雙極型垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]憑借低靜態(tài)功耗、高抗噪聲性和穩(wěn)健性，互補(bǔ)晶體管技術(shù)成為用于硅基集成電路(IC)的主流技術(shù)。近幾十年來(lái)已經(jīng)對(duì)有機(jī)電子學(xué)進(jìn)行了很多研宄，并且可以開(kāi)始考慮將有機(jī)電子學(xué)發(fā)展到基于有機(jī)組分的用于簡(jiǎn)單應(yīng)用的IC的集成方面。
【附圖說(shuō)明】
[0002]參照下面的附圖可以更好地理解本公開(kāi)內(nèi)容的許多方面。附圖中的部件不一定是按比例的，而重點(diǎn)在于清楚地示出本公開(kāi)內(nèi)容的原理。此外，在附圖中，貫穿若干圖，相同的附圖標(biāo)記指代對(duì)應(yīng)的部分。
[0003]圖1為根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的各種實(shí)施方案的逆變電路的示意圖。
[0004]圖2A和圖2B為根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的各種實(shí)施方案的雙極型橫向溝道有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)的實(shí)施例的圖示。
[0005]圖3為根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的各種實(shí)施方案的橫向溝道有機(jī)半導(dǎo)體共混晶體管的實(shí)施例的圖示。
[0006]圖4和圖5A至圖5C為根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的各種實(shí)施方案的雙極型碳納米管垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管(CN-VFET)的實(shí)例的圖示。
[0007]圖6為表示根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的各種實(shí)施方案的雙極型CN-VFET的電路的示意圖。
[0008]圖7和圖8為根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的各種實(shí)施方案的雙極型CN-VFET的輸出曲線的曲線圖。
[0009]圖9A和圖9B為根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的各種實(shí)施方案的雙極型CN-VFET運(yùn)行的示意圖。
[0010]圖10、圖1lA和圖1lB為包括根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的各種實(shí)施方案的雙極型CN-VFET的數(shù)字化逆變器的實(shí)例的圖示。
[0011]圖12A至圖12B為包括根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的各種實(shí)施方案的雙極型CN-VFET的數(shù)字化逆變器的輸出曲線的曲線圖。
[0012]圖12C至圖12D為包括根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的各種實(shí)施方案的雙極型CN-VFET的數(shù)字化逆變器的靜態(tài)泄漏電流特性的曲線圖。
[0013]圖13A至圖13B為包括根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的各種實(shí)施方案的雙極型CN-VFET的數(shù)字化逆變器的增益特性的曲線圖。
[0014]圖14為示出制造根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的各種實(shí)施方案的雙極型CN-VFET的實(shí)例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本文的公開(kāi)內(nèi)容涉及雙極型垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管(VFET)(例如，雙極型碳納米管激活VFET (ambipolar carbon nanotube enabled VFET))的各種實(shí)施方案。現(xiàn)在將如附圖中所示出的具體地參照對(duì)實(shí)施方案的描述，其中貫穿若干圖，類似的附圖標(biāo)記指代類似的部分。
[0016]在互補(bǔ)電路中，使用P型溝道晶體管和η型溝道晶體管兩者。然而，與通過(guò)簡(jiǎn)單地實(shí)施合適的接觸和溝道摻雜劑而實(shí)現(xiàn)單一半導(dǎo)體(例如硅)的P型溝道晶體管和η型溝道晶體管的硅基IC不同，對(duì)于P型溝道有機(jī)薄膜晶體管和η型溝道有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)需要專用半導(dǎo)體材料。分立的η型溝道有機(jī)晶體管和P型溝道有機(jī)晶體管在適當(dāng)規(guī)模的IC中的集成仍存在挑戰(zhàn)。對(duì)有機(jī)物進(jìn)行圖案化以實(shí)現(xiàn)分開(kāi)限定的P型溝道有源區(qū)和η型溝道有源區(qū)增加了器件制造的實(shí)質(zhì)的復(fù)雜性。這可以通過(guò)使用雙極型有機(jī)晶體管來(lái)避免，其得益于具有可以在單一掩模步驟中沉積的溝道。
[0017]通過(guò)柵極電壓的控制，P型溝道和η型溝道有源區(qū)均可以形成在雙極型有機(jī)晶體管中。然后可以僅使用雙極型有機(jī)晶體管來(lái)制造互補(bǔ)電路，從而大大降低了制造復(fù)雜性。使用最高占據(jù)分子軌道(HOMO)和最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)的能級(jí)在金屬功函數(shù)的約0.8eV以內(nèi)的窄帶隙有機(jī)半導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)從雙極型OTFT的同一金屬電極有效注入電子和空穴兩者。在替選實(shí)施方案中，可以通過(guò)將不一定具有窄帶隙的兩種有機(jī)半導(dǎo)體結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)(從同一金屬)有效注入電子和空穴兩者。通過(guò)合理地選擇材料，可以將一種有機(jī)半導(dǎo)體的HOMO與另一有機(jī)半導(dǎo)體的LUMO布置成處于金屬功函數(shù)的約0.8eV以內(nèi)。
[0018]可以以各種方式將兩種材料進(jìn)行結(jié)合來(lái)形成溝道層。例如，可以將兩種不同的有機(jī)半導(dǎo)體分別沉積為雙層(一層在另一層的頂部上)。實(shí)際上，可以利用揮發(fā)性小分子有機(jī)半導(dǎo)體通過(guò)分開(kāi)、順序氣相沉積而實(shí)現(xiàn)，并且已得到了以良好性能工作的器件。然而，對(duì)于有機(jī)電子器件期望基于溶液的處理以從諸如噴墨印刷和輥至輥制造的低成本制造方法中獲益。聚合物和一些小分子或改性小分子可以經(jīng)溶液處理，但是由于對(duì)于極大地限制了可使用材料的正交溶劑(即，第二層中的溶劑不應(yīng)該溶解第一層)的需求，所以雙層的沉積是復(fù)雜的。在另一實(shí)施例中，可以通過(guò)在相同的溶劑中將這兩種有機(jī)半導(dǎo)體共混在一起來(lái)將其結(jié)合。然后，可以將該共混物沉積為單個(gè)溝道層。
[0019]雖然在這樣的有機(jī)半導(dǎo)體共混物被用作晶體管溝道材料的情況下，可以觀測(cè)到柵極控制的雙極傳輸，但是最好的半導(dǎo)體共混器件顯示的迀移率為比由純的P型或η型半導(dǎo)體溝道材料制造的器件的迀移率低二至三個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，K.Szendrei等人在 2010 年(J Mater Chem, Vol 20，1317-1321 (2010))展示了用聚{[N, NO-雙(2-辛基十二烷基)-萘-1，4，5，8-雙(二甲酰亞胺)-2，6- 二基]-alt-5, 50- (2，20-聯(lián)噻吩)}(P (NDI20D-T2))作為η型材料，用區(qū)域規(guī)整(reg1regular)的聚(3-已基噻吩)(rr_P3HT)作為P型材料的雙極型聚合物共混晶體管。該器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)于電子的4X 1-3Cm2V-1S-1的迀移率和對(duì)于空穴的SXKT3CmW1的迀移率，這是目前所報(bào)導(dǎo)的聚合物共混晶體管的最高記錄。然而，當(dāng)與純P(NDI20D-T2)器件的0.4501^'-1的迀移率和純r(jià)r_P3HT器件的0.1cmW1的迀移率比較時(shí)，其仍然很低。至于在共混材料器件中所獲得的低迀移率的原因是:在常規(guī)的橫向溝道晶體管構(gòu)造中跨10 μ m至100 μ m距離的源漏電極缺乏逾滲的P型材料和η型材料的純域。將純P型或η型的逾滲路徑從一個(gè)電極延伸穿過(guò)整個(gè)溝道層到另一電極，器件性能可以提高至更接近單一材料器件的水平。
[0020]參照?qǐng)D1，示出CMOS逆變電路100的實(shí)施例。逆變電路100輸出與其輸入電壓106的邏輯電平相反的電壓103。因而，處于Vdd的輸入電壓106返回處于接地電平的輸出電壓103，處于接地水平的輸入電壓106返回處于Vdd的輸出電壓103。如圖1的實(shí)施例的數(shù)字化逆變器是所有數(shù)字電子器件的基礎(chǔ)。在圖1中所描述的傳統(tǒng)的CMOS逆變器100由于每個(gè)晶體管109和112的單極特性而不經(jīng)受泄漏電流。在Vdd被施加為CMOS逆變器100的輸入電壓106的情況下，P型溝道晶體管109接通而η型溝道晶體管112斷開(kāi)，導(dǎo)致輸出電壓103處于接地電平。在輸入電壓106接地的情況下，η型溝道晶體管112接通而ρ型溝道晶體管109斷開(kāi)，導(dǎo)致輸出電壓103為Vdd。在兩種邏輯狀態(tài)下，晶體管109/112之一斷開(kāi)，從而防止了在穩(wěn)態(tài)下電流流經(jīng)CMOS逆變器100。
[0021]相反，用兩個(gè)雙極型橫向溝道OTFT構(gòu)建的數(shù)字邏輯逆變器由于兩個(gè)晶體管均不能完全斷開(kāi)而消耗過(guò)量的能量，導(dǎo)致不斷的有泄漏電流流經(jīng)器件。如圖2A所示，在Vin接地的情況下，由于晶體管203的源電極連接至Vdd，所以跨晶體管203的溝道將感生足夠的空穴209并且跨晶體管203的阻抗將像期望的那樣小。晶體管206的源電極接地，因此在源極區(qū)域附近幾乎沒(méi)有感生出電荷。然而，跨晶體管206的溝道的電勢(shì)逐漸增加，導(dǎo)致沿著溝道朝向晶體管206的漏電極感生出更多的空穴212。所以晶體管206是部分接通的。晶體管206的阻抗仍大于晶體管203的阻抗，產(chǎn)生幾乎等于Vdd的高輸出電壓(V?！?。但是由于晶體管206是不完全斷開(kāi)的，所以恒定的電流將流經(jīng)逆變器。相似地，如圖2B所示，在輸入電壓(Vin)被設(shè)置為Vdd的情況下，晶體管206將完全接通而晶體管203也將部分接通，導(dǎo)致恒定電流流經(jīng)逆變電路。
[0022]通過(guò)使用碳納米管基垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管(CN-VFET)可以避免持續(xù)的泄漏電流。在一個(gè)實(shí)施方案中，CN-VFET晶體管包括以下從底層向上依次列出的結(jié)構(gòu)化元件:導(dǎo)電柵電極；電絕緣柵極介電層；納米管層，其側(cè)面放置于柵極介電表面上，具有跨越柵極介電表面的數(shù)密度，形成交叉互聯(lián)的納米管的電互聯(lián)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)，但是其中，從上面看，納米管網(wǎng)絡(luò)層足夠稀疏以露出下層介電表面(例如，露出的下層介電表面至少與被納米管覆蓋的下層介電表面一樣多)；半導(dǎo)體溝道層，其覆蓋納米管和位于相鄰納米管之間的露出的介電層的區(qū)域；以及最后是導(dǎo)電頂電極層。納米管網(wǎng)絡(luò)層被稱為納米管源電極或只是源電極，并且頂電極層被稱為漏電極。與納米管層的電接觸可以經(jīng)由可以位于沿著納米管網(wǎng)絡(luò)層的一個(gè)邊緣(例如，納米管網(wǎng)絡(luò)層一小部分的上方或下方)的金屬源極接觸焊盤進(jìn)行。除了通過(guò)提供柵電極與源電極之間的柵極電壓(Ve)的電壓源之外，柵電極通過(guò)柵極介電層電絕緣于納米管源電極和源極接觸焊盤。通過(guò)溝道層電隔離的漏電極和納米管源電極連接至向源電極與漏電極之間施加電壓(Vsd)的單獨(dú)的電源。
[0023]在CN-VFET晶體管中，載流子從下面的碳納米管(CNT)源電極注入，垂直地經(jīng)過(guò)薄膜溝道并且被頂部的漏電極收集。柵極通過(guò)調(diào)整在源極隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的碳納米管與有機(jī)半導(dǎo)體之間的注入勢(shì)皇來(lái)控制源-漏電流。在P型溝道CN-VFET中，空穴從CNT的費(fèi)米能級(jí)注入到有機(jī)半導(dǎo)體的HOMO能級(jí)，而在η型溝道CN-VFET中，電子從CNT的費(fèi)米能級(jí)注入到有機(jī)半導(dǎo)體的LUMO能級(jí)。柵極場(chǎng)調(diào)節(jié)在源極隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的CNT的費(fèi)米能級(jí)位置來(lái)控制CNT與有機(jī)半導(dǎo)體之間的注入勢(shì)皇。為了確保柵極場(chǎng)可以導(dǎo)通和關(guān)斷源漏電流，用于ρ型溝道應(yīng)用的有機(jī)半導(dǎo)體的HOMO能級(jí)和用于η型溝道應(yīng)用的有機(jī)半導(dǎo)體的LUMO能級(jí)應(yīng)該位于CNT的費(fèi)米能級(jí)附近，例如在0.8eV內(nèi)。
[0024]在橫向溝道有機(jī)半導(dǎo)體共混晶體管的情況下，迀移率差的最可能的原因是源電極與漏電極之間的兩種材料的相分離域的非逾滲特性。參照?qǐng)D3，示出的是橫向溝道有機(jī)半導(dǎo)體共混晶體管300的圖示。如所示出的，不同的圖案化的區(qū)域303和306表示源極與漏極之間的溝道309中的兩種相分離組分。由于在分立的域303/306之間的每個(gè)界面處的接觸勢(shì)皇和跨越從源極至漏極的溝道的長(zhǎng)度312延伸的很少的純域(如果有的話)逾滲路徑的存在，嚴(yán)重的限制了流經(jīng)溝道的電流。幾十至幾百微米的常規(guī)橫向溝道OTFT的長(zhǎng)溝道長(zhǎng)度312使得問(wèn)題特別嚴(yán)重，導(dǎo)致了非常低的導(dǎo)通態(tài)電流。
[0025]相反，通過(guò)使用CN-VFET，可以使得溝道長(zhǎng)度很短以使得每種材料組分相的單晶晶?？梢詮募{米管源電極延伸至上面的漏電極使得獲得材料的大迀移率(bulk mobility)。圖4為示出了具有在CN源極408和漏極412之間垂直延伸的相分離415和418的CN-VFET的圖示。由于其薄溝道層410，相分離膜可以提供雙極型CN-VFET 400中跨越溝道層410的單晶路徑415/418，實(shí)現(xiàn)了高的溝道迀移率。CN源極408和漏極412之間的垂直路徑415/418可以通過(guò)其中發(fā)生兩種組分的橫向相分離的膜來(lái)滿足。在許多有機(jī)共混物中已經(jīng)獲得了相分離。所產(chǎn)生的低導(dǎo)通態(tài)溝道電阻可以提供關(guān)于基于雙極型CN-VFET的數(shù)字化逆變