本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)晶體管MOSFET將器件制作在單晶硅襯底材料上。在不斷追逐摩爾定律(Moore’s Law)的推動(dòng)作用下，傳統(tǒng)晶體管MOSFET的溝道長(zhǎng)度不斷縮減，器件尺寸縮小。這種收縮增加了晶體管密度，提高了芯片的集成度，以及其他的固定因素和開(kāi)關(guān)速度等，同時(shí)降低了功耗，使芯片性能不斷提升。在未來(lái)，隨著技術(shù)要求不斷提高，而硅芯片已經(jīng)不能被制造得更小，于是必須尋找新的芯片制造材料，碳納米晶體管是很好的選擇。通過(guò)采用單個(gè)碳納米管或者碳納米管陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)體MOSFET結(jié)構(gòu)的溝道材料，可以在一定程度上克服限制并且進(jìn)一步縮小器件尺度。

在理想的全包圍柵極結(jié)構(gòu)中，具有自對(duì)準(zhǔn)柵極的碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管(CarbonNano Tube Field Effect Transistor,CNTFET)尺寸已經(jīng)降到了20nm。包圍碳納米管溝道的柵極的均勻性得到了鞏固，并且這樣的工藝也沒(méi)有造成對(duì)碳納米管的損害。

碳納米管芯片可以大大提高高性能計(jì)算機(jī)的能力，使大數(shù)據(jù)分析速度更快，增加移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的功率和電池壽命，并允許云數(shù)據(jù)中心提供更有效和更經(jīng)濟(jì)的服務(wù)。

然而，隨著器件尺寸的持續(xù)變小，隨之增加的接觸電阻成為了碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管提高性能的最大阻礙。對(duì)于任何先進(jìn)的晶體管技術(shù)，由于晶體管的 尺寸減小而增加的接觸電阻成為一個(gè)主要的性能瓶頸。到現(xiàn)在為止，器件尺寸的減少，導(dǎo)致接觸電阻不斷增大，從而導(dǎo)致器件性能存在與接觸電阻對(duì)應(yīng)的下降，此點(diǎn)是基于硅和碳納米管晶體管技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法，能夠克服上述問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法，包括步驟：

提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上形成有第一單大馬士革結(jié)構(gòu)，所述第一單大馬士革結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)層和導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層形成在所述介質(zhì)層內(nèi)，所述介質(zhì)層暴露出所述導(dǎo)電層；

在所述導(dǎo)電層表面形成納米顆粒；

在所述導(dǎo)電層上形成多個(gè)間隔排列的碳納米管；

在所述介質(zhì)層、導(dǎo)電層及碳納米管表面形成柵介質(zhì)層；

在所述柵介質(zhì)層表面形成金屬柵極，所述碳納米管的部分頂部伸出所述金屬柵極的表面；

在所述金屬柵極表面形成第二單大馬士革結(jié)構(gòu)，所述碳納米管的頂部與所述第二單大馬士革結(jié)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)電層相連。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述第一單大馬士革結(jié)構(gòu)的形成步驟包括：

在所述半導(dǎo)體襯底上依次形成氮化硅層和介質(zhì)層；

刻蝕所述介質(zhì)層，形成凹槽，刻蝕停止于所述氮化硅層；

在所述凹槽內(nèi)填充所述導(dǎo)電層。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，在所述凹槽內(nèi)形成所述導(dǎo)電層之前，在所述凹槽內(nèi)先形成一層隔離層，所述導(dǎo) 電層形成在所述隔離層表面。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述隔離層為TaN或Ta。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述第二單大馬士革結(jié)構(gòu)的形成步驟包括：

在所述金屬柵極表面依次形成氮化硅層和介質(zhì)層，所述氮化硅層的表面與伸出的碳納米管的頂部齊平；

刻蝕所述介質(zhì)層，形成凹槽，刻蝕停止于所述氮化硅層，所述凹槽暴露出所述碳納米管的頂部；

在所述凹槽內(nèi)填充導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層與所述碳納米管的頂部相連。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，在所述凹槽內(nèi)形成所述導(dǎo)電層之前，在所述凹槽內(nèi)先形成一層隔離層，所述隔離層在真空條件下形成，所述導(dǎo)電層形成在所述隔離層表面。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述隔離層為TaN、Mo或Ta。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述介質(zhì)層為二氧化硅。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，在所述導(dǎo)電層上形成納米顆粒和碳納米管的步驟包括：

在所述介質(zhì)層表面形成掩模層，暴露出所述導(dǎo)電層；

以所述掩模層為掩膜，在所述導(dǎo)電層表面形成納米顆粒；

在形成所述納米顆粒之后，在所述導(dǎo)電層表面形成碳納米管；

采用負(fù)膠技術(shù)，去除所述掩模層。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述掩模層的材質(zhì)為BARC或不定形碳。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中， 所述納米顆粒材質(zhì)為Co或Mo。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述柵介質(zhì)層材質(zhì)為HfO₂或Al₂O₃。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述金屬柵極的形成步驟包括：

在所述柵介質(zhì)層表面形成金屬柵極，所述金屬柵極覆蓋所述碳納米管的頂部；

采用化學(xué)機(jī)械研磨工藝對(duì)所述金屬柵極進(jìn)行研磨，暴露出所述碳納米管的頂部；

采用回刻蝕工藝對(duì)所述金屬柵極進(jìn)行回刻蝕處理，使所述碳納米管的部分頂部伸出所述金屬柵極的表面。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，在形成第二單大馬士革結(jié)構(gòu)之后，在H₂或N₂環(huán)境下進(jìn)行高溫退火處理，使所述碳納米管兩端的導(dǎo)電層具有弧形突出部。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述高溫退火的溫度范圍是600攝氏度至1200攝氏度。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述高溫退火的時(shí)間范圍是10秒～120分鐘。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述碳納米管內(nèi)的真空度范圍是0.01Torr～50Torr。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述碳納米管的長(zhǎng)度范圍是2nm～100nm，所述碳納米管橫截面的尺寸范圍是1nm～5nm。

進(jìn)一步的，在所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法中，所述導(dǎo)電層的材質(zhì)包括Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Fe,Co,Pd,Cu,Al,Ga,In,Ti,TiN,TaN,金剛石或以上材質(zhì)的結(jié)合。

在本發(fā)明中，還提出了一種垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管，采用如上文所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法制備而成，包括：半導(dǎo)體襯底、第一單大馬士革結(jié)構(gòu)、碳納米管、柵介質(zhì)層、金屬柵極及第二單大馬士革結(jié)構(gòu)，其中，所述第一單大馬士革結(jié)構(gòu)形成在所述半導(dǎo)體襯底上，所述第一單大馬士革結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電層表面形成有納米顆粒，所述碳納米管的兩端分別連接所述第一單大馬士革結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電層和第二單大馬士革結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電層，所述柵介質(zhì)層形成在所述碳納米管及介質(zhì)層的表面，所述金屬柵極形成在所述柵介質(zhì)層的表面，并位于所述第一單大馬士革結(jié)構(gòu)和第二單大馬士革結(jié)構(gòu)之間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在：在導(dǎo)電層表面形成納米顆粒作為觸媒，接著形成碳納米管，柵介質(zhì)層與源漏極接觸，將碳納米管密封在真空環(huán)境，從而在后續(xù)形成碳納米場(chǎng)效應(yīng)晶體管之后能夠降低器件工作電壓，提高器件使用壽命及其它性能。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例中垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法的流程圖；

圖2至圖14為本發(fā)明一實(shí)施例中垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造過(guò)程的剖面示意圖；

圖15為本發(fā)明一實(shí)施例中沿著溝道方向的剖面示意圖；

圖16為本發(fā)明一實(shí)施例中沿垂直于溝道方向的剖面示意圖；

圖17為本發(fā)明一實(shí)施例中垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的能帶示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合示意圖對(duì)本發(fā)明的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制 造方法進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中表示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)該理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以修改在此描述的本發(fā)明，而仍然實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的有利效果。因此，下列描述應(yīng)當(dāng)被理解為對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員的廣泛知道，而并不作為對(duì)本發(fā)明的限制。

為了清楚，不描述實(shí)際實(shí)施例的全部特征。在下列描述中，不詳細(xì)描述公知的功能和結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈儠?huì)使本發(fā)明由于不必要的細(xì)節(jié)而混亂。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為在任何實(shí)際實(shí)施例的開(kāi)發(fā)中，必須做出大量實(shí)施細(xì)節(jié)以實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)者的特定目標(biāo)，例如按照有關(guān)系統(tǒng)或有關(guān)商業(yè)的限制，由一個(gè)實(shí)施例改變?yōu)榱硪粋€(gè)實(shí)施例。另外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為這種開(kāi)發(fā)工作可能是復(fù)雜和耗費(fèi)時(shí)間的，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)僅僅是常規(guī)工作。

在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發(fā)明。根據(jù)下面說(shuō)明和權(quán)利要求書(shū)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說(shuō)明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

請(qǐng)參考圖1，在本實(shí)施例中，提出了一種垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法，包括步驟：

S100：提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上形成有第一單大馬士革結(jié)構(gòu)，所述第一單大馬士革結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)層和導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層形成在所述介質(zhì)層內(nèi)，所述介質(zhì)層暴露出所述導(dǎo)電層；

S200：在所述導(dǎo)電層表面形成納米顆粒；

S300：在所述導(dǎo)電層上形成多個(gè)間隔排列的碳納米管；

S400：在所述介質(zhì)層、導(dǎo)電層及碳納米管表面形成柵介質(zhì)層；

S500：在所述柵介質(zhì)層表面形成金屬柵極，所述碳納米管的部分頂部伸出所述金屬柵極的表面；

S600：在所述金屬柵極表面形成第二單大馬士革結(jié)構(gòu)，所述碳納米管的頂部與所述第二單大馬士革結(jié)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)電層相連。

具體的，請(qǐng)參考圖2至圖3，所述第一單大馬士革結(jié)構(gòu)的形成步驟包括：

在所述半導(dǎo)體襯底10上依次形成氮化硅層20和介質(zhì)層30；

刻蝕所述介質(zhì)層30，形成凹槽，刻蝕停止于所述氮化硅層20；

在所述凹槽內(nèi)填充所述導(dǎo)電層41。

在所述凹槽內(nèi)形成所述導(dǎo)電層41之前，在所述凹槽內(nèi)先形成一層隔離層40，所述導(dǎo)電層41形成在所述隔離層40表面，其中，所述導(dǎo)電層41的材質(zhì)可以為銅，介質(zhì)層30的材質(zhì)可以為二氧化硅，為了防止銅擴(kuò)散至介質(zhì)層30內(nèi)，通常需要在兩者之間形成導(dǎo)電的隔離層40，其中隔離層40可以為Ta、TaN或兩者結(jié)合。

請(qǐng)參考圖4至圖7，在所述導(dǎo)電層41上形成納米顆粒42和碳納米管60的步驟包括：

在所述介質(zhì)層30表面形成掩模層50，暴露出所述導(dǎo)電層41；

以所述掩模層50為掩膜，在所述導(dǎo)電層41表面形成納米顆粒42；

在形成所述納米顆粒42之后，在所述導(dǎo)電層41表面形成碳納米管60；

采用負(fù)膠技術(shù)(lift-off)，去除所述掩模層60。

其中，所述掩模層60的材質(zhì)為BARC或不定形碳等材質(zhì)，所述納米顆粒42材質(zhì)為Co或Mo，形成的納米顆粒42能夠作為觸媒，降低接觸電阻。所述碳納米管60的長(zhǎng)度范圍是2nm～100nm，所述碳納米管60橫截面的尺寸范圍是1nm～5nm。

請(qǐng)參考圖8，在所述介質(zhì)層30、導(dǎo)電層41及碳納米管60表面形成柵介質(zhì)層70，所述柵介質(zhì)層70材質(zhì)為HfO₂或Al₂O₃。

請(qǐng)參考圖9至圖11，所述金屬柵極80的形成步驟包括：

在所述柵介質(zhì)層70表面形成金屬柵極80，所述金屬柵極80覆蓋所述碳納米管60的頂部，如圖9所示；

采用化學(xué)機(jī)械研磨工藝對(duì)所述金屬柵極80進(jìn)行研磨，暴露出所述碳納米管60的頂部，如圖10所示；

采用回刻蝕工藝對(duì)所述金屬柵極80進(jìn)行回刻蝕處理，使所述碳納米管60的部分頂部伸出所述金屬柵極80的表面，如圖11所示。

接著，請(qǐng)參考圖12至圖14，所述第二單大馬士革結(jié)構(gòu)的形成步驟包括：

在所述金屬柵,80表面依次形成氮化硅層20和介質(zhì)層30，所述氮化硅層20的表面與伸出的碳納米管60的頂部齊平；

刻蝕所述介質(zhì)層30，形成凹槽，刻蝕停止于所述氮化硅層20，所述凹槽暴露出所述碳納米管60的頂部，可以對(duì)所述碳納米管60的頂部進(jìn)行清洗；

在所述凹槽內(nèi)填充導(dǎo)電層41，所述導(dǎo)電層41與所述碳納米管60的頂部相連。

同樣的，由于導(dǎo)電層41的材質(zhì)為銅，介質(zhì)層30的材質(zhì)為二氧化硅，為了防止銅的擴(kuò)散，需要在導(dǎo)電層41與介質(zhì)層30之間形成隔離層40，其中，隔離層40的材質(zhì)可以為TaN或Ta，摻雜有Co或Mo，在第二單大馬士革結(jié)構(gòu)的隔離層40中包含摻雜有Co或Mo也能夠降低接觸電阻。其中，所述隔離層40在真空條件下形成，使所述碳納米管60內(nèi)的真空度范圍是0.01Torr～50Torr。

所述導(dǎo)電層41的材質(zhì)包括Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Fe,Co,Pd,Cu,Al,Ga,In,Ti,TiN,TaN,金剛石或以上材質(zhì)的結(jié)合。其中，第一單大馬士革結(jié)構(gòu)和第二單大馬士革結(jié)構(gòu)可以作為器件的源漏極。

在形成第二單大馬士革結(jié)構(gòu)之后，在H₂或N₂環(huán)境下進(jìn)行高溫退火處理，使所述碳納米管60兩端的導(dǎo)電層41或者隔離層41具有弧形突出部，所述高溫退火的溫度范圍是600攝氏度至1200攝氏度，高溫退火的時(shí)間范圍是10秒～120分鐘，請(qǐng)參考圖15，在高溫退火之后，導(dǎo)電層41或者隔離層41在碳納米管60兩端能夠形成弧形突出部，從而能夠提高溝道的開(kāi)啟速度。其中，碳納米管60內(nèi)部的橫截面結(jié)構(gòu)可以參考圖16。

在本實(shí)施例的另一方面，還提出了一種垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管，采用如上文所述的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法制備而成，包括：半導(dǎo)體襯底、第一單大馬士革結(jié)構(gòu)、碳納米管、柵介質(zhì)層、金屬柵 極及第二單大馬士革結(jié)構(gòu)，其中，所述第一單大馬士革結(jié)構(gòu)形成在所述半導(dǎo)體襯底上，所述第一單大馬士革結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電層表面形成有納米顆粒，所述碳納米管的兩端分別連接所述第一單大馬士革結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電層和第二單大馬士革結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電層，所述柵介質(zhì)層形成在所述碳納米管及介質(zhì)層的表面，所述金屬柵極形成在所述柵介質(zhì)層的表面，并位于所述第一單大馬士革結(jié)構(gòu)和第二單大馬士革結(jié)構(gòu)之間。

此外，形成的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作時(shí)的能帶示意圖可以參考圖17，可見(jiàn)，形成的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管在開(kāi)啟時(shí)電子或空缺從源極遷移到漏極的能帶遷移距離較短，使整個(gè)器件的性能更佳。

綜上，在本發(fā)明實(shí)施例提供的垂直真空密封碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法中，在導(dǎo)電層表面形成納米顆粒作為觸媒，接著形成碳納米管，柵介質(zhì)層與源漏極接觸，將碳納米管密封在真空環(huán)境，從而在后續(xù)形成碳納米場(chǎng)效應(yīng)晶體管之后能夠降低器件工作電壓，提高器件使用壽命及其它性能。

上述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不對(duì)本發(fā)明起到任何限制作用。任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明揭露的技術(shù)方案和技術(shù)內(nèi)容做任何形式的等同替換或修改等變動(dòng)，均屬未脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的內(nèi)容，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。