場效應電晶體及半導體器件的製作方法

2023-05-21 05:20:51 1

專利名稱：：場效應電晶體及半導體器件的製作方法
技術領域：
：本發明特別涉及半導電碳納米管、定位該碳納米管的方法、使用該碳納米管制造的場效應電晶體(FET)、以及半導體器件。
背景技術：
：自從1974年發明第一個半導體電晶體以來，矽微電子的集成度基本成指數增長。但是，預期這種增長在不久的將來不能持續下去。特別是，隨著集成尺度接近納米級，結構將達到可靠地實現所需功能的物理極限。隨著集成尺度的增加，製造成本也成指數增加，因此限制了更高集成的實現。作為可以克服由矽技術原理所加的局限的技術，分子電子學領域已經引起了大量注意。根據分子電子學，通過自對準技術可以以相對低的成本製造單分子器件。在分子電子學領域中，例如富勒烯和碳納米管的分子結構越來越吸引人們的注意。特別是，單壁碳納米管(SWNT)-其是具有納米級直徑的巻起來的石墨片-自其在二十世紀九十年代早期被發現以來，關於其電子學領域所需的性質已經被熱烈研究過。根據構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性電行為。SWNT的電學性能被預期可勝過最好的金屬或半導體的電學性能。1998年，結合了單個SWNT的場發射電晶體(FET)在室溫下被實現(參考Trans,S丄etal.,Nature,1998,vol.393，p.49)。利用結合一個或兩個碳納米管的單極或互補FET，實現了"非，，門(hwerter),其是最簡單的邏輯門。其它邏輯門，例如NOR("非或")、AND("與，，)，以及靜態RAM(SRAM),也可以使用互補或多互補模式製成。實現220Hz振蕩頻率的環形振蕩器可3用p或n型碳納米管FET的陣列製成(參見Bachtold,A.etal.，Science,2001,Vol.294，p.1317，以及Derycke，V.etal"NanoLetters,2002,vol.2,p.929)。上述的結合有包括SWNT的電晶體的基本邏輯電路主要通過兩種技術製成。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)掃描而被定位於預先構圖的相應電極處(參見Trans，S丄等人和Bachtold,A.等人的以上文獻)。在此技術(第一種技術)中，通過雷射燒蝕(laserabrasion)製成的具有約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。隨後，通過光刻進行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Martel，R.etal.,AppliedPhysicsLetters,1998,vol.73，p.2447中公開的此技術的示例，在背柵結構中實現了20cmV(V's)的空穴遷移率。此外，通過結合碳納米管(CNT)作為柵電極而實現了高達2,321S/m的PhysicsLetters,2002,vol.80,p.38)。另一種技術(第二種技術)是通過化學氣相沉積(CVD)直接沉積SWNT到預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。通過此技術製造的電晶體表現出高達6,000S/m的互導和高達3,000cmV(V,s)的載流子遷移率，這對電晶體來說是重要的性質。這些值比矽半導體的多一位^L特別地，通過此技術製備的電晶體通過結合長300(am的半導體CNT實現了高達79,000cm2/(V.s)的載流子遷移率，如Durkop,T.etal.，NanoLetters,2004,vol.4,p.35中報導的那樣。
發明內容使用AFM的第一種技術難以實用，因為它涉及大量CNT在器件上的手工定位。它在半導體器件-例如中央處理器(CPU)晶片的存儲器-上的應用是困難的。採用CVD的第二種技術是一高溫工藝。因此，CNT在大量電極上的精確定位是困難的。第二種技術很少適合於集成電路應用。事實上，利用CVD將SWNT安裝到部分矽金屬氧化物半導體(MOS)上的實際情況表現出低的對準精度，即約2,000個CNT的僅1%用作背柵(參考Tseng，Y.etal.,NanoLetters,2004，vol.4,p.123)。本發明涉及一種碳納米管，其在製造具有包括碳納米管的FET的集成電路的過程中，可高度精確地定位於預定位置。本發明還涉及用於定位該碳納米管的方法、用該碳納米管制造的FET、製造該FET的方法、以及半導體器件。本發明的碳納米管的一實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。通過這種結構，至少一端可以選擇性接合或附著到特定材料上。可以在棵碳納米管的兩端引入官能團，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可以不同於引入到另一端的官能團。優選地，官能團與預定導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。另一實施例是用於定位碳納米管的方法。該方法包括形成包括半導電棵碳糹內米管(semiconductingbarecarbonnanotube)的碳納米管薄膜>該半導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；引入第一官能團到構成碳納米管薄膜的每個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第一基板的一側；除去第一基板並引入第二官能團到每個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的碳納米管分散，從而製備分散體；以及施加該分散體到含有與第一和第二官能團選擇性相互作用的導電材料的電極上，該電極通過構圖預先形成，從而橫跨所述電極定位各個碳納米管。根據此方法，碳納米管可容易地定位在目標位置，不需要使用昂貴設備的複雜程序或不需要高溫過程。再一實施例是包括源和漏電極、以及柵的場效應電晶體，其中通過改變作用為源和漏電極之間的電流通^各的溝道的電導率來控制電流。至少溝道的材料是半導電碳納米管。因為碳納米管用作溝道，所以可製造具有優良性能的FET。再一實施例是用於製造具有源和漏電41、以及^^的場效應電晶體的方法，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率來控制電流。該方法包括形成包括半導電棵碳納米管的碳納米管薄膜，該半導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；引入第一官能團到構成碳納米管薄膜的每個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第一基板的一側；除去第一基板並引入第二官能團到每個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的碳納米管分散從而製備分散體；以及施加該分散體到含有與第一和第二官能團選擇性相互作用的導電材料的源和漏電極上，該源和漏電極通過構圖預先形成，從而橫跨該源和漏電極定位各個碳納米管。根據此方法，碳納米管可容易且精確地定位在源和漏電極上，並且可以提高生產率。另一實施例是包括半導電碳納米管、第一區域、以及第二區域的半導體器件，碳納米管的一端固定於第一區域，碳納米管的另一端固定於第二區域。第一區域的材料不同於第二區域的材料。該半導體器件簡化了具有優良半導電性質的碳納米管的定位。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示出用於定位碳納米管的示例方法和用於製造FET的示例方法中包括的步驟；圖4示出用於定位碳納米管的示例方法和用於製造FET的示例方法中包括的另一步驟；圖5示出用於定位碳納米管的示例方法和用於製造FET的示例方法中包括的再一步驟；圖6示出用於定位碳納米管的示例方法和用於製造FET的示例方法中包括的再一步驟；圖7示出用於定位碳納米管的示例方法和用於製造FET的示例方法中包括的再一步驟；圖8示出用於定位碳納米管的示例方法和用於製造FET的示例方法中包括的再一步驟；圖9示出用於製造FET的示例方法中包括的步驟；圖10示出用於製造FET的示例方法中包括的另一步驟；圖11示出用於製造FET的示例方法中包括的另一步驟；圖12示出用於製造FET的示例方法中包括的另一步驟；以及圖13示出用於製造FET的示例方法中包括的另一步驟。具體實施例方式現在將說明本發明的優選實施例。這些實施例不限制本發明的範圍。碳納米管的示例結構顯示在圖1的示意圖中。CNT1在棵碳納米管的一端具有官能團。具體地，CNT1包括通過化學相互作用接合於棵CNT的第一端的官能團3。官能團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3接合於棵CNT的第一端，不同的官能團6接合於棵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的長度可以是約2nm到約lmm。官能團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。現在將參考圖3到13說明製造CNT的方法、定位CNT於預定位置的方法、以及使用CNT製造FET的方法的示例。每種方法包括以下六個主要步驟(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)引入預定官能團到每個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第一基板的一側，然後除去第一基板；(4)引入另一官能團到每個碳納米管的第二端，從而製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，並分散官能化的碳納米管到溶劑中；以及(6)通過自對準(self-alignment)在形成的兩個電極之間定位每個官能化的碳納米管，該兩個電極預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)。本實施例中，第一基板(圖3中的基板2)可由玻璃、石英、矽或類似物組成。也可使用能抵禦用於沉積碳納米管的高溫的任何其它材料。在形成SWNT過程中，第一基板優選由在高溫下不與用於沉積的催化劑反應的材料組成。如圖3所示，本實施例中，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在相對於基板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於或小於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，並且可以提高具有半導電行為的SWNT在所形成的所有SWNT中的百分比。棵碳納米管8'可以如圖3所示地基本垂直於基板的表面排列；或可以以特定的角度排列，同時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，官能團仍可以被引入到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3被引入到每個CNT8'的第一端，即未附著到基板2上的一端。用於引入官能團到每個棵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方法和電化學方法。為了引入-COOH基團或類似物作為官能團3,例如，碳納米管薄膜20'可浸在酸性溶液中，然後通過施加正電壓來氧化。這裡該溶液含有化學物質，例如酸、；鹹或者氧化物。例如，該酸性物質可以是硝酸、硫酸或者這些物質的組合。該鹼性物質可以是NaOH、KOH或者這些物質的組合。該氧化物可以是H202、溴化物或這些物質的組合。為了引入例如-C-O的官能團，可採用氧化氣氛中的等離子體處理。為了引入例如-NH2的官能團，可採用NH3氣氛中的RF等離子體處理。在步驟(3)中，由玻璃、石英、矽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。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粘著性並且可在後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3被改變，優選避免官能團3和粘合劑層5之間的化學相互作用。為了實現官能團3與特定電極材料的選擇性接合，並且為了在後面的步驟-步驟(6)-中進行的碳納米管的自對準，需要官能團3保持其性質。使用化學反應是可能的，例如酸石威反應，只要該反應不改變官能團3的和特定材料反應的性質。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6被引入到碳納米管薄膜20的碳納米管的第二端。官能團6可通過圖4中描述的相同的工藝引入。官能團6優選不同於參考圖4描述的官能團3。這是需要的，以允許官能團6和電極材料選擇性反應，該電極材料不同於和官能團3選擇性反應的電極材料，從而碳納米管可以自對準。步驟(5)中，如圖8所示，碳納米管薄膜20與第二基板4分離，並被置於溶劑7中，從而分散官能化的CNT8。溶劑7的示例包括二氯乙烷(DCE)、二甲基曱醯胺(DMF)、以及四氫呋喃(THF)。溶劑7優選含有儘可能少的汙染物。汙染物可通過超聲波處理來防止。例如，通過恰當選擇超聲波處理的功率和持續時間，能充分防止粘合劑層5進入溶劑7。現在參考圖9，用於形成電晶體的源和漏電極的電極10和12通過例如光刻的通常的半導體生產工藝形成在用於形成包括FET的半導體器件的基板9上。基板9由矽組成。圖中，示意性示出了基板中的柵結構11，例如源/漏區域。預定的互連也形成了，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、旋塗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3和官能團6中的一個選擇性相互作用的材料構成，電極12由與官能團3和官能團6中的另外一個選擇性相互作用的材料構成。電極材料和官能團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之間的相互作用通過由原子間力導致的物5裡糹吉合(physicalbonding)、電子遷-多結合(electronictransitionbonding)、4匕學結合(chemicalbonding)等實現。9表1tableseeoriginaldocumentpage10以此方式，如圖IO所示，CNT8端部處的官能團3和6選擇性地與電極10和12接合，並且CNT8被自對準。該工藝不涉及複雜的程序例如使用AFM、或高溫工藝例如伴隨CVD的高溫工藝，但是可以高精度地定位碳納米管到預定電極上。電極可以包括周期表中III到XIII族的元素。包括H、C、N、0P、S等的化學物質可以覆蓋或被引入到電極的導電材料，從而碳納米管端部處的官能團和電極之間的連接可以被增強。可選擇地，該化學物質可以添加到用於分散^^灰納米管8的溶劑7中，從而實現相同的效果。例如，氨基乙硫醇(NH2CH2CH2SH)的基團-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，從而電極可以更牢固地與碳納米管連接。根據上述內容顯而易見地，可在碳納米管和電極之間產生相互作用的可結合而擴大。相互作用的速度和選擇性可以進一步提高。在電極10和12上自對準的CNT8可以在200。C到2000。C的範圍內的一溫度下退火，從而基本除去不同於碳的材料。於是，如圖11所示，在端部處不具有官能團的碳納米管13可被設置在電極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幾乎全部官能團完全與碳納米管8分離。最高退火溫度優選為2000。C或更低，從而防止對碳納米管和基板的損傷，並且避免高溫處理。更優選地，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。該退火過程優選通過在維持預定真空度的同時引入He或Ar氣來實施。隨後，如圖12所示，由電介質材料構成的覆蓋層15設置在碳納米管13與電極10和12上。覆蓋層15可以由具有2.0或更大的介電常數的材料構成，從而洩漏電流的產生可以被可靠地防止，並且柵的作用不被影響。覆蓋層15的厚度優選為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構成的溝道結構而具有所需性能。如此製備的FET與由矽材料構成的已知電晶體相比，在互導和載流子遷移率方面表現出出眾的性能，因為該FET包括由具有半導電性質的碳納米管13構成的溝道。根據上述碳納米管和用於定位該碳納米管的方法，具有優良半導電性能的碳納米管可通過自對準精確地定位在預定位置，不需要複雜的工序或高溫過程。通過用碳納米管制造FET,具有優良性能的FET的產率能得到提高。昂貴的設備或高溫過程，所述半導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域、以及碳納米管的另一端固定在其上的第二區域，該第一和第二區域由不同材料構成。這樣的半導體器件的示例包括各種顯示器的開關元件、下一代邏輯器件、以及光電子存儲器件。本領域技術人員應明白的是，本發明不局限於上述實施例中說明的材料和結構。在所附權利要求或其等價物的範圍中，根據設計需要和其它因素，可發生各種修改、組合、以及變化。例如，MWNT可被用作CNT,或該定位方法可應用於各種其它半導體器件的製造。權利要求1.一種場效應電晶體，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率來控制電流，其中至少該溝道的材料是半導電碳納米管。2.—種半導體器件，包括半導電碳納米管；第一區域，該碳納米管的一端固定於其上；以及第二區域，該碳納米管的另一端固定於其上，其中該第一區域的材料不同於該第二區域的材料。全文摘要本發明涉及場效應電晶體及半導體器件。該場效應電晶體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率來控制電流，並且至少該溝道的材料是半導電碳納米管。文檔編號H01L29/772GK101494240SQ20091011856公開日2009年7月29日申請日期2005年8月2日優先權日2004年8月2日發明者黃厚金申請人:索尼株式會社