[发明专利]边缘接触型垂直碳纳米管晶体管

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年12月31日提交的61/018,426的权益，通过引用将其以及本申请中引用的所有其他参考文献结合起来。

技术领域

本发明涉及半导体器件及其制造，更具体而言涉及碳纳米管晶体管技术。

背景技术

晶体管和电子电路的发展以及通过集成电路技术对它们进行的微型化已经使得信息和电子商务的时代成为了可能。集成电路有时被称为“芯片”。大量的晶体管被用于构建电子电路和集成电路。现代的微处理器集成电路具有超过5千万个晶体管，并且在将来将具有超过10亿个晶体管。

一些类型的电路包括数字信号处理器(DSP)、放大器、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、微处理器、专用集成电路(ASIC)以及可编程逻辑。其他电路包括放大器、运算放大器、收发器、功率放大器、模拟开关和多路复用器、振荡器、时钟、滤波器、电源和电池管理、热管理、电压基准、比较器和传感器。

在计算机和其他编程机器、消费类电子产品、电信和联网设备、无线联网和通信、工业自动化和医疗器械等等的领域中，电子电路已经被广泛采用并用于许多产品中。电子电路和集成电路是计算机、因特网、IP语音(VoIP)、视频点播(VOD)以及包括万维网(WWW)在内的在线技术的基础。

对于更易于使用、更易被更多用户获得、提供更多特征并且普适性地解决消费者和客户的需求的电子产品有着持续的需求。集成电路技术持续迅速进步。随着技术的新进步，这些需求中的许多得到了解决。另外，新的进步还可能引起技术的根本性改变，这些改变深刻地影响并极大地增强了未来的产品。

电子产品中的构建块是电气和电子元件。这些元件包括晶体管、二极管、电阻器和电容器。在单个集成电路上有大量的这些元件。这些元件的改进以及新颖、改进的元件的开发将增强集成电路的性能、功能和大小。

电子产品中的一个重要构建块是晶体管。实际上，几乎每个集成电路的操作都依赖于晶体管。晶体管被用于许多电路的实现中。改进晶体管的特性和制作技术将引起电子和集成电路中的巨大改进。

当前，基于硅的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)是电子系统和电力电子系统的主力。然而，对于增加的性能要求的需求在促使硅材料取得突破。希望拥有性能改进的晶体管，尤其是具有更高的电流密度、更高的导热性以及更高的开关频率的晶体管。

因此，需要提供改进的晶体管技术。

发明内容

本发明为基于碳纳米管的场效应晶体管(CNTFET)提供了垂直器件几何结构。在本发明的一个实施例中，源电极和漏电极被包含在垂直分层的薄膜堆叠中，该薄膜堆叠被绝缘膜分隔开并且被图案化具有沟槽(或孔)以暴露源极和漏极薄膜边缘。沟槽底部的催化剂层用于使沿着沟槽的侧壁生长的碳纳米管(CNT)成核，使得一个或多个纳米管接触S电极和D电极两者的暴露边缘。薄的栅绝缘体被沉积在碳纳米管上，然后沉积和图案化顶部栅电极。此垂直配置(与衬底垂直)使得CNTFET能够被密集地封装以最大化功率晶体管应用的功率密度。另外，该几何结构允许了源电极和漏电极具有紧密的间隔，而无需昂贵的高分辨率光刻，从而使得碳纳米管晶体管性能能够得到极大改善。

该器件几何结构可利用线状沟槽或圆形或椭圆孔阵列，或者其组合，以提供高密度的电气并联阵列形式的近垂直碳纳米管。利用本发明，可以在比传统水平几何结构(与衬底在同一平面上)可能实现的小得多的区域中制作大量碳纳米管。这使得功率密度显著提高，并且对于给定的功率，器件大小减小。分层的垂直器件结构还提供了用于获得紧密间隔的源电极和漏电极的简单且便宜的手段，而无需求助于昂贵的高分辨率光刻。因为电子传输在纳米管中是弹道式的，所以CNTFET将具有比等同的硅器件低得多的导通电阻(估计有20倍的改善)。另外，碳纳米管的极高导热率提供了非常高效的散热装置，用于去除器件中耗散的热量。最后，纳米管在机械上是鲁棒的，比起硅或任何已知的材料来具有大得多的抗张强度。

在一种实现方式中，一种方法包括：提供衬底；在衬底上形成第一电极层；在第一电极层上形成第二电极层；在第一电极层和第二电极层之间形成第一绝缘层；形成延伸到第一电极层、第二电极层和第一绝缘层中的沟槽；以及形成从第一电极延伸到第二电极的第一碳纳米管，其中第一碳纳米管与第一电极和第二电极电接触。