一种基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构

1.本公开涉及半导体技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构。


背景技术：

2.随着晶体管特征尺寸的缩小，由于短沟道效应、漏致势垒降低效应等物理规律和制造成本的限制，主流的硅基cmos技术已经难以在现有技术节点上有更大的突破，摩尔定律的延续受到严重阻碍。为此，研究人员开始探索其他材料用作导电沟道的可能性。目前，碳基材料纳米电子学得到了业界广泛的关注，特别是以碳纳米管作为沟道材料的场效应晶体管由于其迁移率高、近弹道输运、大的电流密度、制造工艺兼容性好等优势，具有取代传统硅基材料器件的潜力。
3.碳纳米管因其低维材料的特性决定了它的金属氧化物半导体电容为一种横向结构，而非传统体材料的垂直电容结构。因此，在垂直结构中影响很小的横向电阻将在碳纳米管电容结构中变得不可忽略，增加了介质和界面特性提取的难度，极大地影响了结果的准确性。碳纳米管的长度一般只有几个微米，而现有电容测试结构的金属栅极的长度远大于单根碳纳米管的长度，故其下覆盖的碳纳米管之间会出现搭接，在增大半导体材料的横向电阻的同时还引入了碳纳米管截面处的界面态。
4.综上，亟需设计一种新式的碳纳米管电容结构，有效解决现有结构横向电阻过大、界面态不准确的问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本公开提供了一种基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构，旨在解决现有电容结构中横向电阻过大、界面态不准确的问题。
6.本公开的提供了一种基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构，包括：衬底；碳纳米管薄膜层，位于衬底上；底电极金属层，部分位于碳纳米管薄膜层上，另一部分位于衬底上；金属氧化物层，位于碳纳米管薄膜层上；顶电极金属层，位于金属氧化物层上；其中，碳纳米管薄膜层和顶电极金属层为圆环结构。
7.进一步地，碳纳米管薄膜层、底电极金属层、金属氧化物层与顶电极金属层为同圆心的圆环结构，其中，底电极金属层为具有开口的圆环结构。
8.进一步地，顶电极金属层的圆环内径大于碳纳米管薄膜层的圆环内径；顶电极金属层的圆环外径小于底电极金属层的圆环内径；金属氧化物层的圆环内径小于顶电极金属层的圆环内径；金属氧化物层的圆环外径大于顶电极金属层的圆环外径。
9.进一步地，碳纳米管薄膜层中多根碳纳米管呈网络状或阵列式分布。
10.进一步地，碳纳米管薄膜层的内直径为5nm～1mm，其环宽为5nm～20μm。
11.进一步地，底电极金属层与碳纳米管薄膜层交叠部分的宽度为
12.进一步地，还包括：第一电极平板金属层，位于衬底或金属氧化物层上，且一端与
顶电极金属层连接；第二电极平板金属层，位于衬底或金属氧化物层上，且一端与底电极金属层连接。
13.进一步地，底电极金属层为钯、钛、金、铂、钨、镍、铜、锌、镉或铝一种或多种；顶电极金属层为钛、金、铝、铂、钨、镍、铜、锌或镉中的一种或多种。
14.进一步地，金属氧化物层为铝基、锆基、铪基、钆基、镓基、镧基或钽基氧化物中的一种或多种。
15.进一步地，衬底为生长预置厚度的二氧化硅层的硅衬底、石英衬底或蓝宝石衬底。
16.本公开提供了一种基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构，其顶电极金属层和碳纳米管薄膜层采用圆环状结构，电极宽度可以做的很窄，整个电极覆盖的碳纳米管薄膜中碳纳米管之间互相搭接的区域很小，可以有效地减小横向电阻；尽可能地减小了碳纳米管之间不连续区域的覆盖面积，从而提高界面态密度等电学特性测试和提取的准确性。实验测试结果显示，相比现有技术结构，本公开提供的基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构的电容-电压曲线频散明显要更小。因此，本公开提供的金属氧化物半导体电容结构可以准确的表征碳纳米管场效应晶体管栅介质和介质-界面电学特性，在为碳纳米管场效应晶体管栅介质和界面的优化提供指导、促进碳纳米管场效应晶体管和集成电路实现规模化制造等方面具有重要的应用价值。
附图说明
17.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
18.图1示意性示出了根据本公开一实施例的基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构的俯视图；
19.图2示意性示出了图1中基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构在a-a方向的横截面图；
20.图3示意性示出了现有技术中电容结构的电容-电压曲线；
21.图4示意性示出了根据本公开一实施例的顶电极金属圆环内径为60μm时的基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构的电容-电压曲线。
具体实施方式
22.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
23.应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
24.在详述本公开实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本公开保护的范围。此外，在实际制作中
应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
25.本公开提供了一种基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构，包括：衬底；碳纳米管薄膜层，位于衬底上；底电极金属层，部分位于碳纳米管薄膜层上，另一部分位于衬底上；金属氧化物层，位于碳纳米管薄膜层上；顶电极金属层，位于金属氧化物层上；其中，碳纳米管薄膜层和顶电极金属层为圆环结构。
26.本公开提供的基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构，其碳纳米管薄膜层和顶电极金属层采用圆环状结构，电极宽度可以做的很窄，整个电极覆盖的碳纳米管薄膜中碳纳米管之间互相搭接的区域很小，可以有效地减小横向电阻；尽可能地减小了碳纳米管之间不连续区域的覆盖面积，从而提高界面态密度等电学特性测试和提取的准确性。实验测试结果显示，相比现有技术结构，本公开提供的基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构的电容-电压曲线频散明显要更小。因此，本公开提供的金属氧化物半导体电容结构可以准确的表征碳纳米管场效应晶体管栅介质和介质-界面电学特性，在为碳纳米管场效应晶体管栅介质和界面的优化提供指导、促进碳纳米管场效应晶体管和集成电路实现规模化制造等方面具有重要的应用价值。
27.下面将结合本公开一具体的实施例中的基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构的结构，对本公开的技术方案进行详细说明。应当理解，图1中示出的基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构的结构中各部分的材料层、形状和结构仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。
28.图1示意性示出了根据本公开一实施例的基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构的俯视图。
29.如图1所示，本公开实施例的基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构，包括：衬底10、碳纳米管薄膜层20、底电极金属层30、金属氧化物层40、顶电极金属层50、第一电极平板金属层61及第二电极平板金属层62。
30.本公开的实施例中，衬底10为绝缘衬底，其具体可以为生长预置厚度的二氧化硅层的硅衬底、石英衬底或蓝宝石衬底等。其中，预置厚度的二氧化硅层可以为1nm～50μm范围层厚的二氧化硅层。
31.根据本公开的实施例，碳纳米管薄膜层20位于衬底10上，其为圆环结构。底电极金属层30部分位于碳纳米管薄膜层20上，另一部分位于衬底10上，即底电极金属层30与碳纳米管薄膜层20部分交叠设置，如图2所示。金属氧化物层40位于碳纳米管薄膜层20上未设置有底电极金属层30的表面上，或金属氧化物层40还可以部分交叠生长在底电极金属层30上。顶电极金属层50位于金属氧化物层40上表面，其为圆环结构。
32.具体地，碳纳米管薄膜层20、底电极金属层30、金属氧化物层40及顶电极金属层50为同圆心的圆环结构，其中，底电极金属层30为具有开口的圆环结构，该开口用于与顶电极金属层50搭接的部分金属引线穿出，碳纳米管薄膜层20、金属氧化物层40及顶电极金属层50为封闭圆环结构。具体地，如图1所示，在底电极金属层30的圆环结构中开口处，碳纳米管薄膜层20也部分存在缺口。
33.进一步地，碳纳米管薄膜层20为多根碳纳米管构成的薄膜层，其中，多根碳纳米管呈网络状或阵列式分布形成薄膜层，其圆环内径大小为5nm～1mm，环宽为5nm～20μm。需说明的是，本公开的实施例中所示的圆环内径表示圆环结构的内直径大小，圆环外径表示圆
环结构的外直径大小，环宽表示圆环结构的外直径与圆环结构的内直径之差。
34.本公开的实施例中，底电极金属层30与碳纳米管薄膜层20交叠部分的宽度(即交叠部分的环宽大小)为其圆环内径大小为6nm～1mm，环宽为1nm～100μm。
35.进一步地，底电极金属层30可以为钯、钛、金、铂、钨、镍、铜、锌、镉或铝一种或多种材料构成，多种材料构成时可以为不同材料的交叠生长形成的底电极金属层30。
36.本公开的实施例中，金属氧化物层40为高介电常数的氧化物，具体可以为铝基、锆基、铪基、钆基、镓基、镧基、钽基氧化物中的一种或多种。金属氧化物层40可以是同种单层金属氧化物或多种金属氧化物的叠层，金属氧化物层40中的掺杂元素可以为铝、锆、铪、钆、镓、镧、钽、氮或磷等。
37.具体地，金属氧化物层40的厚度在之间，金属氧化物层40的圆环内径小于顶电极金属层50的圆环内直径，金属氧化物层40的圆环外径大于顶电极金属层50的圆环外径。
38.本公开的实施例中，顶电极金属层50可以为钛、金、铝、铂、钨、镍、铜、锌或镉中的一种或多种，多种材料构成时可以为不同材料的交叠生长形成的顶电极金属层50。
39.具体地，顶电极金属层50的圆环内径优选范围为6nm～1mm，环宽优选1nm～20μm，其层厚范围优选10nm～2μm。顶电极金属层50的圆环外径与底电极金属层30的圆环内径的直径之差优选范围为1nm～20μm。
40.根据本公开的实施例，第一电极平板金属层61位于衬底10或金属氧化物层40上，且一端与顶电极金属层50连接。第二电极平板金属层62位于衬底10或金属氧化物层40上，且一端与底电极金属层30连接。具体地，在金属氧化物层40的圆环外径足够大时，第一电极平板金属层61可以位于金属氧化物层40上。
41.具体地，第一电极平板金属层61与第二电极平板金属层62为布线金属，其由氮化钛、氮化钽、钨、金、铜、铟、钛、铂、铬、锗和镍中的一种或多种组成，第一电极平板金属层61、第二电极平板金属层62与底电极金属层30中开口两侧的距离大于等于1μm。
42.需说明的是，本公开的实施例中举例说明的各材料层的环宽、直径大小、层厚等仅为优选的示例性说明，其并不构成本公开实施例的限定，在其他应用场景过程中，其可以为其他尺寸范围的选择。
43.图3示意性示出了现有技术中圆形顶电极金属直径为60微米时的电容结构的电容-电压曲线。图4示意性示出了根据本公开一实施例的顶电极金属圆环内径为60微米时的基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构的电容-电压曲线，图中电容-电压曲线分别是在1mhz、100khz、50khz和10khz下测得。
44.其中，如图4所示，该电容-电压曲线对应的具体电容结构可以为：选取绝缘衬底10为生长有层厚为100nm二氧化硅层的硅衬底。碳纳米管薄膜层20为阵列式薄膜，其圆环内径为59.6μm，且圆环环宽为2.7μm。底电极金属层30与碳纳米管薄膜层20的交叠宽度为0.5μm，底电极金属层30的圆环内径为64μm，且圆环环宽为2.5μm，底电极金属层30为钯和金叠层构成，底电极金属层30中钯的厚度为10nm，金的厚度为70nm。金属氧化物层40为二氧化铪，其厚度为6nm，金属氧化物层40的圆环内径为59.8μm，金属氧化物层40的圆环外径为63μm。顶电极金属层50的圆环内径为60μm，顶电极金属层50与碳纳米管薄膜层20圆环内环直径差为400nm，顶电极金属层50的圆环外径与底电极金属层30的圆环内径之差为1μm，顶电极金属
层50为钛和金叠层构成，顶电极金属层50中钛的层厚为10nm，金的厚度为70nm。第一电极平板金属层61和第二电极平板金属层62为钛和金叠层构成，电极平板金属层中钛的厚度为15nm，金的厚度为400nm，第一电极平板金属层61与底电极金属层30中开口的间距为2μm。
45.对上述本公开提供的具体半导体电容结构与现有技术的碳纳米管金属氧化物半导体电容结构对比分析，如图3和图4所示，本公开所提供的顶电极金属为圆环状的碳纳米管金属氧化物半导体电容结构的电容-电压曲线的频散要更小，更符合电容电压曲线规律。
46.在其他一些实施例中，碳纳米管薄膜层20、底电极金属层30、金属氧化物层40及顶电极金属层50还可以为同几何中心的矩形、方形、椭圆形或其他形状，并不仅限于同圆心的圆环结构，各层之间的尺寸变化趋势与上述实施例保持一致，本公开的实施例在此不再详细赘述。
47.需说明的是，本公开的实施例提供的基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构可以采用现有技术中的制备工艺制备而成，本公开的实施例对该基于碳纳米管的金属氧化物半导体电容结构的制备流程不做限定。
48.尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
49.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
50.尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。