TWI311344B - A self-aligned field-effect transistor structure and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

1311344 patterned electrodes. 七、指定代表圖： (一)本案指定代表圖為：圖（2B)。 (一)本代表圖之元件符號簡單說明·· 200 基底 202 介電層 204 導體電極（源極、汲極） 206 背面導體電極（閘極） 212 奈米碳管（半導體導電通道) 八、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵 的化學式： 九、 發明說明： 【發明所屬之技術領域] 本發明是有關於一種積體電路元件及其製作方法， 且特別是有關於一種自動對準場效電晶體及其製作方 法。 【先前技術】 在高積集度的半導體元件中，一般使用金氧半場效 電晶體（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) 作為基本的邏輯元件，利用高濃度參雜單晶石夕、複晶石夕 製作源極(source)、汲極(drain)、與閘極(gate)等電極。 介電層（dielectric layer)則是以矽晶圓高溫下氧化長成之 氧化層構成。為付合莫爾定律之要求’元件線寬持續向 4 1311344 下，正，當通道長度至45奈米以下’目前的金氧半場效 電晶體將屆技術賴。新式元件設計與材料選用將成關 鍵。 立圖1A為習知一種金氧半場效電晶體結構之剖面示 意圖。請參照圖1A，金氧半場效電晶體結構l〇a包含基 底100、介電層1〇2、源極與汲極1〇4、閘極1〇6。源極與 汲極104配置於基底100中。介電層1〇2配置於基底1〇〇上。 閘極106配置於介電層1〇2上。 以奈米碳管製作場效電晶體之技術文件已在國内外 相關期刊有所發表，除扮演取代金氧半場效電晶體的基 =邏輯元件外，亦利用奈米碳管通道作為感測氣體、葡 萄糖、蛋白質之生物感測元件。 圖1B為國内外期刊已發表之奈米碳管場效電晶體之 剖面示意圖。請參照圖1B，奈米碳管場效電晶體結構1〇b 包含基底100、介電層1〇2、閘極1〇6、催化劑層⑽(鐵 或銘或鎳）、源極與汲極114、奈米碳管112。閘極1〇6配 置於基底100中。介電層102配置於基底1〇〇上。催化劑層 108配置於介電層1〇2上。奈米;e炭管配置於介電層上，催化 劑層108間。源極與汲極114配置於催化劑層ι〇8上。另外 為簡化製程，可省略基底100中之閘極106，以高濃度摻雜 删或構之石夕基底取代作為背電極。 在奈米碳管場效電晶體結構l〇b中，奈米碳管112是以 化學氣相沈積的方式形成於介電層102上，催化劑層1〇8 間。再將源極與沒極114定義在催化劑層108上，奈米碳管 112兩端。催化劑層1〇8之成份與前處理，將影響奈米碳管 5 1311344 112之性質。故奈米碳管112有機會同時形成金屬性 (metallic )與半導體性（semiconducting )。若奈米碳管112 為金屬性，則元件失去場效性質而無法組成場效電晶體。在 1產化製程中，鐵元素不適用於現有之半導體工業製程，故 催化劑層108須排除鐵的使用’另外催化劑層1〇8相對地增 加畺產的複雜性(光罩、前處理、製程參數、導電性源極没極 與催化劑層之接觸）。為加速奈米碳管場效電晶體的量產化，

須尋求相容於現有之半導體卫業製㈣材料、結構作為奈米 碳管催化劑。 【發明内容】 本發明的目的就是在提供一種奈米碳管場效電晶體結 ，具有可同時擔任催化劑與雜汲極之電極，並藉成份、 =與前處理㈣奈米碳管之性質，使㈣圓上所有元件組 成自動對準奈米碳管場效電晶體。 介電ί發:種電晶體結構’此電晶體結構包含基底、 有二：源極與汲極、閘極、奈米碳管。基底中具 雷:卜i私曰配置於基底上。催化性源極與汲極配置於介 且:炭管配置於介電層上，催化性源極於汲極間， 中'催^源極汲極電性連接。另外為簡化製程 Γ高濃度摻雜石夕基底取代作為背電極。土 體結 之 矽晶圓 管場效電晶體 州如為雜哪切晶®或摻雜磷 構 6 1311344 高度摻_之_取代，為-未 依知本發明實施例所述之奈米碳管場效電晶體結 ^述之介電層材料例如為二氧化啊卿)或其他熟知 ，南）丨電材料，如二氧化給(Hf〇2)、二氧化锆(Zr〇2)、二 乳化组(Ta〇2)、二氧化㈣卿 化給 (HfSiN02)…等。 ’ 依妝本發明實施例所述之奈米碳管場效電晶體結 構’上述之介電層材料例如為二氧化秒，且二氧化石夕的 厚度介於1至500 nm。 依照本發明實施例所述之奈米碳管場效電晶體結 構，上述之催化性源極與汲極的材料例如鈷、鎳的矽化 物，矽化鈷(CoSix)或矽化鎳(NiSix)。 、、依照本個實關之奈轉管場效電晶體結構，上 述之催化性源極與汲極的材料例如為低阻值相矽化鈷 (CoSi2) 〇

依照本發明實施例所述之奈米碳管場效電晶體結構的 製作方法，利用石夕、銘、鈦之多層結構，在6〇〇。〇至9〇〇。〇 範圍間，最佳在80(TC至90(TC範圍間，形成低阻值相矽化 鈷(CoSi2：)。 依照本發明實施例所述之奈米碳管場效電晶體結構的 製作方法，上述之形成奈米碳管的方法例如為化學氣相沈積 法0 依照本發明實施例所述之奈米碳管場效電晶體結構的 製作方法’上述之奈米碳管形成溫度例如介於至9〇〇°c 7 1311344 範圍間，最佳在800°C至900°C範圍間。且壓力例如介於1tore 至10 tore，最佳在1 tore附近。所通入之氣體例如為乙炔 (CAX其他例如曱烷ch4、酒精C2H5〇H、曱苯C6H6CH3)、 氫氣(H2)、氬氣(Ar)。 依照本發明實施例所述之奈米碳管場效電晶體結構的 製作方法，上述之乙炔與氫氣的流量比例如介於0.5至8範 圍間。較佳如3至8範圍間。 本發明實施例完成之奈米碳管場效電晶體SEM及場效 電晶體特性如圖3及圖4所示。在本發明之奈米碳管場效 電晶體結構的製作過程中，由於直接將奈米碳管形成於 含有形成奈米碳管之用的矽化鈷催化性源極汲極間，省 去了額外形成奈米碳管的催化劑層之步驟，因此使得製 程更為簡單’若先以圖形化製程定義好場效電晶體的源 極與没極的位置，再透過化學氣相沈積法合成奈米碳 管，即可達到量產的目的。 【實施方式】 圖2A至圖2B為依照本發明實施例所繪示的奈米碳 管場效電晶體結構之製作流程剖面圖。首先，提供基底 2〇〇 ’基底中具有閘極206。閘極206例如為高濃度摻雜 磷之多晶矽。形成方法例如在基底2〇〇上沈積高濃度摻 雜之多晶矽，再進行微影與蝕刻製程，定義閘極2〇4 形。 請繼續參照圖2A，於閘極206上形成介電層202。 介電層202的材料例如為二氧化矽，二氧化矽的厚度介 於1 nm至50〇nm範圍間，較佳為511111至5〇〇11111範圍 8 1311344 在"電層202上形成催化性源極與沒極204。 ίΐ!ί! θθΒ^(Ρ〇1^ ' #(c〇)' ^(T〇^>i 及枉Jo二層2G2上，再以微影與餘刻製程定義源極與 ί 彡’最後在峨至靴溫度範關，形成低 =树聽。可利祕、鈦金屬_厚度的調變，控制 取後形成之魏録厚度，銘金屬薄膜厚度在。5肺至如

ΓΛ圍/曰 1 ’較佳為在1 nm至10 nm範圍間，鈦金屬薄 Μ厚度在1 nm至20 nm範圍間，形成之矽化鈷厚度在3 nm至40 nm範圍間。 繼續參照圖2A，在介電層202上形成催化性源極與 及極204。催化性源極與汲極的材料例如為石夕化銘。催化 j·生源極與汲極2〇4除作為奈米碳管場效電晶體之金屬電 極外’亦作為形成奈米碳管212所需之催化劑。 利用化學氣相沈積法形成之奈米碳管212必須藉催 始此合成’故奈米碳管將只會在已定義之催化性源 虽與;及極間2〇4形成’而不會在晶圓上無催化性源極與 及極處形$ ’即所謂的自動對準形成奈米碳管犯，達到 ，面積量產自動對準奈米碳管場效電晶體之目的，可在 整片晶圓上同時形成奈米碳管場效電晶體。 接著參照圖2B ’於介電層2〇2上，催化性源極與汲 極間形成奈米碳管212，且奈米碳管212與催化性源極與 及，2〇4電性連接。形成奈米碳管m的方式例如為化 學氣相沈積法。形成奈米碳管犯的製程溫度例如介於 6〇〇°C至90(TC範圍間’且製程壓力介於1丁〇汀至1〇T〇rr 9

1311344 範圍間，通入之氣體例如為乙炔(C2H2)、氮氣㈣與 氣(Ar)。其中乙炔流量例如介於1〇咖至8〇 s簡範^ 間。乙炔與氫氣流量比例如介於〇 5至8範圍間。在最佳 的實施例中’製程溫度例如為如叱，製程壓力例如為i Torr ’乙块與虱氣之流量比例如為6 : 1。 在本實施例中，々⑽作為奈米碳管形成必需之 巧，同_作為源極姐極2。4之電極材料。在奈米 石厌官形成所需之高溫過程6〇〇。(：至9〇(TC中，矽化鈷亦 時形成，並催化奈米碳管212形成。在本實施例中，^ 阻值相魏祕高溫製節啊）切成催化性源極與沒 極2〇4，在此同時，奈米碳管212直接配置於催化性源極 與沒極2G4㈤’並與低阻值相魏鉛電性連接。故藉 變録、鈦金屬薄膜厚度，及形成奈米碳212所需之势程 溫度，可控制奈米碳管212密度、石墨化程度、電極材 料石夕化狀喊。妹佳之製雜件下，本發明之 對準奈米碳管觀電晶體結構鳥，有效提高奈米碳管 212之石墨化程度’及呈現電晶體之場效特性。 綜上所述’在本發明之場效電晶體結構滿中，直 接將奈米碳管212形成並配至於催化性源極與汲極綱 間’且利用矽化鈷之形成條件(銘、 ;溫巴有效提？米碳管212之石墨 二米炭g 212之在度。組成之奈米碳管場效電晶體獅 電晶體之特性。透過本發明之製程，可有效組成 不米石厌官场效電晶體20b’簡化製程，整合現有之半導體 製程技術、材料，達到量產化之目的。 1311344 本發明已以實施例公開於上’但並非用以限定 之:可作些許之調變，因此本發明以 固田視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖示簡單說明】 L1A為習知一種金氧半場效電晶體結構之剖面示

=二為習知-種奈米碳管場效電晶體結構之剖面 3=至® 2 B為依照本發明實施例崎示的 準不米碳管場效電晶體結構之製作流裡剖面十 m依肖本發明實施例完成之奈米碳管場效電， 柃描式電子顯微鏡圖。 日日體 :性4圖為依照本發明實施例完成购 【主要元件符號說明】 l〇a :金氧半場效電晶體結構。 10b :奈米碳管場效電晶體結構。 100、200 :基底。 102、202 :介電層。 1〇4、204 :金氧半場效電晶體之源極與及極 106、206 :閘極。 108 :催化劑層 11 Ι3Ί1344 114 :奈米碳管場效電晶體之源極與汲極。 112、212 :奈米碳管。 204 :奈米碳管場效電晶體之催化性源極與汲極 十、申請專利範圍： 1. 一種場效電晶體結構，包括： 一閘極層； 一介電層，配置於該基底之上； 催化性金屬電極，配置於介電層之上；以及 奈米碳管，配置於介電層之上，兩催化性金屬電極之 間，且與兩金屬電極之間電性連接。 2. 如申凊專利範圍第1項所述之場效電晶體結構，其中 基底為掺入雜質之低阻值矽材料。 3·如申睛專利範圍第1項所述之場效電晶體結構，其中 基底為抗南溫砍化物如CoSb及其衍生物等。 4. 如申請專利範圍第1項所述之場效電晶體結構，其中 基底為抗尚溫金屬或化合物如W，Ta，TaN，TiN， WN及以上金屬及化合物之衍生物等。 5. 如申請專利範圍第1項所述之場效電晶體結構，其中 電層為一氧化石夕，或熟知的高介電材料如二氧化 12

Claims (1)

1. Ι3Ί1344 114 :奈米碳管場效電晶體之源極與汲極。 112、212 :奈米碳管。 204 :奈米碳管場效電晶體之催化性源極與汲極 十、申請專利範圍： 1. 一種場效電晶體結構，包括： 一閘極層； 一介電層，配置於該基底之上； 催化性金屬電極，配置於介電層之上；以及 奈米碳管，配置於介電層之上，兩催化性金屬電極之 間，且與兩金屬電極之間電性連接。 2. 如申凊專利範圍第1項所述之場效電晶體結構，其中 基底為掺入雜質之低阻值矽材料。 3·如申睛專利範圍第1項所述之場效電晶體結構，其中 基底為抗南溫砍化物如CoSb及其衍生物等。 4. 如申請專利範圍第1項所述之場效電晶體結構，其中 基底為抗尚溫金屬或化合物如W，Ta，TaN，TiN， WN及以上金屬及化合物之衍生物等。 5. 如申請專利範圍第1項所述之場效電晶體結構，其中 電層為一氧化石夕，或熟知的高介電材料如二氧化 12 1311344 給(Hf02)、二氧化鍅(Zr〇2)、二氧化鉬(Ta〇2)、二氧 化給矽(HfSi〇2)、二氧化铪矽氮(HfSiN〇2)及以上化 合物之衍生物等，且該介電層厚度介於1 nm至 500nm ’ 較佳為在 1 〇 nm 至 5〇〇nm。 6. 如申請專利範圍第丨項所述之場效電晶體結構，其中 催化性金屬電極為石夕化銘，及石夕化始之衍生物。 7. 如申凊專利範圍第1項所述之場效電晶體結構，其中 催化性金屬電極為矽化鎳，及矽化鎳之衍生物。 8. —種場效電晶體結構的製作方法，包括： 提供一基底； 於該基底上形成一介電層； 於介電層上形成催化性金屬電極；

   於電層上、兩催化性金屬電極之間形成奈米碳管，奈 米碳管與兩催化性金屬電極間為電性連接。 9·如申請專利範圍第8項所述之場效電晶體結構的製 作方法，其中基底為摻入雜質之低阻值石夕材料。 1〇·如申請專利範圍第8項所述之場效電晶體結構的製 作方法’其中介電層為高溫氧化錢積而成之二氧 切’或熟知關贱積㈣之高介電材料如二氧 13 1311344 化铪(Hf02)、—氧化锆(Zr〇2)、二氧化钽(丁叫、二 氧化給破(HfSi〇2)、二氧化給♦氮(腦漏2) 及以上 金屬及化合物之时物等，且該介電層厚度介於1 至5〇〇nm，較佳為在至500nm。 U.如申請專利範圍第8項所述之場效電㈣結_製

   作方法其中催化性金屬電極為石夕化銘，及石夕化链 之衍生物。 12·如申料職_ 11項所述之場效Μ體結構的 製作方法，其中形成魏钻之方法包括利用高溫退 火導致過渡金屬财於介面處相散，發生石夕化 反應，形成矽化物。 13.如申請專利範圍第11項所述之場效電晶體結構的 製作方法，其巾形成催化性金屬電極之方法包括物 理氣相沈鑛，錄金屬薄轉度細崎至2〇麵 辄圍間’較佳為在1醜至1〇_範圍間，鈦金屬薄 膜厚度在丨至2〇議範„，形成^化姑厚度 在3 ηηι至40 nm範圍間。 二申明專利犯圍第8項所述之場效電晶體結構的製 作方法，其中形成奈㈣管之方法包括化學氣相沈 14 1311344 積法。 15. 如申請專利範圍第14項所述之場效電晶體結構的 製作方法，其中形成該奈米碳管時的溫度介於600°C 至900°C之間，且壓力介於1 Torr至lOTorr之間， 所通入的氣體包括反應氣體乙炔(C2H2)，其他反應氣 體例如甲烷CH4、酒精C2H5OH、曱苯C6H6CH3，載氣， • 如氫氣(¾)、氬氣(Ar)。 16. 如申請專利範圍第15項所述之場效電晶體結構的 製作方法，其中乙块的流量介於10 seem至80 seem 範圍間，較佳為介於60 seem至80 seem範圍間。 17. 如申請專利範圍第15項所述之場效電晶體結構的製 作方法，其中氫氣的流量介於1 seem至100 seem範 φ 圍間，較佳為介於10 seem至20 seem範圍間。 18. 如申請專利範圍第15項所述之場效電晶體結構的 製作方法，其中氬氣的流量介於4 seem至400 seem 範圍間，較佳為介於90 seem至180 seem範圍間。 19. 如申請專利範圍第15項所述之場效電晶體結構的 製作方法，其中乙炔與氫氣的流量比介於0.5至8 範圍間，較佳為介於3至8範圍間。 15