CN110783461B - 晶体管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种晶体管及其制造方法，主要包括：在衬底上形成碳纳米管；在碳纳米管上形成栅叠层结构；形成覆盖栅叠层结构的侧墙；形成至少覆盖侧墙的牺牲层；形成覆盖碳纳米管与牺牲层的金属层，部分位于源漏区域的金属层作为与碳纳米管接触的电接触；去除金属层的一部分以暴露牺牲层；以及去除牺牲层以暴露侧墙。在该制造方法中，当形成金属层时，金属层将会直接覆盖在牺牲层与碳纳米管上，经过牺牲层的隔离，避免了侧墙与金属层直接接触，通过去除牺牲层将覆盖在牺牲层上的金属层与器件分离，形成了源漏接触结构，以便源漏金属能够有效地与碳纳米管产生良好的浸润性，实现低电阻的欧姆接触。

Description

晶体管及其制造方法

技术领域

本公开涉及半导体集成电路器件制造领域，更具体地，涉及一种晶体管及其制造方法。

背景技术

随着半导体技术向下持续微缩到3nm以下技术节点，硅基集成电路极有可能会达到硅材料以及物理量子力学的极限。微电子学的继续发展，迫切需要寻找新的更有潜力和优势的材料来代替硅材料，突破摩尔定律的极限。碳纳米管(CNT)优异的电学、热学、机械特性和化学稳定性以及独特的一维纳米结构，使其成为应用在微纳电子器件中的理想功能材料。与传统硅基电子器件相比，碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)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。

与主流的硅基半导体技术相比，制造碳纳米管器件最大的困难之一便在于如何有效地形成源漏电极。对于硅基器件而言，源漏金属经过退火可以与硅衬底形成硅化物材料，经过后续的湿法清洗工艺将侧墙表面上沉积的源漏金属去除掉。而对于碳纳米管器件来说，源漏金属难以与碳纳米管形成良好的合金接触，由此表现出与侧墙上金属类似的特征。因此，巨大的困难是如何高选择性地去除侧墙侧壁表面沉积的金属材料，最大限度的降低寄生电容影响，这是碳纳米管器件制造过程中面临的最大挑战之一。

在现有技术中，主要是通过在碳纳米管上先形成栅极叠层结构，然后沉积和刻蚀形成侧墙结构，再在整个晶圆表面上沉积相应的源漏金属材料。然后，结合光刻和合适的刻蚀去除侧墙表面上的金属，但这会因为光刻工艺的精准度不够而导致对准偏差问题，使得无法精确获得可控的源漏接触区，即这是一种非自对准的形成技术，会对后续的一系列工艺带来不可控的隐患。特别是随着器件尺寸的逐步缩小，对准偏差相比栅极线条尺寸的大小越来越不能忽视。因此，必须进一步改进碳纳米管器件源漏接触的制造工艺，减小去除侧墙上金属层的难度，从而形成精确的自对准的源漏接触电极，实现良好的欧姆接触。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种晶体管及其制造方法，在形成金属层时，利用牺牲层保护侧墙，使得侧墙表面不被金属层覆盖，避免了侧墙与金属层直接接触。

根据本发明的一方面，提供了一种晶体管的制造方法，包括：在衬底上形成碳纳米管；在所述碳纳米管上形成栅叠层结构；形成覆盖所述栅叠层结构的侧壁的侧墙；形成至少覆盖所述侧墙的牺牲层；形成覆盖所述碳纳米管与所述牺牲层的金属层，部分位于源漏区域的所述金属层作为与所述碳纳米管接触的电接触；采用湿法或干法刻蚀工艺去除所述金属层的一部分以暴露所述牺牲层；以及采用湿法或干法刻蚀工艺去除所述牺牲层以暴露所述侧墙，其中，当采用湿法或干法刻蚀工艺去除所述牺牲层时，所述牺牲层相比于所述碳纳米管、所述栅叠层结构、所述侧墙以及所述电接触具有预定选择比。

优选地，去除所述牺牲层的步骤包括：采用溶液溶解所述牺牲层，其中，覆盖所述牺牲层的金属层进入所述溶液中。

优选地，所述溶液溶解所述牺牲层的速率大于溶解所述金属层的速率。

优选地，所述溶液溶解所述牺牲层的速率大于溶解所述侧墙与所述栅叠层结构的速率。

优选地，去除所述金属层的步骤包括刻蚀或腐蚀所述金属层，并停止在所述牺牲层表面。

优选地，覆盖所述碳纳米管的金属层的厚度大于至少部分覆盖所述牺牲层的金属层的厚度，控制反应参数，使得刻蚀或腐蚀在暴露所述牺牲层时停止。

优选地，还包括在所述栅叠层结构上形成掩模层，所述侧墙覆盖所述掩模层的侧壁，所述牺牲层还覆盖所述掩模层的表面。

优选地，所述牺牲层还覆盖所述碳纳米管，形成所述金属层之前，所述制造方法还包括去除所述牺牲层的一部分以形成至少两个图形区域，其中，所述至少两个图形区域分别位于所述栅叠层结构的两侧，至少部分所述碳纳米管经所述图形区域暴露。

优选地，至少在所述碳纳米管的表面，所述牺牲层的厚度大于所述金属层的厚度。

优选地，当所述侧墙的材料包括氧化硅时，所述牺牲层的材料包括氮化硅、非晶硅、有机材料以及具有高流动性的旋涂介质中的一种或组合；当所述侧墙的材料包括氮化硅时，所述牺牲层的材料包括氧化硅、非晶硅、有机材料以及高流动性的旋涂介质中的一种或组合。

优选地，所述预定选择比不小于3:1。

根据本发明的另一方面，提供了一种晶体管，利用如上所述的制造方法形成。

根据本发明提供的晶体管及其制造方法，通过形成覆盖侧墙的牺牲层，当形成金属层时，金属层将会覆盖在牺牲层与碳纳米管上，经过牺牲层的隔离，避免了侧墙与金属层直接接触。当采用湿法或干法刻蚀工艺去除所述牺牲层时，牺牲层相比于其他功能层具有预定选择比，避免了在去除牺牲层的时候损伤其它功能层。在牺牲层被去除后，覆盖在牺牲层上方的金属层与器件分离，余下的金属层位于碳纳米管上，形成了源漏接触结构，以便源漏金属能够有效地与碳纳米管产生良好的浸润性，实现低电阻的欧姆接触。与现有技术相比，本发明提供的晶体管制造方法可以避免使用非自对准技术形成源漏接触结构，同时方便高效地去除了多余的金属层，形成精确的自对准源漏接触电极，提高了器件的良率。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。

图1示出了本发明实施例的晶体管的结构示意图。

图2a至图2f示出了本发明实施例制造晶体管的方法在各个阶段的截面图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，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器件。

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”。

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“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1示出了本发明实施例的碳纳米管晶体管的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例的晶体管包括：衬底101、碳纳米管110、栅叠层结构120、包括源极接触结构130和漏极接触结构140在内的电接触、掩模层102以及侧墙103。

碳纳米管110位于衬底101上。栅叠层结构120覆盖部分碳纳米管 110。掩模层102位于栅叠层结构120的表面。侧墙103位于栅叠层结构 120与掩模层102的两侧。源极接触结构130与漏极接触结构140覆盖至少部分碳纳米管110，并且分别位于栅叠层结构120两侧、侧墙103 的外侧，与栅叠层结构120间隔一定距离。

在一些实施例中，衬底101包括位于支撑衬底上的绝缘层。其中，支撑衬底主要起支撑作用，材料可以是硅、蓝宝石衬底、石英、玻璃、氧化铝等硬质绝缘材料，以及任何能够承载碳纳米管材料的衬底，但要具有非常平整的表面，同时均匀性也要满足需求。本实施例中以硅材料作为衬底，不作特别限定。绝缘层的材料包括氧化硅、氮化硅，以及PET、 PEN、聚酰亚胺等耐高温柔性绝缘材料。根据实际产品需要，可以选择不同的绝缘层材料，在本实施例中以氧化硅材料作为绝缘层，不作特别限定。在另一个实施例中，可以在衬底101上开槽，然后在槽中沉积碳纳米管110作为半导体层，而不仅仅是在平面上沉积半导体层。

本实施例中半导体层碳纳米管110包括平行排列整齐的碳纳米管阵列、碳纳米管自组装薄膜、碳纳米管网络状阵列以及或彼此任由上述多种方式组合的碳纳米管复合薄膜。除此之外，半导体层还可以为应变硅或锗、量子阱、三五族材料、二维材料如石墨烯、二硫化钼、黑磷等。

在本实施例中，栅叠层结构120包括堆叠在碳纳米管110上的栅介质层与栅极导体，其中，栅介质层的材料可以为传统的栅氧化层如氧化硅、氮氧化硅，也可以为高k(high-k)电介质材料如氧化铪、氧化锆、氧化钇、氧化钽、氧化铝、氧化镧或氧化镧铝等，厚度在1-10nm范围。根据需要，栅极导体有如下两种情况：当采用前栅工艺时，为单一或多层金属组成的复合结构；当采用后栅工艺时，则需要先采用假栅电极，其材料为非晶硅、多晶硅等。然后在经过一系列处理步骤后，采用干法或湿法刻蚀技术将其去除后填充金属栅等材料形成最终的栅极金属导体。

在本实施例中，碳纳米管晶体管为N型MOSFET时，源极接触结构130与漏极接触结构140的材料包括钪、钇、铝、钛、金、铂、钼、钾、钙等金属或其合金材料或其复合材料；碳纳米管晶体管为P型 MOSFET时，源极接触结构130与漏极接触结构140的材料包括钯、铝、钛、金、铂、钼、钾、钙等或其合金材料或其复合材料。

然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可根据需要对栅叠层结构120、源极接触结构130以及漏极接触结构140的材料进行其他设置。

图2a至图2f示出了本发明实施例制造晶体管的方法在各个阶段的截面图。

本发明实施例的方法开始于衬底101，在衬底101上依次形成碳纳米管110、栅叠层结构120、掩模层102以及侧墙103，如图2a所示，其中，关于衬底101、碳纳米管110、栅叠层结构120、掩模层102以及侧墙103的材料以及结构均可参照图1的相关描述，此处不再赘述。

在本实施例中，侧墙103可采用氧化硅/氮化硅的多层材料也可以采用氧化硅或氮化硅的单一材料组成，这需要根据不同的具体工艺要求而定。然后，采用合适的干法刻蚀工艺形成满足要求的侧壁形貌和宽度。由于侧墙侧壁1031的形貌取决于具体的刻蚀工艺的选择和栅极结构的集成工艺要求，一般地，侧墙侧壁1031的形貌往往不会完全呈现陡直的形状。

进一步的，覆盖碳纳米管110、掩模层102以及侧墙103形成牺牲层 104，如图2b所示。

在该步骤中，牺牲层104的厚度要大于随后沉积的金属薄膜的厚度，可以采用多种材料组成，这需要视具体的侧墙材料来定，即不能采用与侧墙材料相同的薄膜，而必须在二者间存在较高的刻蚀选择比，才能在后续工艺过程中将牺牲层去除，而不影响侧墙材料。例如当侧墙采用氧化硅时，牺牲层可以采用氮化硅、非晶硅、有机材料如BARC或具有高流动性的旋涂介质如SOG(Spin on glass)、SOC(Spin on carbon)等；当侧墙采用氮化硅时，牺牲层可以采用氧化硅、非晶硅、有机材料如BARC 或具有高流动性的旋涂介质如SOG(Spin onglass)、SOC(Spin on carbon) 等。它们可以采用化学气相沉积(Chemical VaporDeposition,CVD)工艺、原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition,ALD)或旋涂工艺等来形成。然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可根据需要对牺牲层 104的材料进行其他设置。

由于侧墙侧壁1031的形貌不完全呈现陡直形状，随后沉积其上形成的牺牲层104的形貌也会受到影响，使得牺牲层侧壁1041的形貌也不完全呈现陡直形状。进一步的，在源漏区域去除牺牲层104的一部分以形成多个图形，如图2c所示。

在该步骤中，例如采用合适的光刻工艺在牺牲层104上形成所需光刻图形，定义出多个开口的图形与位置，然后采用干法刻蚀工艺去除部分牺牲层104形成多个开口105，通过调试刻蚀的工艺参数，包括：反应压力、反应时间、反应温度、射频功率、气体流量等的一种或多种，控制刻蚀在到达碳纳米管110时停止。

在本实施例中，开口105位于器件的水平区域，并分别位于栅叠层结构120的两侧，并暴露部分碳纳米管110，由此定义出金属源漏接触区域。

进一步的，形成覆盖牺牲层104与碳纳米管110的金属层106，如图 2d所示。

在该步骤中，例如采用原子层沉积(Atomic layer deposition,ALD)工艺、物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)工艺形成金属层106。部分金属层位于开口中与碳纳米管110接触，其余部分位于牺牲层104 上，通过牺牲层104与侧墙隔离。

在本实施例中，当制作的碳纳米管晶体管为N型MOSFET时，沉积的金属层104的材料为钪、钇、铝、钛、金、铂、钼、钾、钙等或其合金材料，当制作的碳纳米管晶体管为P型MOSFET时，沉积的金属层 104的材料为钯、铝、钛、金、铂、钼、钾、钙等或其合金材料。

然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可根据需要对金属层106的材料进行其他设置。

在本实施例中，由于牺牲层侧壁1041的形貌不完全呈现陡直形状，因此金属层106的形貌会受到影响，例如采用PVD溅射工艺时，靠近牺牲层侧壁1041的中部位置(接近陡直部分)形成的金属层厚度较小，在器件的水平表面(例如碳纳米管110)上形成的金属层厚度较大。在本实施例中，位于器件的水平表面上的金属层厚度小于牺牲层厚度。

进一步地，去除部分金属层106以暴露至少部分牺牲层104，如图2e 所示。

在该步骤中，例如采用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺去除部分金属层106，通过调试刻蚀的工艺参数，包括：反应压力、反应时间、反应温度、反应速度、射频功率、气体或液体流量等的一种或多种，控制刻蚀在暴露部分牺牲层104时停止。由于靠近牺牲层侧壁1041的中部位置形成的金属层厚度较小，因此，中部位置的金属层最先被去除，从而暴露靠近牺牲层侧壁1041的中部位置的牺牲层104表面，此时，可以选择中止刻蚀或腐蚀的继续进行或者根据产品需要，待源漏开口区域的金属去除到一定厚度时再将刻蚀或腐蚀工艺停止。与此同时，在器件的水平表面上形成的金属层虽然也会被去除一部分，去除的厚度与近牺牲层侧壁1041的中部位置形成的金属层厚度相同。由于在器件的水平表面上形成的金属层厚度较大，因此当刻蚀或腐蚀停止时，位于水平表面的金属层还会有剩余。

需要注意的是，在该步骤中，通过控制反应时间、反应温度等条件，避免过度刻蚀或过度腐蚀将碳纳米管110表面上的金属层106被完全去除。

进一步的，去除牺牲层104以暴露侧墙103，如图2f所示。

在该步骤中，例如采用特定的溶液溶解牺牲层，使得溶液溶解牺牲层的速率远大于(如3：1)溶解金属层的速率，当牺牲层被溶液完全溶解后，覆盖牺牲层的金属层落入溶液中，而位于碳纳米管110上的金属层被保留，分别作为源极接触结构130与漏极接触结构140。在一些实施例中，也可以采用干法刻蚀技术去除牺牲层，但要求去除牺牲层的速率要远大于(如3：1)去除金属层的速率。

需要指出的是，上述不管是湿法还是干法刻蚀工艺均要求对源漏极的接触金属、侧墙材料及栅极金属等要有较高的选择性(如3：1以上)，否则在去除牺牲层104的过程中，将会极大的损伤上述相关功能层。

根据本发明提供的晶体管及其制造方法，通过形成覆盖侧墙的牺牲层，当形成金属层时，金属层将会覆盖在牺牲层与碳纳米管上，经过牺牲层的隔离，避免了侧墙在与金属层直接接触，当采用溶液溶解牺牲层时，覆盖牺牲层的金属层会随之进入溶液中，从而将覆盖在牺牲层上方的金属层与器件分离，形成了源漏接触结构，由于避免侧墙上直接被沉积上金属层，以减小去除侧墙上金属层的难度，从而形成精确的自对准的源漏接触电极，实现良好的欧姆接触。

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改。

Claims (8)

1.一种晶体管的制造方法，包括：

在衬底上形成碳纳米管；

在所述碳纳米管上形成栅叠层结构；

形成覆盖所述栅叠层结构的侧壁的侧墙；

形成至少覆盖所述侧墙的牺牲层；

形成覆盖所述碳纳米管与所述牺牲层的金属层，部分位于所述碳纳米管上的所述金属层作为与所述碳纳米管接触的电接触；

其中，覆盖所述碳纳米管的金属层的厚度大于至少部分覆盖所述牺牲层的金属层的厚度；通过刻蚀或腐蚀覆盖所述牺牲层的金属层，控制反应参数，使得刻蚀或腐蚀在暴露所述牺牲层时停止；以及采用湿法或干法刻蚀工艺去除所述牺牲层以暴露所述侧墙，

其中，当采用湿法或干法刻蚀工艺去除所述牺牲层时，所述牺牲层相比于所述碳纳米管、所述栅叠层结构、所述侧墙以及所述电接触具有不小于3:1的选择比。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，去除所述牺牲层的步骤包括：采用溶液溶解所述牺牲层，其中，覆盖所述牺牲层的金属层进入所述溶液中。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其中，所述溶液溶解所述牺牲层的速率大于溶解所述金属层的速率。

4.根据权利要求2所述的制造方法，其中，所述溶液溶解所述牺牲层的速率大于溶解所述侧墙与所述栅叠层结构的速率。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述牺牲层还覆盖所述碳纳米管，形成所述金属层之前，所述制造方法还包括去除所述牺牲层的一部分以形成至少两个图形区域，其中，所述至少两个图形区域分别位于所述栅叠层结构的两侧，至少部分所述碳纳米管经所述图形区域暴露。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其中，至少在所述碳纳米管的表面，所述牺牲层的厚度大于所述金属层的厚度。

7.根据权利要求1-6任一所述的制造方法，其中，当所述侧墙的材料包括氧化硅时，所述牺牲层的材料包括氮化硅、非晶硅、有机材料以及具有高流动性的旋涂介质中的一种或组合；

当所述侧墙的材料包括氮化硅时，所述牺牲层的材料包括氧化硅、非晶硅、有机材料以及高流动性的旋涂介质中的一种或组合。

8.一种晶体管，利用如权利要求1-7任一所述的制造方法形成。