專利名稱：場效應晶體管的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種場效應晶體管，尤其涉及一種基于碳納米管的場效應晶體管及其制造方法。
背景技術：
自從第一個IC(Integrated Circuit)誕生以來，以硅器件為基礎的微處理器產品的研發與制造在摩爾定律下以每18個月晶體管的數量翻一番的速度極速發展著。到2002年，微處理器已經含有7600萬個晶體管，能夠實現非常強大的功能。然而，科學界普遍認為摩爾定律不會永遠有效，50納米是現代半導體工藝的極限，而Intel的最新工藝是0.13微米，即硅極限將在10～15年內到達。
硅器件的基礎是硅原子組成的晶體。晶體中硅原子不連續的能極構成了能量帶，半導體中的電子在能量帶中運動。能帶的能量遠遠大于硅原子能極的能量，它會使電子從原子的特定能級中逸出。如果硅片上晶體管尺寸非常小，能帶導致的電子選出就會產生相鄰晶體管之間嚴重漏電，造成電子開關無法“關斷”。另外，晶體管尺寸過小也會給散熱造成巨大困難。這些物理性的難題將使提高硅器件集成度的成本越來越高。
自從1991年，Ijima發現碳納米管(具體參見Nature，1991，354，56)以來，1998年，IBM與NEC合作成功地用一根半導體性的碳納米管制成場效應晶體管(具體參見Applied Physics Letters，1998，73，2447)，從而拉開了用碳器件取代硅器件的序幕。該基于一根碳納米管的晶體管體現出良好地電學性能，當柵極電壓變動時，源極漏極間的電導變化為10萬倍。由于碳納米管的尺寸非常小，據預測，如果用碳納米管制成器件，其晶體管的密度可比當前最先進的0.13微米硅器件高6萬倍。
然而，上述用單根碳納米管制備的場效應晶體管需要采用特殊制備工藝，如使用原子力顯微鏡(AFM，Atom Force Microscope)進行加工，制備成本非常高，僅適合用于實驗階段，不適合于大規模生產。
因此，提供一種制備方法簡單、成本低、熱性能好的場效應晶體管十分必要。
發明內容為解決現有技術的技術問題，本發明的目的是提供一種制備方法簡單、成本低、熱性能好的場效應晶體管。
本發明的另一目的是提供此種場效應晶體管的制備方法。
為實現本發明的目的，本發明提供一種場效應晶體管，其包括一第一導電類型的半導體層；一第二導電類型的源極區域與一第二導電類型的漏極區域分別形成于上述半導體層，該源極區域與該漏極區域相距一定距離；一絕緣氧化層形成于上述半導體層，且位于上述源極區域與漏極區域之間；一源極電極、一漏極電極與一柵極電極分別形成于上述源極區域、漏極區域與絕緣氧化層，其中，該半導體層為一半導體性的碳納米管層。
本發明碳納米管層中碳納米管的直徑為2～10納米，高度為20～500納米，絕緣氧化層的材料為二氧化硅。
為實現本發明的另一目的，本發明還提供一種制備此種場效應晶體管的方法，包括以下步驟提供一第一導電類型的半導體性碳納米管層襯底；在上述碳納米管層襯底形成第二導電類型的源極區域與漏極區域，該源極區域與漏極區域相距一定距離；在碳納米管襯底上、源極區域與漏極區域之間形成一絕緣氧化層；分別設置金屬電極于上述源極區域、漏極區域與絕緣氧化層上。
與現有技術相比較，本發明的場效應晶體管具有如下優點其一，直接采用碳納米管層替代傳統場效應晶體管的硅襯底，能夠與傳統硅工藝技術相結合，適合大規模生產應用；其二，碳納米管本身具有極高的導熱系數，達到400～1000Watt/mK，因而可以有效地將晶體管工作所產生的熱量快速散掉，從而解決當集成度提高所存在的散熱問題；其三，由于采用碳納米管作為襯底，其納米級加工可以使得目前硅器件0.13微米的工藝變得更小，如60納米以下，所以每個晶體管之尺寸會變得更小，且由于碳原子本身比硅原子穩定，可以實現以更少的電子移動來完成晶體管的開關功能，從而能夠減少系統熱量的產生。
圖1是本發明的場效應晶體管的示意圖。
圖2是本發明的場效應晶體管的制備方法的示意圖。
具體實施方式下面將結合附圖及具體實施例對本發明進行詳細說明。
請參閱圖1，本發明提供一種場效應晶體管11，其包括一P型碳納米管層12襯底；一N型摻雜區域作為源極區域13與一N型摻雜區域作為漏極區域14分別形成于上述P型碳納米管層12，該源極區域13與漏極區域14相距一定距離；一絕緣氧化層15形成于上述P型碳納米管層12上，且位于上述源極區域13與漏極區域14之間；一源極電極131、一漏極電極141及一柵極電極151分別形成于上述源極區域13、漏極區域14與絕緣氧化層15上。其中，本實施例的絕緣氧化層15為二氧化硅層，金屬電極選自鋁、金或銅電極。
本發明進一步提供一種場效應晶體管11的制備方法，其包括以下步驟步驟10是提供一P型碳納米管層襯底；步驟20是在上述P型碳納米管層襯底相距一定距離通過離子注入方法進行摻雜，形成N型的源極區域與漏極區域，其中本實施例采用磷離子進行摻雜；步驟30是在碳納米管層襯底上、源極區域與漏極區域之間形成一絕緣氧化層；步驟40是分別設置金屬電極于上述源極區域、漏極區域與絕緣氧化層上，分別形成場效應晶體管的源極電極、漏極電極與柵極電極。
本發明碳納米管層襯底的形成方法包括以下步驟提供一基底，基底材料可選自碳、玻璃或硅；在基底上沉積一催化劑層，催化劑層的厚度為5～30納米，催化劑層沉積的方法可選用真空熱蒸鍍揮發法，也可選用電子束蒸發法。催化劑的材料可選用鐵、鈷、鎳、鉑、鈀或其合金，本實施方式選用鐵作為催化劑材料，其沉積的厚度為10納米；將帶有催化劑層的基底置于空氣中，退火以使催化劑層氧化、收縮成為納米級的催化劑顆粒。待退火完畢，再將分布有催化劑顆粒的基底置于反應室內(圖未示)，通入碳源氣乙炔以及保護氣體氬氣，利用低溫熱化學氣相沉積法，在上述催化劑顆粒上生長碳納米管，形成碳納米管薄膜，碳源氣亦可選用其它含碳的氣體，如乙烯、苯、一氧化碳等。其中，以苯作為碳源氣時，其保護氣體應選用氫氣，以一氧化碳作為碳源氣時，其催化劑應選用五羰基鐵Fe(CO)5。本發明生成的碳納米管的直徑為2～10納米，高度為20～500納米，低溫化學氣相沉積法的生長溫度為550～600攝氏度。
本實施例的場效應晶體管11為P溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管，本領域的技術人員應明白，對N型碳納米管層襯底進行P型摻雜即可形成N溝道型金屬氧化物半導體場效應晶體管。同樣，用半導體型碳納米管層取代傳統晶體管的硅襯底亦可形成結型場效應晶體管，絕緣柵型場效應晶體管等其它場效應晶體管。
本發明的場效應晶體管具有如下優點其一，直接采用碳納米管層替代傳統場效應晶體管的硅襯底，能夠與傳統硅工藝技術相結合，適合大規模生產應用；其二，碳納米管本身具有極高的導熱系數，達到400～1000Watt/mK，因而可以有效地將晶體管工作所產生的熱量快速散掉，從而解決當集成度提高所存在的散熱問題；其三，由于采用碳納米管作為襯底，其納米級加工可以使得目前硅器件0.13微米的工藝變得更小，如60納米以下，所以每個晶體管的尺寸亦變得更小，且由于碳原子本身比硅原子穩定，可以實現以更少的電子移動來完成晶體管的開關功能，從而能夠減少系統熱量的產生。
權利要求
1.一種場效應晶體管，其包括一第一導電類型的半導體層；一第二導電類型的源極區域與一第二導電類型的漏極區域分別形成于上述半導體層，該源極區域與該漏極區域相距一定距離；一絕緣氧化層形成于上述半導體層，且位于上述源極區域與漏極區域之間；一源極電極、一漏極電極與一柵極電極分別形成于上述源極區域、漏極區域與絕緣氧化層，其特征在于，該半導體層為一半導體性的碳納米管層。
2.如權利要求1所述的場效應晶體管，其特征在于該碳納米管層中碳納米管的直徑為2～10納米，高度為20～500納米。
3.如權利要求1所述的場效應晶體管，其特征在于該第一導電類型為P型，第二導電類型為N型。
4.如權利要求1所述的場效應晶體管，其特征在于該第一導電類型為N型，第二導電類型為P型。
5.如權利要求1所述的場效應晶體管，其特征在于該絕緣氧化層的材料為二氧化硅。
6.一種場效應晶體管的制備方法，包括以下步驟提供一第一導電類型的半導體性碳納米管層襯底；在上述碳納米管層襯底形成第二導電類型的源極區域與漏極區域，該源極區域與漏極區域相距一定距離；在碳納米管襯底上、源極區域與漏極區域之間形成一絕緣氧化層；分別設置金屬電極于上述源極區域、漏極區域與絕緣氧化層上。
7.如權利要求6所述的場效應晶體管的制備方法，其特征在于該碳納米管層的形成方法包括以下步驟提供一基底；在基底上沉積一催化劑層；通入碳源氣，利用低溫熱化學氣相沉積法，形成碳納米管薄膜。
8.如權利要求7所述的場效應晶體管的制備方法，其特征在于該基底材料選自碳、玻璃或硅。
9.如權利要求7所述的場效應晶體管的制備方法，其特征在于該碳源氣選自乙炔、乙烯、苯或一氧化碳。
10.如權利要求7所述的場效應晶體管的制備方法，其特征在于該催化劑材料選自鐵、鈷、鎳、鉑、鈀或其合金。
11.如權利要求7所述的場效應晶體管的制備方法，其特征在于該低溫化學氣相沉積法的生長溫度為550～600攝氏度。
12.如權利要求6所述的場效應晶體管的制備方法，其特征在于該源極區域與漏極區域的形成方法為離子注入法。
全文摘要
一種場效應晶體管，其包括一第一導電類型的半導體層；一第二導電類型的源極區域與一第二導電類型的漏極區域分別形成于上述半導體層，該源極區域與該漏極區域相距一定距離；一絕緣氧化層形成于上述半導體層，且位于上述源極區域與漏極區域之間；一源極電極、一漏極電極與一柵極電極分別形成于上述源極區域、漏極區域與絕緣氧化層，其中，該半導體層為一半導體性的碳納米管層。
文檔編號H01L21/336GK1767208SQ20041005203
公開日2006年5月3日 申請日期2004年10月28日 優先權日2004年10月28日
發明者陳杰良 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司, 鴻海精密工業股份有限公司