[發(fā)明專利]薄膜晶體管的制備方法及頂柵極式薄膜晶體管

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210136709.5
• 申請(qǐng)日: 2012-05-04
• 公開（公告）號(hào): CN102856169A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高騏;蕭鉉樺;鄭百勝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 高騏
• 主分類號(hào): H01L21/04
• 分類號(hào): H01L21/04;H01L29/786;H01L29/16;B82Y10/00
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明關(guān)于一種薄膜晶體管的制備方法及頂柵極式薄膜晶體管，尤其是一種使用單壁納米碳管層作為通道層的薄膜晶體管的制備方法及頂柵極式薄膜晶體管。

背景技術(shù)

自從1993年發(fā)現(xiàn)納米碳管以來(lái)，其合成及應(yīng)用的研究有如雨后春筍般展開。其中，日本東京大學(xué)丸山團(tuán)隊(duì)率先利用酒精催化化學(xué)氣相沉積(ACCVD)制備出高純度單壁納米碳管。由于其制得的納米碳管具有電性優(yōu)良、制作工藝簡(jiǎn)易及可以利用黃光光刻技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，得以運(yùn)用于各種光電元件之中，因此最受到學(xué)者重視。

另一方面，隨著晶體管的制作工藝技術(shù)發(fā)展及尺寸微縮，必須尋找新的材料來(lái)取代，以期繼續(xù)符合未來(lái)使用需求。曾有團(tuán)隊(duì)研究利用將碳管以分散方式制作出P型單壁納米碳管網(wǎng)晶體管，其開關(guān)比可達(dá)106且場(chǎng)效載子移動(dòng)率可達(dá)7cm²/Vs。

大多數(shù)納米碳管晶體管操作時(shí)大多為P型特性，這被歸咎于納米碳管暴露在大氣之下，會(huì)自行與氧氣結(jié)合所導(dǎo)致，而相關(guān)研究中也有利用退火、摻雜鉀元素等方法以有效控制晶體管的N、P型操作。

此外，H.Dai團(tuán)隊(duì)提出了碳管的半徑與能隙大小及不同金屬與碳管的功函數(shù)的調(diào)整會(huì)促使晶體管的特性改變的論點(diǎn)。IBM研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)納米碳管與電極的接面對(duì)功函數(shù)很敏感，在接面處會(huì)吸收氧氣而造成接面金屬功函數(shù)上升，功函數(shù)的上升會(huì)使負(fù)電壓側(cè)電子仍然可以通過，但相反的負(fù)電壓側(cè)的電洞由于接面勢(shì)壘過高而被截止。

在過去研究中，大多是針對(duì)單根碳管，對(duì)于納米碳網(wǎng)晶體管的摻雜研究很少，而納米碳管薄膜因制作工藝簡(jiǎn)易、與IC制作工藝兼容，可發(fā)展大面積制備的優(yōu)勢(shì)，將是未來(lái)新納米晶體管的主流材料之一。

曾有人提到半導(dǎo)體單壁納米碳管若吸附氮?dú)鈱?huì)成為N型半導(dǎo)體特性，而吸附了氧氣會(huì)成為P型特性。然而，發(fā)明人先前曾嘗試直接對(duì)納米碳管薄膜通入氮或氧氣體并進(jìn)行高溫回火，結(jié)果發(fā)現(xiàn)會(huì)使元件特性(如，場(chǎng)效移動(dòng)率及轉(zhuǎn)移電導(dǎo)等)下降許多，且通過拉曼分析發(fā)現(xiàn)其G/D比值下降許多，亦即，直接對(duì)碳管薄膜回火會(huì)造成碳管薄膜結(jié)構(gòu)損害，因此無(wú)法直接應(yīng)用于薄膜晶體管的制作。

因此，本領(lǐng)域需要開發(fā)出一種新的單壁納米碳管的薄膜晶體管的制備方法，可將單壁納米碳管的雙極性改變成單極，而可利用單壁納米碳管作為薄膜晶體管的通道層。

發(fā)明內(nèi)容

由此，本發(fā)明提供了一種薄膜晶體管的制備方法，包括步驟：(A)提供一基板；(B)于該基板表面形成一源極電極、一漏極電極、以及一單壁納米碳管層，其中源極電極與漏極電極相隔一距離配置，且單壁納米碳管層配置于源極電極與漏極電極之間；(C)于單壁納米碳管層的表面形成一柵極氧化層；(D)以氧氣或氮?dú)饣鼗鹛幚碓摉艠O氧化層的表面；以及(E)形成一柵極于柵極氧化層的表面；其中，步驟(D)中，以氧氣或氮?dú)饣鼗鹛幚碓摉艠O氧化層的溫度為500℃至600℃。

本發(fā)明利用氮?dú)馀c氧氣回火的方法，于形成柵極氧化層于單壁納米碳管層的表面后進(jìn)行回火，通過調(diào)整不同的回火參數(shù)，將單壁納米碳管的雙極性改變成單極，制備成晶體管元件。詳細(xì)地說，先覆蓋柵極氧化層(如，HfO_x)后，再進(jìn)行回火，一方面可使柵極氧化層的介電常數(shù)增加，另一方面氮或氧氣體在回火過程中會(huì)滲透通過氧化層到達(dá)碳管使之改變特性。

現(xiàn)有技術(shù)中，以氮或氧氣體直接通入于納米碳管薄膜會(huì)造成元件特性下降以及G/D比下降的現(xiàn)象，因此無(wú)法制作出具有優(yōu)秀元件特性的薄膜晶體管。但相反地，本發(fā)明的技術(shù)不僅可維持納米碳管薄膜的G/D比值，更可使元件特性(如轉(zhuǎn)移電導(dǎo)、開關(guān)電流比、場(chǎng)效載子移動(dòng)率等)增加，此為現(xiàn)有技術(shù)所無(wú)法達(dá)成的效果。

本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法中，該柵極氧化層的材料較佳為氧化鉿(HfO_x)。本發(fā)明中利用如濺射的方法沉積氧化鉿，于未回火狀態(tài)下，單壁納米碳管層元件呈現(xiàn)雙極性特性。而經(jīng)由使用不同氣體與不同參數(shù)針對(duì)柵極氧化層進(jìn)行回火后，發(fā)現(xiàn)可有效抑制元件的雙極性特性而變成單一極性晶體管，不僅如此，通過回火制作工藝亦使得元件的其他特性增加，如轉(zhuǎn)移電導(dǎo)、開關(guān)電流比、場(chǎng)效載子移動(dòng)率等。

最常作為碳管晶體管的柵極氧化層材料是二氧化硅(SiO₂)，因?yàn)椴牧先菀兹〉们抑谱鞴に嚭?jiǎn)單，但二氧化硅僅可單純作為柵極氧化層，并無(wú)法使用其他氣體使之明顯提高其介電常數(shù)，而利用氮?dú)饣蜓鯕饣鼗饡r(shí)，此兩種氣體無(wú)法再次與二氧化硅作用，氮或氧原子不會(huì)滲透至碳管，因此本發(fā)明中，較佳以氧化鉿薄膜作為柵極氧化層。

本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法中，柵極氧化層的厚度較佳可為5nm-30nm。