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一种碳纳米管器件及其制造方法

阅读：457发布：2021-03-03

IPRDB可以提供一种碳纳米管器件及其制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且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。，下面是一种碳纳米管器件及其制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种碳纳米管器件，包括衬底(101)，覆盖衬底(101)上的电介质层(102)、碳纳米管层(103)和栅介质层(104)，栅介质层(104)上具有包括侧墙(108，108’)和高K金属栅材料的栅极结构，其特征在于：所述侧墙(108，108’)外侧具有源漏金属电极层(105、106)，在所述侧墙沟槽之间的碳纳米管层(103)所在平面具有一横向棒状环栅(113)阵列，该阵列两端分别与源漏金属电极下的碳纳米管层(103)连接，所述棒状环栅(113)中心层为棒状碳纳米管(110)、外层包覆栅介质层(111)和高K金属栅材料层(112)，同时在侧墙(108，108’)之间的沟槽中分别沉积由金属栅阈值调制层、金属栅阻挡层及引线金属层组成的各种单一金属或多种金属的组合材料。

2.如权利要求1所述的碳纳米管器件，其特征在于，所述衬底(101)选自硅片、SOI硅片、氧化硅、氮化硅、石英、玻璃、氧化铝等硬质绝缘材料，以及PET、PEN、聚酰亚胺等耐高温柔性绝缘材料，并优选为硅片。

3.如权利要求1所述的碳纳米管器件，其特征在于，所述碳纳米管层(103)可以是具有半导体比例>90％的碳纳米管薄膜，也可以是生长的碳纳米管阵列、碳纳米管网络状(Network)薄膜，碳管自组装薄膜，以及由上述任两者组合的复合层。

4.如权利要求1所述的碳纳米管器件，其特征在于，所述源漏金属电极层(105、106)选自钯、钪、镍铂合金、钛、钴、钇、铝、钼或其他金属等的单一金属或其合金。

5.如权利要求1所述的碳纳米管器件，其特征在于，所述电介质层(102)为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或由上述任意两种或三种组成的复合材料，也可以是其他易于去除的绝缘层材料。

6.一种制造如权利要求1-5所述的碳纳米管器件的方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：提供一依次覆盖有电介质层(102)、碳纳米管层(103)以及栅介质层(104)的衬底(101)，在其上形成包括假栅电极(107)和侧墙(108)的栅极结构，并在侧墙(108，108’)两侧形成源漏金属电极层(105、106)；

S2：在上述步骤S1上形成的结构上沉积第一层间介质层ILD0(109)覆盖整个假栅结构，并进行CMP平坦化，停止在假栅电极(107)表面；

S3：去除沟槽结构中的假栅电极(107)和栅介质层(104)，直到暴露出所述碳纳米管(103)，并部分去除所述碳纳米管层(103)下方的电介质层(102)，直到碳纳米管(103)能够完全悬空，形成两端分别与所述沟槽两侧的碳纳米管层(103)侧面连接的悬空的横向棒状碳纳米管(110)阵列；

S4：在上述沟槽结构中依次沉积栅介质层(111)和高K金属栅材料层(112)分别包覆悬空的横向棒状碳纳米管(110)阵列外表面，形成横向棒状环栅(113)，并继续在沟槽中依次沉积金属栅调制层、金属栅阻挡层及引线金属层，直到填充整个沟槽；

S5：选择合适的CMP技术进行高K金属栅材料(HKMG)填充薄膜后的平坦化，然后采取后续流程制作接触孔、孔薄膜填充以及局部和全局金属互连层。

7.根据权利要求6所述的碳纳米管器件的制备方法，其特征在于，其中所述第一层间介质层ILD0(109)采用PECVD、HDPCVD沉积氧化硅、流动性CVD(FCVD)沉积氧化硅、旋涂的绝缘介质SOD方法形成。

8.根据权利要求6所述的碳纳米管器件的制备方法，其特征在于，步骤S3中采用干法或湿法刻蚀技术去除所述假栅电极(107)。

9.根据权利要求6所述的碳纳米管器件的制备方法，其特征在于，步骤S4中采用湿法腐蚀或气化腐蚀或其他干法刻蚀技术去除所述碳纳米管层(103)下的电介质层(102)。

10.如权利要求6所述的碳纳米管器件的制备方法，其特征在于，所述电介质层(102)为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或由上述任意两种或三种组成的复合材料，也可以是其他易于去除的绝缘层材料。

说明书全文

一种碳纳米管器件及其制造方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 目前，制备悬空的环栅碳纳米管器件主要有两种方法：

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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

[0011] 本发明的目的是提供一种碳纳米管器件，在该器件结构中碳纳米管被完全释放，从而形成无支撑的悬空沟道，之后再将其与传统的CMOS器件后栅工艺相集成，形成环栅碳纳米管器件。

[0012] 本发明一方面提供了一种碳纳米管器件，包括衬底，覆盖衬底上的电介质层、碳纳米管层和栅介质层，栅介质层上具有包括侧墙和高K金属栅材料的栅极结构，具体如下：

[0013] 侧墙外侧具有源漏金属电极层，在所述侧墙沟槽之间的碳纳米管层所在平面具有一横向棒状环栅阵列，该阵列两端分别与源漏金属电极下的碳纳米管层连接，所述棒状环栅中心层为棒状碳纳米管、外层包覆栅介质层和高K金属栅材料层，同时在侧墙之间的沟槽中分别沉积由金属栅阈值调制层、金属栅阻挡层及引线金属层组成的各种单一金属或多种金属的组合材料。

[0014] 优选地，衬底选自硅片、SOI硅片、氧化硅、氮化硅、石英、玻璃、氧化铝等硬质绝缘材料，以及PET、PEN、聚酰亚胺等耐高温柔性绝缘材料，并优选为硅片。

[0015] 优选地，碳纳米管层可以是具有半导体比例>90％的碳纳米管薄膜，也可以是生长的碳纳米管阵列、碳纳米管网络状(Network)薄膜，碳管自组装薄膜，以及由上述任两者组合的复合层。

[0016] 优选地，源漏金属电极层选自钯、钪、镍铂合金、钛、钴、钇、铝、钼或其他金属等的单一金属或其合金。

[0017] 优选地，电介质层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或由上述任意两种或三种组成的复合材料，也可以是其他易于去除的绝缘层材料。

[0018] 本发明另一方面提供了一种制造上述碳纳米管器件的方法，其特征在于，包含以下步骤：

[0019] S1：提供一依次覆盖有电介质层、碳纳米管层以及栅介质层的衬底，在其上形成包括假栅电极和侧墙的栅极结构，并在侧墙两侧形成源漏金属电极层；

[0020] S2：在上述步骤S1上形成的结构上沉积第一层间介质层ILD0覆盖整个假栅结构，并进行CMP平坦化，停止在假栅电极表面；

[0021] S3：去除沟槽结构中的假栅电极和栅介质层，直到暴露出所述碳纳米管，并部分去除所述碳纳米管层下方的电介质层，直到碳纳米管能够完全悬空，形成两端分别与所述沟槽两侧的碳纳米管层侧面连接的悬空的横向棒状碳纳米管阵列；

[0022] S4：在上述沟槽结构中依次沉积栅介质层和高K金属栅材料层分别包覆悬空的横向棒状碳纳米管阵列外表面，形成横向棒状环栅，并继续在沟槽中依次沉积金属栅调制层、金属栅阻挡层及引线金属层，直到填充整个沟槽；

[0023] S5：选择合适的CMP技术进行高K金属栅材料(HKMG)填充薄膜后的平坦化，然后采取后续流程制作接触孔、孔薄膜填充以及局部和全局金属互连层。

[0024] 优选地，其中所述第一层间介质层ILD0采用PECVD、HDPCVD沉积氧化硅、流动性CVD(FCVD)沉积氧化硅、旋涂的绝缘介质SOD方法形成。

[0025] 优选地，步骤S3中采用干法或湿法刻蚀技术去除所述假栅电极。

[0026] 优选地，步骤S4中采用湿法腐蚀或气化腐蚀或其他干法刻蚀技术去除所述碳纳米管层下的电介质层。

[0027] 优选地，电介质层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或由上述任意两种或三种组成的复合材料，也可以是其他易于去除的绝缘层材料。

附图说明

[0028] 通过以下参照附图对本发明的碳纳米管器件结构及其制作方法进行描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

[0029] 图1碳纳米管器件环栅结构立体图。

[0030] 图2纳米管器件制作方法流程示意图。

[0031] 图3在半导体层上形成假栅结构和源漏金属电极层结构示意图。

[0032] 图4沉积ILD0层并进行平坦化。

[0033] 图5去除假栅电极暴露出碳纳米管层的器件结构示意图。

[0034] 图6部分去除碳纳米管下衬底上的氧化硅层使碳纳米管完全悬空的器件结构示意图。

[0035] 图7在沟槽结构中沉积HKMG栅极后的器件结构示意图。

[0036] 图8进行HKMG填充薄膜的CMP平坦化后的器件结构示意图。

[0037] 图9接触孔光刻、填充等后续工艺后的最终器件结构示意图。

[0038] 图10最终碳纳米管器件立体示意图。

具体实施方式

[0039] 下面将参照附图详细说明本发明的实施方式。在各附图中，相同的元件采用相同的附图标记来表示，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。

[0040] 应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

[0041] 如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“A直接在B上面”或“A在B上面并与之邻接”的表述方式。在本申请中，“A直接位于B中”表示A位于B中，并且A与B直接邻接，而非A位于B中形成的掺杂区中。

[0042] 本发明提出了一种碳纳米管器件结构，如图1所示，该碳纳米管器件包括衬底101，覆盖衬底101上的电介质层102、碳纳米管层103和栅介质层104，在栅介质层104上具有包括侧墙108、108’和假栅电极107的栅极结构。其中，电介质层102可以为氧化硅、氮化硅或二者的复合结构组成，也可以采用其他易于去除的绝缘层材料等，栅介质层104可以为氧化硅、氮氧化硅。经过一系列工艺步骤后，位于侧墙108，108’两侧的源漏金属电极层105和106沉积在碳纳米管103之上，在105和106之间的碳纳米管层103所在平面具有一横向棒状环栅阵列。该环栅阵列由多个两端分别与碳纳米管层103连接的横向棒状环栅113，各个横向棒状环栅113内层为棒状碳纳米管110、外层包覆栅介质层111和高K金属栅材料层112，同时在侧墙107和108之间的沟槽中分别沉积金属栅调制层、金属栅阻挡层及引线金属层等材料。

[0043] 图2示出了本发明提出的碳纳米管器件制造方法工艺流程，图3-10具体示出了本发明提出的制备碳纳米管器件的具体步骤，下面根据图3-9所示的步骤对本发明的具体实施例进行详细描述。

[0044] 按照步骤S1，如图3所示，提供一衬底101，在衬底101上形成氧化硅层102、碳纳米管层103以及栅氧化层104，并在其上形成包括假栅电极107和侧墙108的栅极结构，然后在侧墙107两侧形成源漏金属电极层105和106，位于103之上。其中衬底101可以选自硅片、氧化硅、氮化硅、石英、玻璃、氧化铝等硬质绝缘材料，以及PET、PEN、聚酰亚胺等耐高温柔性绝缘材料，在本实施例中衬底101采用硅片。

[0045] 碳纳米管层103为具有90％-99.9999％半导体比例的碳纳米管薄膜，可以是生长的碳纳米管阵列和碳纳米管网络状即为排列整齐的薄膜，碳管自组装薄膜，以及彼此任两者组合的复合薄膜，本实施例中为碳纳米管薄膜。

[0046] 源漏电极金属层105和106选自钯、钪、镍铂合金、钛、钛钯、钴、钇、铝等单一金属，也可以为其他没有列在这里的金属，主要视具体应用需求而定，当然也可以由上述单一金属组成的多种金属的合金或叠层，在本实施例中采用钪作为源漏电极金属层。假栅电极107材料可以为氧化硅，氮氧化硅等传统栅氧材料，也可以为氧化铪，氧化锆，氧化钇，氧化钽，氧化镧或氧化镧铝等高K介质材料，厚度范围为1～10nm，本实施例中采用厚度为5nm的氧化硅。

[0047] 接着按照步骤S2，如图4所示，在源漏电极金属层105和106、假栅结构107、侧墙108之上形成层间介质层(ILD0)109，并进行化学机械平坦化(CMP)，停止在假栅电极107表面上。其中层间介质层(ILD0)可以采用CVD方法如SACVD、PECVD、HDPCVD或应用于高深宽比结构上的流动性CVD技术(FCVD)或未来可能开发的其他更先进的CVD技术等方法沉积一层掺杂或无掺杂的氧化硅，或者采用旋涂的方法得到绝缘介质或者沉积上低k材料来形成。掺杂氧化硅包括硼硅酸盐玻璃(BSG)、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)等材料，低k材料包括但不限于有机低k材料(例如含芳基或者多元环的有机聚合物)、无机低k材料，例如无定形碳氮薄膜、多晶硼氮薄膜、氟硅玻璃等，及多孔低k材料(例如二硅三氧烷(SSQ)基多孔低k材料、多孔二氧化硅、多孔SiOCH、掺C二氧化硅、掺F多孔无定形碳、多孔金刚石、多孔有机聚合物)等。

[0048] 进一步按照步骤S3，如图5所示，采用干法或湿法刻蚀技术，去除沟槽结构中的假栅电极107和栅氧化层104，直到暴露出碳纳米管层103。并进一步如图6所示，采用湿法腐蚀或气化腐蚀或其他合适的干法刻蚀技术，部分去除碳纳米管层103下的电介质层102，直到碳纳米管层103能够完全悬空，形成无支撑的结构，形成两端分别与碳纳米管层103连接的悬空的横向棒状阵列110。此处102可以采用氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或由上述任意两种或三种组成的复合材料，如先采用氮化硅，再在其上沉积氧化硅的复合叠层形式，除此之外，也可以采用其他易于去除的绝缘层材料。在本实施例中采用单一氧化硅，采用部分稀释的HF进行湿法腐蚀可将其有效去除。具体去除精度可以通过精确控制稀释比例来实现，从而减少横向腐蚀程度。

[0049] 进一步按照步骤S4，如图7所示，在悬空的碳纳米管层110表面上生长依次沉积栅介质层111和高K金属材料层112分别包覆各悬空的横向棒状阵列110表面，形成环栅结构113，并继续在沟槽中沉积金属栅调制层、金属栅阻挡层及引线金属层等材料。图7中的虚线框部分的结构如图1中放大图所示。其中悬空的横向棒状阵列包括横向多个棒状悬空的环栅结构113。

[0050] 进一步按照步骤S5，如图8所示，选择利用CMP技术对填充到侧墙之间的沟槽的高K金属材料(HKMG)填充薄膜进行平坦化，并继续进行后续接触孔光刻、薄膜填充工艺，具体而言，在步骤S5所获得的结构上沉积第二层间介质层(ILD1)115，可以采用PECVD、SACVD、LPCVD或HDPCVD等方法沉积氧化硅或者旋涂一层绝缘介质SOD形成。ILD1的材质选择可与ILD0相同或不同。进一步采用化学机械抛光(CMP)以对层间介质层(ILD1)115平坦化，根据要求，准确停止在栅极结构上方的一定厚度，以满足对局部互连线的要求。接下来如图9所示，在接触孔光刻及刻蚀后，沉积填充金属钨(W plug)116和接触孔互连金属117，如Ti/TiN/W堆叠层材料，然后进行接触孔CMP平坦化，形成图10所示的最终的器件结构。上述接触孔光刻可以由一步或两步光刻组成，在本实施例中采用一步光刻，即源漏接触孔、栅极引线金属接触孔一次形成。在另一个实施例中，在完成前述步骤后，采用两步光刻形成接触孔，即先形成源漏接触区域的光刻图形，再形成接触孔互连金属和栅极连接引线金属两个区域的光刻图形，然后，进入后序工艺。

[0051] 虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

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