[发明专利]一种碳纳米管器件及其制造方法

说明书

本发明公开了一种碳纳米管器件及其制造方法，该碳纳米管器件结构位于侧墙之间的栅电极底部位置，由多个两端分别与碳纳米管层连接的横向棒状环栅阵列构成，各横向棒状环栅外层包覆栅介质层和高K金属栅材料层。同时还提出了该器件的制造方法，首先通过前栅工艺形成假栅电极结构，然后通过去除假栅电极露出碳纳米管层，再将该层下方的电介质材料腐蚀掉，从而将碳纳米管层从其上完全释放出来，形成无支撑的结构，并在悬空的棒状环栅阵列表面上生长栅介质层和高K金属栅材料等，并进行后续处理工艺得到满足需要的环栅纳米线器件，从而实现了采用自对准工艺与传统CMOS器件技术相集成制备环栅碳纳米管器件的方法。

技术领域

本发明涉及碳纳米管CMOS集成电路工艺，特别涉及一种碳纳米管器件及其制造方法。

背景技术

碳纳米管(CNTs)具有高速、低功耗等方面的优点，被认为是未来最佳的构建场效应晶体管的沟道材料之一。在过去近20年中，碳纳米管(CNTs)在集成电路应用上的研究主要集中于如下几个方面，即探索新器件、物理原理、制备方式以及性能和结构的优化。

绝大多数的研究聚焦于平面碳纳米管器件上，即碳纳米管需要生长在衬底支撑层，如氧化硅上，作为后续的沟道材料使用。从实际效果上来说，近似于一个Ω结构的三栅器件。研究发现，这种器件在工作过程中，有较明显的回滞现象。所谓回滞现象是指输入信号周期性变化的时候，输出的非周期变化，就是非单一对应关系。对于场效应晶体管而言，器件在工作中一个很重要的因素就是电压对电流的稳定控制，而稳定性又可分为两种：长期稳定性和可重复性。而电流回滞现象是“电压-电流”调控关系不可重复性的最直接体现(瞿敏妮，《有机薄膜晶体管中电流回滞现象及其起源研究》，2014，复旦大学硕士论文)。对于许多研究指出碳纳米管下的氧化硅材料之中存在的缺陷或两者的相互作用对回滞有一定影响。消除底部氧化硅会明显地提升碳纳米管的器件性能。

另一方面，这种类Ω结构的三栅器件，栅控能力受到一定限制，如果能够将整个碳纳米管的能力都发挥出来必将有效增强碳纳米管器件的性能。

比起依赖衬底的Ω结构碳纳米管器件，悬空碳纳米管器件是一种更为完美的环栅器件，因为它避免了碳管和衬底材料的接触，由此可以有效抑制电流波动，同时栅控能力也得到了极大的增强，这从器件结构本身的改进上便有助于提升器件性能。

在CMOS工艺中，制备HKMG(金属栅极+高介电常数绝缘层(High-k)栅结构)栅极结构的工艺一般分为前栅、后栅两种工艺。采用后栅极工艺制造的HKMG栅极结构的芯片，具有功耗更低和漏电更少的优势，从而让高频运行状态更加稳定，不会出现运行一段时间后降频这种现象。相比前栅极工艺无疑更加先进，但是生产制造技术复杂、良品率较难提升，技术诞生初期很难做到大规模量产，还需要客户厂商根据需求配合修改电路设计，所以前栅极工艺在早期更受欢迎。后来，随着工艺逐渐走向成熟，克服了后栅极工艺的种种问题之后，近几年后栅极工艺逐渐取代前栅极工艺成为HKMG栅极结构的主要制造工艺。

目前，制备悬空的环栅碳纳米管器件主要有两种方法：

第一种是利用光刻曝光和刻蚀的方法实现碳纳米管悬空，缺点是光刻胶及硬掩模材料在碳纳米管表面上较难去除，在工艺过程中有可能会损伤碳纳米管的材料表面，进而会影响器件的性能。

第二种方法是预先在衬底上加工好源漏电极，然后采用原位生长的化学气相沉积法使碳纳米管生长在电极之间实现悬空。尽管这种方法避免了上述方法的影响，但是碳纳米管只是附着在源漏电极表面。同时，这种先加工源漏的方式，无法采用自对准工艺，在后续进行栅电极时，非常困难。

尽管当前已经有了将碳纳米管从衬底材料上释放出来的报道，并做出了简单的器件并进行了验证，但还没有采用能与半导体量产制造技术有效集成而制备环栅碳纳米管器件的报道。本发明提出了一种新的制造方法，可以采用能够与半导体工业兼容的方法将环栅碳纳米管器件制造出来，这将有效推动这一新型器件在半导体产业上的应用。

发明内容