專利名稱：：場(chǎng)效應(yīng)晶體管及半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明特別涉及半導(dǎo)電碳納米管、定位該碳納米管的方法、使用該碳納米管制造的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、以及半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
：自從1974年發(fā)明第一個(gè)半導(dǎo)體晶體管以來，硅微電子的集成度基本成指數(shù)增長(zhǎng)。但是，預(yù)期這種增長(zhǎng)在不久的將來不能持續(xù)下去。特別是，隨著集成尺度接近納米級(jí)，結(jié)構(gòu)將達(dá)到可靠地實(shí)現(xiàn)所需功能的物理極限。隨著集成尺度的增加，制造成本也成指數(shù)增加，因此限制了更高集成的實(shí)現(xiàn)。作為可以克服由硅技術(shù)原理所加的局限的技術(shù)，分子電子學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)引起了大量注意。根據(jù)分子電子學(xué)，通過自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)可以以相對(duì)低的成本制造單分子器件。在分子電子學(xué)領(lǐng)域中，例如富勒烯和碳納米管的分子結(jié)構(gòu)越來越吸引人們的注意。特別是，單壁碳納米管(SWNT)-其是具有納米級(jí)直徑的巻起來的石墨片-自其在二十世紀(jì)九十年代早期被發(fā)現(xiàn)以來，關(guān)于其電子學(xué)領(lǐng)域所需的性質(zhì)已經(jīng)被熱烈研究過。根據(jù)構(gòu)成該管的碳分子的螺旋晶格的角度和/或手性(chirality),SWNT可顯示出金屬性或半導(dǎo)性電行為。SWNT的電學(xué)性能被預(yù)期可勝過最好的金屬或半導(dǎo)體的電學(xué)性能。1998年，結(jié)合了單個(gè)SWNT的場(chǎng)發(fā)射晶體管(FET)在室溫下被實(shí)現(xiàn)(參考Trans,S丄etal.,Nature,1998,vol.393，p.49)。利用結(jié)合一個(gè)或兩個(gè)碳納米管的單極或互補(bǔ)FET，實(shí)現(xiàn)了"非，，門(hwerter),其是最簡(jiǎn)單的邏輯門。其它邏輯門，例如NOR("非或")、AND("與，，)，以及靜態(tài)RAM(SRAM),也可以使用互補(bǔ)或多互補(bǔ)模式制成。實(shí)現(xiàn)220Hz振蕩頻率的環(huán)形振蕩器可3用p或n型碳納米管FET的陣列制成(參見Bachtold,A.etal.，Science,2001,Vol.294，p.1317，以及Derycke，V.etal"NanoLetters,2002,vol.2,p.929)。上述的結(jié)合有包括SWNT的晶體管的基本邏輯電路主要通過兩種技術(shù)制成。一種是將SWNT分散在溶劑中，從而碳納米管可通過使用原子力顯微鏡(AFM)掃描而被定位于預(yù)先構(gòu)圖的相應(yīng)電極處(參見Trans，S丄等人和Bachtold,A.等人的以上文獻(xiàn))。在此技術(shù)(第一種技術(shù))中，通過激光燒蝕(laserabrasion)制成的具有約1nm直徑的SWNT通常懸浮在二氯乙烷中，此懸浮液4皮分布在晶片上從而可使用AFM將SWNT放置在柵電極上。隨后，通過光刻進(jìn)行Au的選擇性沉積，從而在這些納米管上形成接觸電極和引線。根據(jù)Martel，R.etal.,AppliedPhysicsLetters,1998,vol.73，p.2447中公開的此技術(shù)的示例，在背柵結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了20cmV(V's)的空穴遷移率。此外，通過結(jié)合碳納米管(CNT)作為柵電極而實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2,321S/m的PhysicsLetters,2002,vol.80,p.38)。另一種技術(shù)(第二種技術(shù))是通過化學(xué)氣相沉積(CVD)直接沉積SWNT到預(yù)先形成的電極圖案上。其示例可在Javey,A.etal"Nature,2003，vol.424,p.654和Tseng,Y.etal"NanoLetters,2004,vol.1，p.123中找到。通過此技術(shù)制造的晶體管表現(xiàn)出高達(dá)6,000S/m的互導(dǎo)和高達(dá)3,000cmV(V,s)的載流子遷移率，這對(duì)晶體管來說是重要的性質(zhì)。這些值比硅半導(dǎo)體的多一位^L特別地，通過此技術(shù)制備的晶體管通過結(jié)合長(zhǎng)300(am的半導(dǎo)體CNT實(shí)現(xiàn)了高達(dá)79,000cm2/(V.s)的載流子遷移率，如Durkop,T.etal.，NanoLetters,2004,vol.4,p.35中報(bào)導(dǎo)的那樣。
發(fā)明內(nèi)容使用AFM的第一種技術(shù)難以實(shí)用，因?yàn)樗婕按罅緾NT在器件上的手工定位。它在半導(dǎo)體器件-例如中央處理器(CPU)芯片的存儲(chǔ)器-上的應(yīng)用是困難的。采用CVD的第二種技術(shù)是一高溫工藝。因此，CNT在大量電極上的精確定位是困難的。第二種技術(shù)很少適合于集成電路應(yīng)用。事實(shí)上，利用CVD將SWNT安裝到部分硅金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)上的實(shí)際情況表現(xiàn)出低的對(duì)準(zhǔn)精度，即約2,000個(gè)CNT的僅1%用作背柵(參考Tseng，Y.etal.,NanoLetters,2004，vol.4,p.123)。本發(fā)明涉及一種碳納米管，其在制造具有包括碳納米管的FET的集成電路的過程中，可高度精確地定位于預(yù)定位置。本發(fā)明還涉及用于定位該碳納米管的方法、用該碳納米管制造的FET、制造該FET的方法、以及半導(dǎo)體器件。本發(fā)明的碳納米管的一實(shí)施例包括棵碳納米管和引入到棵碳納米管的至少一端的官能團(tuán)。通過這種結(jié)構(gòu)，至少一端可以選擇性接合或附著到特定材料上?？梢栽诳锰技{米管的兩端引入官能團(tuán)，從而兩端都可以選擇性接合或附著到特定材料上。引入到一端的官能團(tuán)可以不同于引入到另一端的官能團(tuán)。優(yōu)選地，官能團(tuán)與預(yù)定導(dǎo)電材料選擇性相互作用。以這種方式，所述端可選擇性接合或附著到多種材料上。另一實(shí)施例是用于定位碳納米管的方法。該方法包括形成包括半導(dǎo)電棵碳纟內(nèi)米管(semiconductingbarecarbonnanotube)的碳納米管薄膜>該半導(dǎo)電棵碳納米管在橫貫碳納米管的縱向的方向上密集排列在第一基板上；引入第一官能團(tuán)到構(gòu)成碳納米管薄膜的每個(gè)棵碳納米管的第一端；將第二基板粘附到碳納米管薄膜的背對(duì)第一基板的一側(cè)；除去第一基板并引入第二官能團(tuán)到每個(gè)棵碳納米管的第二端；將碳納米管薄膜放入溶劑中，使具有第一和第二官能團(tuán)的碳納米管分散，從而制備分散體；以及施加該分散體到含有與第一和第二官能團(tuán)選擇性相互作用的導(dǎo)電材料的電極上，該電極通過構(gòu)圖預(yù)先形成，從而橫跨所述電極定位各個(gè)碳納米管。根據(jù)此方法，碳納米管可容易地定位在目標(biāo)位置，不需要使用昂貴設(shè)備的復(fù)雜程序或不需要高溫過程。再一實(shí)施例是包括源和漏電極、以及柵的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中通過改變作用為源和漏電極之間的電流通^各的溝道的電導(dǎo)率來控制電流。至少溝道的材料是半導(dǎo)電碳納米管。因?yàn)樘技{米管用作溝道，所以可制造具有優(yōu)良性能的FET。再一實(shí)施例是用于制造具有源和漏電41、以及^^的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，其中通過改變作用為源和漏電極之間的電流通路的溝道的電導(dǎo)率來控制電流。該方法包括形成包括半導(dǎo)電棵碳納米管的碳納米管薄膜，該半導(dǎo)電棵碳納米管在橫貫碳納米管的縱向的方向上密集排列在第一基板上；引入第一官能團(tuán)到構(gòu)成碳納米管薄膜的每個(gè)棵碳納米管的第一端；將第二基板附著到碳納米管薄膜的背對(duì)第一基板的一側(cè)；除去第一基板并引入第二官能團(tuán)到每個(gè)棵碳納米管的第二端；將碳納米管薄膜放入溶劑中，使具有第一和第二官能團(tuán)的碳納米管分散從而制備分散體；以及施加該分散體到含有與第一和第二官能團(tuán)選擇性相互作用的導(dǎo)電材料的源和漏電極上，該源和漏電極通過構(gòu)圖預(yù)先形成，從而橫跨該源和漏電極定位各個(gè)碳納米管。根據(jù)此方法，碳納米管可容易且精確地定位在源和漏電極上，并且可以提高生產(chǎn)率。另一實(shí)施例是包括半導(dǎo)電碳納米管、第一區(qū)域、以及第二區(qū)域的半導(dǎo)體器件，碳納米管的一端固定于第一區(qū)域，碳納米管的另一端固定于第二區(qū)域。第一區(qū)域的材料不同于第二區(qū)域的材料。該半導(dǎo)體器件簡(jiǎn)化了具有優(yōu)良半導(dǎo)電性質(zhì)的碳納米管的定位。圖l是碳納米管一示例的示意圖；圖2是碳納米管另一示例的示意圖3示出用于定位碳納米管的示例方法和用于制造FET的示例方法中包括的步驟；圖4示出用于定位碳納米管的示例方法和用于制造FET的示例方法中包括的另一步驟；圖5示出用于定位碳納米管的示例方法和用于制造FET的示例方法中包括的再一步驟；圖6示出用于定位碳納米管的示例方法和用于制造FET的示例方法中包括的再一步驟；圖7示出用于定位碳納米管的示例方法和用于制造FET的示例方法中包括的再一步驟；圖8示出用于定位碳納米管的示例方法和用于制造FET的示例方法中包括的再一步驟；圖9示出用于制造FET的示例方法中包括的步驟；圖10示出用于制造FET的示例方法中包括的另一步驟；圖11示出用于制造FET的示例方法中包括的另一步驟；圖12示出用于制造FET的示例方法中包括的另一步驟；以及圖13示出用于制造FET的示例方法中包括的另一步驟。具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。這些實(shí)施例不限制本發(fā)明的范圍。碳納米管的示例結(jié)構(gòu)顯示在圖1的示意圖中。CNT1在棵碳納米管的一端具有官能團(tuán)。具體地，CNT1包括通過化學(xué)相互作用接合于棵CNT的第一端的官能團(tuán)3。官能團(tuán)3的示例包括-COOH、-00、以及-NH2。碳納米管的另一示例顯示在圖2中。在碳納米管30中，官能團(tuán)3接合于棵CNT的第一端，不同的官能團(tuán)6接合于棵CNT的另一端(第二端)。CNT1或30可以是單壁碳納米管(SWNT)或多壁碳納米管(MWNT)。CNT的直徑可以是約0.4nm到約lOOnm,CNT的長(zhǎng)度可以是約2nm到約lmm。官能團(tuán)3和6的示例包括含有周期表中第I、II、以及XIII到XVI族的元素的各種官能團(tuán)?，F(xiàn)在將參考圖3到13說明制造CNT的方法、定位CNT于預(yù)定位置的方法、以及使用CNT制造FET的方法的示例。每種方法包括以下六個(gè)主要步驟(1)在第一基板上形成含有棵碳納米管的碳納米管薄膜，所述棵碳納米管在橫貫棵碳納米管的縱向的方向上密集排列；(2)引入預(yù)定官能團(tuán)到每個(gè)棵碳納米管的第一端；(3)將第二基板附著到碳納米管薄膜的背對(duì)第一基板的一側(cè)，然后除去第一基板；(4)引入另一官能團(tuán)到每個(gè)碳納米管的第二端，從而制備官能化的碳納米管(flmctionalizedcarbonnanotube);(5)將碳納米管薄膜與第二基板分離，并分散官能化的碳納米管到溶劑中；以及(6)通過自對(duì)準(zhǔn)(self-alignment)在形成的兩個(gè)電極之間定位每個(gè)官能化的碳納米管，該兩個(gè)電極預(yù)先形成在第三基板上。步驟(l)中，棵碳納米管例如使用射頻(RF)等離子體等排列在第一基板上(例如參考FanS.etal"Science,1999,vol.283，p.512和MurakamiY.etal.,ChemicalPhysicsLetters,2004，vol.385,p.298)。本實(shí)施例中，第一基板(圖3中的基板2)可由玻璃、石英、硅或類似物組成。也可使用能抵御用于沉積碳納米管的高溫的任何其它材料。在形成SWNT過程中，第一基板優(yōu)選由在高溫下不與用于沉積的催化劑反應(yīng)的材料組成。如圖3所示，本實(shí)施例中，SWNT可使用RF等離子體密集地形成在由玻璃或類似物組成的基板2上，從而該SWNT在相對(duì)于基板2的表面基本垂直的方向上延伸。具體地，碳納米管薄膜(CNT薄膜)20'由在橫貫碳納米管的縱向的方向上具有基本等于或小于碳納米管直徑的間隔的棵碳納米管8'的陣列組成。通過使用RF等離子體，可形成棵SWNT的陣列，并且可以提高具有半導(dǎo)電行為的SWNT在所形成的所有SWNT中的百分比?？锰技{米管8'可以如圖3所示地基本垂直于基板的表面排列；或可以以特定的角度排列，同時(shí)維持碳納米管之間的間隔基本相同。即使在CNT8'以特定角度傾斜時(shí)，官能團(tuán)仍可以被引入到CNT8'的端部。下面，在步驟(2)中，例如-COOH、-OO、-服2或類似物的官能團(tuán)3被引入到每個(gè)CNT8'的第一端，即未附著到基板2上的一端。用于引入官能團(tuán)到每個(gè)棵CNT的第一端的方法的示例包括使用溶劑和等離子體的化學(xué)方法和電化學(xué)方法。為了引入-COOH基團(tuán)或類似物作為官能團(tuán)3,例如，碳納米管薄膜20'可浸在酸性溶液中，然后通過施加正電壓來氧化。這里該溶液含有化學(xué)物質(zhì)，例如酸、；咸或者氧化物。例如，該酸性物質(zhì)可以是硝酸、硫酸或者這些物質(zhì)的組合。該堿性物質(zhì)可以是NaOH、KOH或者這些物質(zhì)的組合。該氧化物可以是H202、溴化物或這些物質(zhì)的組合。為了引入例如-C-O的官能團(tuán)，可采用氧化氣氛中的等離子體處理。為了引入例如-NH2的官能團(tuán)，可采用NH3氣氛中的RF等離子體處理。在步驟(3)中，由玻璃、石英、硅或類似物組成的平坦的第二基板4附著到碳納米管薄膜20"的另一側(cè)。為了有效地附著第二基板4到碳納米管薄膜20"上，能粘附到碳納米管的官能化的端部上的粘合劑層5預(yù)先形成在第二基板4的表面上。粘合劑層5可由例如粘合聚合物膜的材料組成，其具有8粘著性并且可在后面的工藝中容易地除去。作為替換地，粘合劑層5可以由能通過靜電相互作用物理地附著到碳納米管的官能化的端部的材料組成。為了防止被引入到碳納米管的端部的官能團(tuán)3被改變，優(yōu)選避免官能團(tuán)3和粘合劑層5之間的化學(xué)相互作用。為了實(shí)現(xiàn)官能團(tuán)3與特定電極材料的選擇性接合，并且為了在后面的步驟-步驟(6)-中進(jìn)行的碳納米管的自對(duì)準(zhǔn)，需要官能團(tuán)3保持其性質(zhì)。使用化學(xué)反應(yīng)是可能的，例如酸石威反應(yīng)，只要該反應(yīng)不改變官能團(tuán)3的和特定材料反應(yīng)的性質(zhì)。接著，如圖6所示，碳納米管薄膜20與第一基板2分離。步驟(4)中，如圖7所示，官能團(tuán)6被引入到碳納米管薄膜20的碳納米管的第二端。官能團(tuán)6可通過圖4中描述的相同的工藝引入。官能團(tuán)6優(yōu)選不同于參考圖4描述的官能團(tuán)3。這是需要的，以允許官能團(tuán)6和電極材料選擇性反應(yīng)，該電極材料不同于和官能團(tuán)3選擇性反應(yīng)的電極材料，從而碳納米管可以自對(duì)準(zhǔn)。步驟(5)中，如圖8所示，碳納米管薄膜20與第二基板4分離，并被置于溶劑7中，從而分散官能化的CNT8。溶劑7的示例包括二氯乙烷(DCE)、二甲基曱酰胺(DMF)、以及四氫呋喃(THF)。溶劑7優(yōu)選含有盡可能少的污染物。污染物可通過超聲波處理來防止。例如，通過恰當(dāng)選擇超聲波處理的功率和持續(xù)時(shí)間，能充分防止粘合劑層5進(jìn)入溶劑7。現(xiàn)在參考圖9，用于形成晶體管的源和漏電極的電極10和12通過例如光刻的通常的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝形成在用于形成包括FET的半導(dǎo)體器件的基板9上?；?由硅組成。圖中，示意性示出了基板中的柵結(jié)構(gòu)11，例如源/漏區(qū)域。預(yù)定的互連也形成了，但沒有在圖中繪出。步驟(6)中，如圖10所示，含有分散的碳納米管8的溶劑7通過浸漬、旋涂或類似工藝被施加在電極10和12上。電極10由與碳納米管8的端部處的官能團(tuán)3和官能團(tuán)6中的一個(gè)選擇性相互作用的材料構(gòu)成，電極12由與官能團(tuán)3和官能團(tuán)6中的另外一個(gè)選擇性相互作用的材料構(gòu)成。電極材料和官能團(tuán)的可能組合提供在表1中。注意，每種組合的電極材料和官能團(tuán)之間的相互作用通過由原子間力導(dǎo)致的物5里纟吉合(physicalbonding)、電子遷-多結(jié)合(electronictransitionbonding)、4匕學(xué)結(jié)合(chemicalbonding)等實(shí)現(xiàn)。9表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>以此方式，如圖IO所示，CNT8端部處的官能團(tuán)3和6選擇性地與電極10和12接合，并且CNT8被自對(duì)準(zhǔn)。該工藝不涉及復(fù)雜的程序例如使用AFM、或高溫工藝?yán)绨殡SCVD的高溫工藝，但是可以高精度地定位碳納米管到預(yù)定電極上。電極可以包括周期表中III到XIII族的元素。包括H、C、N、0P、S等的化學(xué)物質(zhì)可以覆蓋或被引入到電極的導(dǎo)電材料，從而碳納米管端部處的官能團(tuán)和電極之間的連接可以被增強(qiáng)?？蛇x擇地，該化學(xué)物質(zhì)可以添加到用于分散^^灰納米管8的溶劑7中，從而實(shí)現(xiàn)相同的效果。例如，氨基乙硫醇(NH2CH2CH2SH)的基團(tuán)-SH可接合到Au電極材料，NH2可以與引入在碳納米管8的端部處的-COOH反應(yīng)，從而電極可以更牢固地與碳納米管連接。根據(jù)上述內(nèi)容顯而易見地，可在碳納米管和電極之間產(chǎn)生相互作用的可結(jié)合而擴(kuò)大。相互作用的速度和選擇性可以進(jìn)一步提高。在電極10和12上自對(duì)準(zhǔn)的CNT8可以在200。C到2000。C的范圍內(nèi)的一溫度下退火，從而基本除去不同于碳的材料。于是，如圖11所示，在端部處不具有官能團(tuán)的碳納米管13可被設(shè)置在電極10和12上，從而碳納米管13與電極10和12之間的接觸電阻可減小。在此退火過程中，在約200。C官能團(tuán)開始與碳納米管8分離，在約400。C到約500。C幾乎全部官能團(tuán)完全與碳納米管8分離。最高退火溫度優(yōu)選為2000。C或更低，從而防止對(duì)碳納米管和基板的損傷，并且避免高溫處理。更優(yōu)選地，該最高退火溫度是80(TC或更低。與CNT的通過CVD的沉積相比，在IO(TC到50(TC的退火是低溫過程。該退火過程優(yōu)選通過在維持預(yù)定真空度的同時(shí)引入He或Ar氣來實(shí)施。隨后，如圖12所示，由電介質(zhì)材料構(gòu)成的覆蓋層15設(shè)置在碳納米管13與電極10和12上。覆蓋層15可以由具有2.0或更大的介電常數(shù)的材料構(gòu)成，從而泄漏電流的產(chǎn)生可以被可靠地防止，并且柵的作用不被影響。覆蓋層15的厚度優(yōu)選為lnm到1000nm。如圖13所示，形成柵電極16，從而得到FET，其通過具有由碳納米管13構(gòu)成的溝道結(jié)構(gòu)而具有所需性能。如此制備的FET與由硅材料構(gòu)成的已知晶體管相比，在互導(dǎo)和載流子遷移率方面表現(xiàn)出出眾的性能，因?yàn)樵揊ET包括由具有半導(dǎo)電性質(zhì)的碳納米管13構(gòu)成的溝道。根據(jù)上述碳納米管和用于定位該碳納米管的方法，具有優(yōu)良半導(dǎo)電性能的碳納米管可通過自對(duì)準(zhǔn)精確地定位在預(yù)定位置，不需要復(fù)雜的工序或高溫過程。通過用碳納米管制造FET,具有優(yōu)良性能的FET的產(chǎn)率能得到提高。昂貴的設(shè)備或高溫過程，所述半導(dǎo)體器件每種都包括碳納米管、碳納米管的一端固定在其上的第一區(qū)域、以及碳納米管的另一端固定在其上的第二區(qū)域，該第一和第二區(qū)域由不同材料構(gòu)成。這樣的半導(dǎo)體器件的示例包括各種顯示器的開關(guān)元件、下一代邏輯器件、以及光電子存儲(chǔ)器件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白的是，本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例中說明的材料和結(jié)構(gòu)。在所附權(quán)利要求或其等價(jià)物的范圍中，根據(jù)設(shè)計(jì)需要和其它因素，可發(fā)生各種修改、組合、以及變化。例如，MWNT可被用作CNT,或該定位方法可應(yīng)用于各種其它半導(dǎo)體器件的制造。權(quán)利要求1.一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括源電極和漏電極；以及柵，其中通過改變用作該源電極和漏電極之間的電流通路的溝道的電導(dǎo)率來控制電流，其中至少該溝道的材料是半導(dǎo)電碳納米管。2.—種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)電碳納米管；第一區(qū)域，該碳納米管的一端固定于其上；以及第二區(qū)域，該碳納米管的另一端固定于其上，其中該第一區(qū)域的材料不同于該第二區(qū)域的材料。全文摘要本發(fā)明涉及場(chǎng)效應(yīng)晶體管及半導(dǎo)體器件。該場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括源電極和漏電極以及柵。通過改變用作該源電極和漏電極之間的電流通路的溝道的電導(dǎo)率來控制電流，并且至少該溝道的材料是半導(dǎo)電碳納米管。文檔編號(hào)H01L29/772GK101494240SQ20091011856公開日2009年7月29日申請(qǐng)日期2005年8月2日優(yōu)先權(quán)日2004年8月2日發(fā)明者黃厚金申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社