構(gòu)包括具有被覆蓋以柵極電介質(zhì)的側(cè)壁的柵極電極和與該柵極電極的所述側(cè)壁相鄰的至少一個半導(dǎo)體碳納米管。源極/漏極接觸與該半導(dǎo)體碳納米管的相對兩端電耦接從而完成該器件結(jié)構(gòu)?？梢耘渲枚鄠€器件結(jié)構(gòu)作為存儲電路或者作為邏輯電路。
文檔編號H01L51/30GK1943055SQ200580004671
公開日2007年4月4日 申請日期2005年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月12日
發(fā)明者古川俊治, 馬克·C·哈凱, 史蒂文·J·霍姆斯, 戴維·V·霍拉克, 查爾斯·W·科伯格三世, 彼得·米切爾, 拉里·A·內(nèi)斯比特 申請人:國際商業(yè)機器公司