Вертикальная структура полупроводникового устройства и способ ее формирования

Изобретение относится к полевым транзисторам с вертикальным каналом, канальная область у которых образована по меньшей мере одной полупроводниковой нанотрубкой. Сущность изобретения: вертикальная структура полупроводникового устройства включает подложку, образующую в основном горизонтальную плоскость, электрод затвора, имеющий вертикальную боковую стенку и выступающий в вертикальном направлении от подложки, прокладку, расположенную сбоку от вертикальной боковой стенки, полупроводниковую нанотрубку, расположенную между электродом затвора и прокладкой и вытянутую преимущественно в вертикальном направлении между ее противоположными первым и вторым концами, диэлектрик затвора, расположенный на вертикальной боковой стенке между нанотрубкой и электродом затвора, исток, электрически связанный с первым концом нанотрубки, и сток, электрически связанный со вторым концом нанотрубки. Каждую нанотрубку выращивают методом химического осаждения из паровой фазы, ускоренного катализаторной площадкой, которая расположена в основании удлиненного прохода, образованного между прокладкой и электродом затвора. Изобретение позволяет использовать технологию, совместимую с технологией массового производства кристаллов интегральных схем. 2 н. и 35 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Изобретение относится к изготовлению полупроводниковых устройств (приборов), более точно к полевым транзисторам с вертикальным каналом, у которых роль канальной области играют полупроводниковые нанотрубки, и способам изготовления таких полевых транзисторов с вертикальным каналом.

Традиционные полевые транзисторы представляют собой обычные известные устройства, которые широко применяются в качестве основного компоновочного блока сложной схемотехники кристаллов интегральных схем ("чипов"). Наряду с другими пассивными компонентами, такими как резисторы и конденсаторы, в состав однокристальной интегральной схемы может входить от многих тысяч до миллионов полевых транзисторов, которые соединены друг с другом токопроводящими дорожками. Принцип действия полевых транзисторов основан на изменении удельного сопротивления канала в канальной области, которая разделяет исток и сток. Поток носителей заряда, которые перемещаются по каналу от истока к стоку, пропорционален изменению электрического удельного сопротивления. За канальную проводимость в n-канальных полевых транзисторах отвечают электроны, а в р-канальных полевых транзисторах за проводимость в канале отвечают электронные дырки. Выходной ток полевого транзистора варьируют, воздействуя напряжением на электрод затвора с емкостной связью, который расположен над канальной областью между истоком и стоком. Электрод затвора электрически изолирован от канальной области тонким изолирующим слоем (диэлектриком) затвора. Незначительное изменение напряжения затвора способно вызвать значительное колебание прохождения тока от истока к стоку.

Полевые транзисторы можно разделить на полевые транзисторы с горизонтальным и вертикальным каналами. У полевых транзисторов с горизонтальным каналом поток носителей заряда движется от истока к стоку в направлении, параллельном горизонтальной плоскости подложки, на которой они сформированы. У полевых транзисторов с вертикальным каналом поток носителей заряда движется от истока к стоку в направлении, вертикальном по отношению к горизонтальной плоскости подложки, на которой они сформированы. Поскольку длина канала полевых транзисторов с вертикальным каналом не зависит от размера наименьшего элемента, различимого оборудованием и методами литографии, полевые транзисторы с вертикальным каналом могут иметь каналы меньшей длины, чем полевые транзисторы с горизонтальным каналом. Следовательно, полевые транзисторы с вертикальным каналом могут иметь более высокую скорость переключения и более высокую предельно допустимую мощность, чем полевые транзисторы с горизонтальным каналом.

Для формирования гибридных устройств, таких как полевые транзисторы, были предложены углеродные нанотрубки, которые представляют собой наномерные цилиндры с высоким отношением ширины к длине, образованные шестигранными кольцевыми структурами атомов углерода. Углеродные нанотрубки являются эффективными проводниками в состоянии проводимости и действуют как полупроводники в состоянии полупроводимости. Для изготовления полевых транзисторов с горизонтальным каналом используют одинарные полупроводниковые углеродные нанотрубки в качестве канальной области и формируют невыпрямляющие контакты на противоположных концах углеродной нанотрубки, которая расположена между золотым электродом истока и золотым электродом стока на поверхности подложки. На подложке, на которой помещается углеродная нанотрубка, преимущественно между электродами истока и стока формируют электрод затвора. Незащищенную поверхность подложки окисляют, чтобы создать диэлектрик затвора между скрытым электродом затвора и углеродной нанотрубкой. Благодаря малым размерам углеродной нанотрубки, такие полевые транзисторы с горизонтальным каналом должны обладать высокой надежностью переключения и потреблять существенно меньше энергии, чем кремниевая структура сравнимого устройства. Несмотря на успехи, достигнутые в лабораторных условиях, когда при обращении с одинарными углеродными нанотрубками использовали атомно-силовой микроскоп, изготовление устройств на таких полевых транзисторах с горизонтальным каналом несовместимо с технологиями массового производства.

В US 2003/132461 описан пример вертикального полевого транзистора на основе двух наноэлементов, электрически присоединенных к истоку и стоку, с одной областью затвора поперек отверстия между двумя наноэлементами. Наноэлементы могут иметь проводимость, контролируемую посредством затвора, так что наноэлементы формируют канальную область транзистора. Однако такая конструкция не подходит для массового производства, поскольку нет гарантий вертикального роста наноэлементов.

Таким образом, существует потребность в полевых транзисторах с вертикальным каналом, у которых в качестве канальной области используется одна или несколько полупроводниковых углеродных нанотрубок и которые совместимы с технологиями массового производства кристаллов интегральных схем.

В изобретении предложена вертикальная структура полупроводникового устройства, включающая подложку, образующую преимущественно горизонтальную плоскость, электрод затвора, который выступает вертикально от подложки и имеет вертикальную боковую стенку, и прокладку, расположенную сбоку от вертикальной боковой стенки. Между электродом затвора и прокладкой находится проходящая преимущественно в вертикальном направлении полупроводниковая нанотрубка с противоположными первым и вторым концами. На вертикальной боковой стенке между углеродной нанотрубкой и электродом затвора находится диэлектрик затвора. Первый конец полупроводниковой нанотрубки электрически связан с истоком, а противоположный конец полупроводниковой нанотрубки электрически связан со стоком.

Согласно другой особенности изобретения предложен способ изготовления вертикальной структуры полупроводникового устройства, в котором на подложке формируют катализаторную площадку и электрод затвора вблизи катализаторной площадки. На вертикальной боковой стенке электрода затвора в положении над катализаторной площадкой формируют первую прокладку и затем формируют вторую прокладку на первой прокладке. Первую прокладку удаляют, чтобы создать проход или открытое пространство, ограниченное второй прокладкой и электродом затвора, при этом проход имеет открытый выход с одного конца, а на его противоположном конце находится катализаторная площадка. На вертикальную боковую стенку электрода затвора наносят диэлектрик затвора. На катализаторной площадке синтезируют полупроводниковую нанотрубку, которая проходит преимущественно вертикально от катализаторной площадки до свободного конца вблизи открытого выхода прохода.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения рост нанотрубки ограничен строго определенным вертикальным направлением внутри открытого пространства или прохода с высоким отношением ширины к длине, образованного прокладкой, примыкающей к электроду затвора. За счет этого решена традиционная проблема всенаправленного роста нанотрубок. В прокладке может быть предусмотрен промежуток, позволяющий рационально и эффективно вводить в проход вблизи границы раздела каталитического материала и каждой растущей нанотрубки реагент или реагенты, необходимые для роста углеродных нанотрубок. Длина канальной области между истоком и стоком задана вертикальным размером или толщиной электрода затвора без ограничений, налагаемых методами обычной литографии, применяемыми при изготовлении полупроводниковых устройств. За счет этого длина канальной области может соответствовать размерам меньших элементов, чем элементы, изготавливаемые стандартными методами литографии и травления.

Приложенные чертежи, на которые в настоящем описании делается ссылка, как на его часть, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и в сочетании с приведенным выше общим описанием изобретения и следующим далее подробным описанием вариантов его осуществления служат для пояснения принципов изобретения, а именно:

фиг.1А - вид сверху части подложки,

фиг.1Б - поперечное сечение в целом по линиям 1Б-1Б на фиг.1А,

фиг.2А - вид сверху на последующей стадии изготовления, аналогичный виду на фиг.1А,

фиг.2Б - поперечное сечение в целом по линиям 2Б-2Б на фиг.2А,

фиг.3А - вид сверху на последующей стадии изготовления, аналогичный виду на фиг.2А,

фиг.3Б - поперечное сечение в целом по линиям 3Б-3Б на фиг.3А,

фиг.4А - вид сверху на последующей стадии изготовления, аналогичный виду на фиг.3А,

фиг.4Б - поперечное сечение в целом по линиям 4Б-4Б на фиг.4А,

фиг.5А - вид сверху на последующей стадии изготовления, аналогичный виду на фиг.4А,

фиг.5Б - поперечное сечение в целом по линиям 5Б-5Б на фиг.5А,

фиг.6А - вид сверху на последующей стадии изготовления, аналогичный виду на фиг.5А,

фиг.6Б - поперечное сечение в целом по линиям 6Б-6Б на фиг.6А,

фиг.7А - вид сверху на последующей стадии изготовления, аналогичный виду на фиг.6А,

фиг.7Б - поперечное сечение в целом по линиям 7Б-7Б на фиг.7А,

фиг.8А - вид сверху на последующей стадии изготовления, аналогичный виду на фиг.7А,

фиг.8Б - поперечное сечение в целом по линиям 8Б-8Б на фиг.8А,

фиг.9А - вид сверху на последующей стадии изготовления, аналогичный виду на фиг.8А,

фиг.9Б - поперечное сечение в целом по линиям 9Б-9Б на фиг.9А,

фиг.10А - вид сверху на последующей стадии изготовления, аналогичный виду на фиг.9А,

фиг.10Б - поперечное сечение в целом по линиям 10Б-10Б на фиг.10А,

фиг.11А - вид сверху на последующей стадии изготовления, аналогичный виду на фиг.10А,

фиг.11Б - поперечное сечение в целом по линиям 11Б-11Б на фиг.11А,

фиг.12А - вид сверху на последующей стадии изготовления, аналогичный виду на фиг.11А,

фиг.12Б - поперечное сечение в целом по линиям 12Б-12Б на фиг.12А,

фиг.13А - вид сверху на последующей стадии изготовления, аналогичный виду на фиг.12А, и

фиг.13Б - поперечное сечение в целом по линиям 13Б-13Б на фиг.13А.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения относится к полевым транзисторам с вертикальным каналом, в которых в качестве полупроводникового материала канальной области используются углеродные нанотрубки, формирующие избирательный проводящий канал между истоком и стоком. В соответствии с настоящим изобретением углеродные нанотрубки выращивают в ограниченном вертикальном открытом пространстве или проходе с препятствованием всенаправленному росту. За счет этого углеродные нанотрубки ориентированы преимущественно вертикально и расположены в требуемом положении вблизи электрода затвора, на который подают напряжение, чтобы регулировать ток, протекающий от истока к стоку. Длина канальной области между истоком и стоком задана толщиной электрода затвора, которая преимущественно равна длине нанотрубки и не зависит от литографии. Для увеличения скорости роста нанотрубки создают дополнительный путь движения для газообразных или парообразных реагентов к каталитическому материалу, который находится в нижней части прохода для роста нанотрубки. За счет этого единственный путь к каталитическому материалу проходит от входа в нижнюю часть удлиненного прохода (с высоким отношением ширины к длине) в направлении, не являющемся вертикальным.

На фиг.1А и 1Б показан участок подложки 10, покрытый плоскостным изолирующим слоем 12 с высоким электрическим удельным сопротивлением относительно подложки 10. Подложка 10 может быть выполнена из любого материала, применимого в качестве подложки полупроводника, включая без ограничения кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs), на котором может быть сформирован изолирующий слой, такой как слой 12. Изолирующий слой 12 может состоять, например, из двуокиси кремния (SiO₂) или нитрида кремния (Si₃N₄).

На изолирующем слое 12 методом осаждения сплошного слоя каталитического материала и при помощи стандартной литографии и избирательного травления формируют катализаторную (контактную) площадку 14 из каталитического материала, способного поддерживать рост углеродных нанотрубкок. Сплошной слой каталитического материала, который наносят с целью формирования катализаторной площадки 14, может быть осажден любым обычным методом осаждения, включая, без ограничения, химическое осаждение из паровой (газовой) фазы путем термического разложения/термолиза металлосодержащего исходного материала, такого как галоидные соединения и карбонилы металлов, металлизацию напылением и физическое осаждение из паровой фазы. Каталитическим материалом катализаторной площадки 14 может являться любой материал, способный служить центром кристаллизации и поддерживать рост углеродных нанотрубок после воздействия соответствующих реагентов в условиях реакции, способствующих росту нанотрубки. Например, применимые каталитические материалы включают без ограничения железо, платину, никель, кобальт и соединения, такие как соединения кремния с каждым из перечисленных металлов.

Изолирующий слой 12 может быть исключен, и в качестве альтернативы подложка 10 может состоять из структур с тонкой щелевой изоляцией или структур с локальным окислением кремния, электрически изолирующих от соседних участков подложки 10 участок, показанный на фиг.1А, 1Б, который также может включать описанные в изобретении дополнительные структуры устройства или другие структуры устройства. В данном альтернативном варианте осуществления катализаторная площадка 14 сформирована или осаждена на участке подложки 10, изолированном при помощи структур с тонкой щелевой изоляцией или структур с локальным окислением кремния, обычным методом в виде канавок в форме прокладок. На изолирующем слое 12 может быть предусмотрено множество катализаторных площадок 14, что соответствует технологии массового производства.

На фиг 2А и 2Б показан тонкий изолирующий слой 16, который конформно осажден поверх изолирующего слоя 12 и катализаторной площадки 14. Изолирующий слой 16 сформирован из диэлектрического материала, такого как SiO₂ или Si₃N₄, который может быть осажден методом химического осаждения из паровой фазы путем термического разложения/термолиза кремнийсодержащего исходного материала или методом химического осаждения из паровой фазы при пониженном давлении, или в качестве альтернативы, в случае использования оксида, выращен путем высокотемпературного оксидирования. На изолирующем слое 16, покрывающем катализаторную площадку 14, формируют контактный столбик 18 из проводящего материала. На незащищенную (открытую) верхнюю поверхность контактного столбика 18 наносят фотошаблон (маску) 20 из твердого изолирующего материала.

Контактный столбик 18 и фотошаблон 20, покрывающий столбик 18, формируют методом стандартной литографии и травления, в ходе которого на изолирующий слой 16 методом химического осаждения из паровой фазы при пониженном давлении сначала осаждают сплошной слой проводящего материала, такого как сильнолегированный поликристаллический кремний (поликремний), а затем осаждают на сплошной слой проводящего материала слой изолирующего материала, такого как SiO₂ или, более точно, SiO₂ на основе тетраэтилортосиликата. Изолирующий материал наносят таким образом, чтобы оставить открытыми немаскированные участки сплошного слоя проводящего материала и маскированные участки, совмещенные с катализаторной площадкой 14, как это пояснено ниже, и затем протравливают изолирующий материал, например, методом реактивного ионного травления, который избирательно действует на изолирующий материал фотошаблона 20, чтобы удалить проводящий материал, находящийся на немаскированных участках.

Используемые в описании термины, такие как "вертикальный", "горизонтальный" и т.д., не являются ограничивающими, а лишь служат для создания системы отсчета. Используемый в описании термин "горизонтальный" относится к плоскости, которая параллельна обычной плоскости или поверхности подложки 10 независимо от ориентации. Термин "вертикальный" означает направление, перпендикулярное горизонтальному направлению согласно вышеприведенному определению. Такие термины, как "на", "наверху", "внизу", "боковой" (применительно к "боковой стенке"), "выше", "ниже", "поверх"," внизу" и "под" относятся к горизонтальной плоскости. Подразумевается, что могут использоваться различные иные системы отсчета, не выходящие за объем изобретения.

На фиг.3А и 3Б показана прокладка 22 из временного разделительного материала, сформированная у вертикальной боковой стенки 21 контактного столбика 18 путем конформного осаждения тонкой пленки разделительного материала и анизотропного травления, например, методом реактивного ионного травления, который избирательно действует на материал изолирующего слоя 12 и фотошаблона 20. Разделительным материалом, образующим прокладку 22, может являться, например, SiO₂ или Si₃N₄. Прокладка 22 является расходуемой в том смысле, что ее полностью удаляют при последующей обработке. В одном из вариантов осуществления изобретения изолирующий слой 12 и фотошаблон 20 сформирован из SiO₂, а прокладка 22 сформирована из Si₃N₄, поэтому реактивное ионное травление, при помощи которого удаляют прокладку 22, избирательно действует на материал изолирующего слоя 12 и фотошаблона 20. Прокладка 22 выступает в горизонтальном направлении за пределы боковой стенки 21.

На фиг.4А и 4Б показано, что катализаторная площадка 14 уменьшена за счет отсечения области краевых участков, расположенных ниже контактного столбика 18. Для этого удаляют участки изолирующего слоя 16, немаскированные контактным столбиком 18 и прокладкой 22, методом травления, который может представлять собой метод травления, отличающийся от метода формирования прокладки 22, или метод непрерывного травления, в ходе которого условия травления при травлении изолирующего слоя 16 соответствующим образом меняются. Затем с целью уменьшить площадь незащищенной поверхности катализаторной площадки 14 удаляют участки катализаторной площадки 14, немаскированные контактным столбиком 18 и прокладкой 22, методом травления, который также может представлять собой метод травления, отличающийся от методов удаления участков изолирующего слоя 16, или метод непрерывного травления, в ходе которого условия травления при травлении каталитического материала соответствующим образом меняются. Катализаторная площадка 14 покрыта слоем 25 изолирующего материала, который представляет собой часть не удаленного изолирующего слоя 16.

На фиг.5А и 5Б показано, что прокладка 22 удалена из боковой стенки 21 контактного столбика 18 любым методом влажного или сухого травления, который избирательно действует на материалы подложки 10, фотошаблона 20 и катализаторной площадки 14. На подложку 10 путем конформного осаждения методом химического осаждения из паровой фазы или химического осаждения из паровой фазы при пониженном давлении наносят сплошной слой 26 из соответствующего разделительного материала, такого как SiO₂ или германий (Ge). Из участков сплошного слоя 26, покрывающих боковую стенку 21 контактного столбика 18, формируют прокладки 30, как это пояснено ниже, толщина которых примерно равна толщине прокладки 22.

На фиг.6А и 6В показано, что совпадающие по вертикали участки сплошного слоя 26, фотошаблона 20, контактного столбика 18 и катализаторной площадки 14 удалены методом стандартной литографии и избирательного травления с целью разделения контактного столбика 18 на множество электродов 28 затвора. Для этого на сплошной слой 26 наносят резистный слой (не показан), способный передавать структуру скрытого изображения и преобразовывать структуру скрытого изображения в структуру окончательного изображения с замаскированными участками в форме параллельных полосок, покрывающих сплошной слой 26 в местах будущего расположения электродов 28 затвора. По завершении травления вскрывают участки изолирующего слоя 12 между электродами 28 затвора. Размер электродов 28 затвора предпочтительно равен или близок минимальным размерам элементов, различимых методами литографии. Прокладки 30 представляют собой структурированный участок сплошного слоя, проходящий вертикально вверх вблизи боковой стенки 31 каждого электрода 28 затвора над местом расположения катализаторных площадок 14. Прокладки 30 являются расходуемыми, поскольку их полностью удаляют при последующей обработке.

На фиг.7А и 7Б показана прокладка 32 из подходящего постоянного разделительного материала, такого как Si₃N₄, сформированная у боковой стенки 31 каждого электрода 28 затвора. Участки прокладки 32 наложены друг на друга и покрывают каждую из прокладок 30. Материал прокладки 32 является постоянным, поскольку в отличие от прокладки 30, прокладка 32 входит в готовую структуру устройства. Прокладку 32 формируют путем конформного осаждения сплошного слоя постоянного разделительного материала на подложку 10 и анизотропного травления сплошного слоя, например, методом реактивного ионного травления, который избирательно действует на материал изолирующего слоя 12 и фотошаблона 20, в результате чего после травления прокладка 32 на каждом электроде 28 затвора представляет собой единственный остающийся участок сплошного слоя постоянного разделительного материала. Постоянным разделительным материалом прокладки 32 может являться, например, Si₃N₄ или SiO₂, если материалом прокладок 30 является Ge. Прокладку 32 отделяют от боковой стенки 31 каждого электрода 28 затвора прокладками 30, расположенными с двух противоположных сторон поверх боковых кромок катализаторной площадки 14, и прикрепляют к двум другим противоположным сторонам каждого электрода 28 затвора.

На фиг.8А и 8Б показано, что прокладки 30 на каждом электроде 28 затвора удалены методом изотропного травления, избирательно действующего на материалы фотошаблона 20 и прокладки 32. Например, если прокладки 30 выполнены из Ge, а прокладка 32 выполнена из Si₃N₄ или SiO₂, для удаления прокладок 30 применим содержащий перекись водорода (Н2O₂) водный травильный раствор, который избирательно действует на фотошаблон 20 и прокладку 32. Для разнесения прокладки 32 и электрода 28 затвора используют открытые пространства или проходы 34, созданные методом изотропного травления в пространстве, ранее занятом прокладками 30. Каждый из проходов 34 имеет в плане профиль в основном прямоугольной формы. Методом изотропного травления также удаляют остающиеся участки структурированного сплошного слоя 26, чтобы повторно обнажить изолирующий слой 12.

Участок слоя 25, обнаженный в результате формирования проходов 34, удаляют с боковых кромок катализаторной площадки 14, чтобы обнажить или вскрыть соответствующие области 36 синтеза нанотрубок. Ниже каждой прокладки 32 имеется зазор 38, ранее заполненный участком одной из прокладок 30, который расположен вблизи соответствующих областей 36 синтеза нанотрубок и проходит в вертикальном направлении между прокладкой 32 и изолирующим слоем 12. Каждый проход 34 проходит в вертикальном направлении от одной из катализаторных площадок 14 до открытого выхода 33, расположенного вблизи фотошаблона 20. Области 36 синтеза нанотрубок расположены ниже по вертикали, чем один из соответствующих открытых выходов 33.

Как показано на фиг.9А и 9Б, затем на открытые участки боковой стенки 31 каждого электрода 28 затвора одинаковой протяженности с проходами 34 наносят слой 40 изолирующего материала, такого как SiO₂, обеспечивающий электрическую изоляцию каждого электрода 28 затвора от соответствующего прохода 34. Метод формирования слоя 40 выбирают таким образом, чтобы избежать нанесения покрытия на открытый материал областей 36 синтеза нанотрубок или какого-либо иного его изменения, способного вызвать нежелательный рост углеродных нанотрубок. Например, при формировании слоя 40 методом оксидирования в атмосфере влажного кислорода парциальное давление кислорода может быть скорректировано таким образом, чтобы на открытых участках боковой стенки 31 происходил рост SiO₂, а в областях 36 синтеза нанотрубок не происходило образование оксида. Горизонтальные размеры каждого прохода 34, уменьшившегося за счет присутствия слоя 40, достаточны для вертикального роста углеродных нанотрубок, как это описано далее, и в других отношениях преимущественно заданы размерами прокладок 30.

На фиг.10А и 10Б показан пучок или группа углеродных нанотрубок 42 в проходах 34, примыкающих к участкам боковой стенки 31 каждого электрода 28 затвора, покрытого слоем 40. Углеродные нанотрубки 42 представляют собой полые цилиндрические трубки, образованные шестигранными кольцевыми структурами атомов углерода, и, как правило, имеют диаметр от около 0,5 нм до около 20 нм и толщину боковых стенок от около 5 нм до около 50 нм. Предполагается, что углеродные нанотрубки 42 имеют определенное распределение высот или длин, которые измеряют между передним концом или верхушкой 43 и задним концом или основанием 47, противоположным верхушке 43, находящейся на вершине одной из областей 36 синтеза нанотрубок. Распределение длин углеродных нанотрубок 42 может быть описано средней длиной и стандартным отклонением. По меньшей мере одна из углеродных нанотрубок 42 в каждом проходе 34 выступает по вертикали над горизонтальной плоскостью, ограниченной фотошаблоном 20, который покрывает каждый электрод 28 затвора.

Углеродные нанотрубки 42 проходят преимущественно в вертикальном направлении вверх от областей 36 синтеза нанотрубок и занимают долю объема пустого пространства внутри проходов 34 каждого электрода 28 затвора. Каждая из углеродных нанотрубок 42 ориентирована перпендикулярно или по меньшей мере преимущественно перпендикулярно к горизонтальной верхней поверхности соответствующих областей 36 синтеза нанотрубок, поскольку присутствие прокладки 32 ограничивает направление роста углеродных нанотрубок 42. Несмотря на допускаемое незначительное отклонение или наклон ориентации в пределах проходов 34, прокладка 32 препятствует всенаправленному росту. Например, углеродные нанотрубки 42 не могут расти параллельно горизонтальной плоскости подложки 10.

Углеродные нанотрубки 42 выращивают методом химического осаждения из паровой фазы или плазменно-химического осаждения из паровой фазы с использованием любого применимого газообразного или парообразного углеродсодержащего реагента, включая (без ограничения) моноксид углерода (СО), этилен (С₂Н₄), метан (СН₄), ацетилен (C₂H₄), смесь ацетилена и аммиака (NH₃), смесь ацетилена и азота (N₂), смесь ацетилена и водорода (H₂), ксилол (С6Н₄(СН₄)₂) и смесь ксилола и ферроцена (Fe(С₅Н₅)₂) в условиях роста, которые способствуют росту углеродных нанотрубок на материале катализатора, образующем области 36 синтеза нанотрубок. Чтобы способствовать росту методом химического осаждения из паровой фазы, подложку 10 нагревают. На начальной стадии поток реагента перемещается в боковом направлении через каждый зазор 38 и вниз через каждый проход 34 до каталитического материала, образующего области 36 синтеза нанотрубок. Реагент вступает в химическую реакцию на материале катализатора, образующего области 36 синтеза нанотрубок, являясь центром кристаллизации углеродных нанотрубок 42. Последующий вертикальный рост углеродных нанотрубок 42 может происходить от основания на поверхности областей 36 синтеза нанотрубок или, в качестве альтернативы, от свободной верхушки 43 углеродных нанотрубок 42, противоположной основанию 47. За счет присутствия зазоров 38 усиливается способность реагента достигать областей 36 синтеза нанотрубок, поскольку, если бы требовалось, чтобы реагент перемещался лишь вниз через проход 34, его поток был бы существенно ограничен. Зазоры 38 могут не использоваться, если рост происходит от свободной верхушки 43 или если отсутствуют иные ограничения на поток реагента.

Условия выращивания методом химического осаждения из паровой фазы или плазменно-химического осаждения из паровой фазы выбирают таким образом, чтобы предпочтительно получать углеродные нанотрубки 42 с полупроводниковой молекулярной структурой. В качестве альтернативы углеродные нанотрубки 42 с полупроводниковой молекулярной структурой предпочтительно выбирают из набора углеродных нанотрубок 42 непосредственно после выращивания, в который входят нанотрубки как с металлическими, так и с полупроводниковыми молекулярными структурами, для чего, например, воздействуют достаточно сильным током, чтобы разрушить нанотрубки 42 с металлической молекулярной структурой. В некоторых вариантах осуществления изобретения в одном или нескольких проходах 34 может присутствовать одна полупроводниковая углеродная нанотрубка 42. Помимо углерода, нанотрубки 42 могут состоять из другого материала, обладающего запрещенной зоной и полупроводниковыми свойствами.

На фиг.11А и 11Б показано, что на подложку 10 методом осаждения, такого как химическое осаждение из паровой фазы при пониженном давлении, нанесен слой 44 изолирующего материала с относительно высоким электрическим удельным сопротивлением, такого как борофосфоросиликатное стекло. Слой 44 гладко отполирован методом химико-механического полирования или любым иным применимым методом выравнивания. В результате полирования слой 44 может быть снят на достаточную глубину для того, чтобы также укоротить некоторые слишком длинные из углеродных нанотрубок 42. Участки слоя 44 могут заполнять любое свободное пространство между отдельными углеродными нанотрубками 42. Участки слоя 44 могут также заполнять каждый из зазоров 38.

На фиг.12А и 12Б показано, что через слой 44, фотошаблон 20, электрод 28 затвора и слой 25 проходят созданные методом стандартной литографии и травления контактные окна 46, которые заканчиваются на глубине катализаторной площадки 14. В контактные окна 46 осаждают изолирующий материал и осуществляют его анизотропное травление с целью создания изолирующих прокладок 48, которые электрически изолируют электрод 28 затвора от катализаторной площадки 14. Каждый электрод 28 затвора разделен соответствующим контактным окном 46 на два отдельных электрода 28а, 28b затвора. В слое 44 и фотошаблоне 20 методом стандартной литографии и травления созданы контактные окна 50, которые заканчиваются на глубине электродов 28а, 28b затвора. В слое 44 методом стандартной литографии и травления созданы контактные окна 52, заканчивающиеся на глубине, на которой обнажается верхушка 43 по меньшей мере одной из углеродных нанотрубок 42, находящихся в каждом проходе 34.

На фиг.13А и 13Б показано, что в контактных окнах 46, 50 и 52 созданы контакты 54, 56 и 58 соответственно, для чего контактные окна 46, 50 и 52 необязательно покрывают одним или несколькими барьерными/усиливающими адгезию слоями (не показаны), осаждают на всю поверхность соответствующий металл, чтобы заполнить контактные окна, а затем удаляют избыток нанесенного слоя проводящего материала любым применимым методом выравнивания, таким как химико-механическое полирование, чтобы создать вставку. Верхушка 43 по меньшей мере одной из углеродных нанотрубок 42, находящихся в проходе 34, расположенном вблизи каждого электрода 28а, 28b затвора, находится в электрическом контакте, предпочтительно омическом контакте, с соответствующим контактом 58. Верхушки 43 контактных углеродных нанотрубок 42 могут выступать по вертикали, входя во внутреннюю структуру соответствующего контакта 58, или соприкасаться с соответствующим контактом 58 на границе. Углеродные нанотрубки 42 в каждом проходе 34 электрически связаны, предпочтительно омически, с катализаторной площадкой 14. Контакты 54, 56 и 58 электрически изолированы друг от друга и выполнены из любого применимого проводящего материала, включая без ограничения алюминий (Al), медь (Cu), золото (Au), молибден (Мо), тантал (Та), титан (Ti) и вольфрам (W). Для изготовления структуры межсоединений (не показана), которая связывает соседние законченные структуры 60 устройства, применяют метод окончательной обработки.

Структура 60 устройства образует полевой транзистор, включающий один из электродов 28а, 28b затвора, диэлектрик затвора, образованный слоем 40, исток, образованный катализаторной площадкой 14 и контактом 54, сток, образованный соответствующим контактом 58, и полупроводниковую канальную область, ограниченную длиной по меньшей мере одной из углеродных нанотрубок 42, проходящих в вертикальном направлении по соответствующему проходу 34 между катализаторной площадкой 14 и контактом 58. Канальная область, образованная углеродными нанотрубками, ориентирована преимущественно вертикально по отношению к горизонтальной плоскости подложки 10. После подачи электрического напряжения на соответствующий электрод 28а, 28b затвора, создающего канал в связанных с ним углеродных нанотрубках 42, поток носителей заряда избирательно перемещается через углеродные нанотрубки 42 от катализаторной площадки 14 до контакта 58. Каждая структура 60 устройства электрически связана с другими структурами 60 и дополнительными схемными компонентами (не показаны), которые помещаются на подложке 10.

Несмотря на то, что настоящее изобретение проиллюстрировано на примере достаточно подробно описанных различных вариантов осуществления, они не ограничивают объема изобретения. Специалист в данной области техники без труда обнаружит дополнительные преимущества и возможные усовершенствования изобретения. Таким образом, изобретение в его наиболее общих особенностях не ограничено раскрытыми и описанными в нем конкретными подробностями, проиллюстрированными устройством и способом и наглядными примерами. Соответственно, допускаются любые отступления от таких деталей, не выходящие за рамки заявляемых притязаний.

1. Вертикальная структура полупроводникового устройства, включающая подложку, образующую в основном горизонтальную плоскость, электрод затвора, имеющий вертикальную боковую стенку и выступающий в вертикальном направлении от подложки, прокладку, расположенную сбоку от вертикальной боковой стенки, полупроводниковую нанотрубку, расположенную между электродом затвора и прокладкой и вытянутую преимущественно в вертикальном направлении между ее противоположными первым и вторым концами, диэлектрик затвора, расположенный на вертикальной боковой стенке между нанотрубкой и электродом затвора, исток, электрически связанный с первым концом нанотрубки, и сток, электрически связанный со вторым концом нанотрубки.

2. Структура по п.1, в которой исток содержит каталитический материал, обеспечивающий синтез полупроводниковой нанотрубки методом химического осаждения из паровой фазы.

3. Структура по п.1, в которой сток содержит каталитический материал, обеспечивающий синтез полупроводниковой нанотрубки методом химического осаждения из паровой фазы.

4. Структура по п.1, в которой прокладка отделена от подложки зазором, заполненным изолирующим материалом.

5. Структура по п.1, в которой полупроводниковая нанотрубка образована упорядоченными атомами углерода.

6. Структура по п.1, в которой прокладка отделена от вертикальной боковой стенки проходом.

7. Структура по п.6, в которой горизонтальные размеры прохода достаточны для выращивания полупроводниковых нанотрубок, а его вертикальные размеры превышают высоту или равны высоте вертикальной боковой стенки электрода затвора.

8. Структура по п.6, в которой проход имеет в плане профиль прямоугольной формы.

9. Структура по п.6, в которой исток состоит из каталитического материала, обеспечивающего синтез полупроводниковой нанотрубки методом химического осаждения из паровой фазы, и при этом исток расположен на подложке вертикально выровненным с проходом.

10. Структура по п.9, в которой прокладка разнесена по вертикали от подложки с образованием зазора для поступления реагента в каталитический материал истока, обеспечивающего синтез полупроводниковой нанотрубки методом химического осаждения из паровой фазы.

11. Структура по п.10, в которой зазор для поступления реагента заполнен изолирующим материалом после выращивания полупроводниковой нанотрубки методом химического осаждения из паровой фазы.

12. Структура по п.6, включающая группу полупроводниковых нанотрубок, расположенных между электродом затвора и прокладкой, при этом каждая из полупроводниковых нанотрубок группы проходит по упомянутому проходу в вертикальном направлении между противоположными первым и вторым концами.

13. Структура по п.12, в которой пространство внутри прохода, не занятое полупроводниковыми нанотрубками, заполнено изолирующим материалом.

14. Структура по п.1, включающая группу полупроводниковых нанотрубок, проходящих между электродом затвора и прокладкой, при этом каждая из полупроводниковых нанотрубок группы проходит по упомянутому проходу в вертикальном направлении между противоположными первым и вторым концами.

15. Структура по п.14, в которой по меньшей мере одна из полупроводниковых нанотрубок упомянутой группы имеет первый конец, электрически связанный с истоком, и второй конец, электрически связанный со стоком.

16. Способ формирования вертикальной структуры полупроводникового устройства, в котором формируют на подложке катализаторную площадку из каталитического материала, смежно с катализаторной площадкой формируют электрод затвора, на вертикальной боковой стенке электрода затвора в положении над катализаторной площадкой формируют первую прокладку, на первой прокладке сбоку от вертикальной боковой стенки формируют вторую прокладку, удаляют первую прокладку с созданием между второй прокладкой и электродом затвора прохода с открытым выходом на одном конце и катализаторной площадкой на противоположном конце, формируют диэлектрик затвора на вертикальной боковой стенке электрода затвора и синтезируют на катализаторной площадке полупроводниковую нанотрубку, которая проходит преимущественно в вертикальном направлении от катализаторной площадки до свободного конца в зоне открытого выхода прохода.

17. Способ по п.16, в котором при удалении первой прокладки осуществляют ее травление, избирательное по отношению к электроду затвора, второй прокладке и подложке.

18. Способ по п.17, в котором избирательное травление первой прокладки включает изотропное травление.

19. Способ по п.16, в котором при формировании второй прокладки осуществляют ее изотропное травление.

20. Способ по п.16, в котором при формировании диэлектрика затвора осуществляют окисление боковой стенки электрода затвора.

21. Способ по п.16, в котором первую прокладку отделяют от подложки вертикальным зазором, создающим проход потока в направлении катализаторной площадки, и для синтеза полупроводниковой нанотрубки направляют по этому образованному зазором проходу потока, реагент, способный вступать в химическую реакцию на катализаторной площадке с обеспечением синтеза полупроводниковой нанотрубки.

22. Способ по п.21, в котором в качестве реагента используют углеродистый реагент, а полупроводниковая нанотрубка представляет собой углеродную нанотрубку.

23. Способ по п.21, в котором после синтеза полупроводниковой нанотрубки зазор заполняют изолирующим материалом.

24. Способ по п.16, в котором при синтезе полупроводниковой нанотрубки катализаторную площадку подвергают воздействию реагента в условиях, способствующих выращиванию полупроводниковой нанотрубки.

25. Способ по п.24, в котором первую прокладку отделяют от подложки зазором, создающим проход потока в направлении катализаторной площадки, и для синтеза полупроводниковой нанотрубки направляют через зазор реагент, который вступает в химическую реакцию на катализаторной площадке с обеспечением синтеза полупроводниковой нанотрубки.

26. Способ по п.16, в котором после формирования электрода зазора и катализаторной площадки формируют третью прокладку с образованием защищенного участка катализаторной площадки, который она перекрывает, и незащищенного участка, который она оставляет открытым, и удаляют незащищенный участок с уменьшением площади поверхности катализаторной площадки.

27. Способ по п.26, в котором осуществляют удаление незащищенного участка катализаторной площадки посредством его травления, избирательного по отношению к электроду затвора и подложке.

28. Способ по п.16, в котором формируют контакт, электрически связанный со свободным концом полупроводниковой нанотрубки.

29. Способ по п.16, в котором полупроводниковая нанотрубка представляет собой углеродную нанотрубку, образованную упорядоченными атомами углерода.

30. Способ по п.16, в котором полупроводниковая нанотрубка образует канальную область полевого транзистора с каналом, движение тока по которому регулируют, воздействуя на электрод затвора управляющим напряжением.

31. Способ по п.16, в котором синтезируют группу полупроводниковых нанотрубок, расположенных между электродом затвора и прокладкой, при этом каждая полупроводниковая нанотрубка из группы проходит от катализаторной площадки до свободного конца в зоне открытого выхода прохода.

32. Способ по п.31, в котором открытый выход прохода и электрод затвора покрывают слоем изолирующего материала и формируют в слое изолирующего материала контакт, электрически связанный со свободным концом по меньшей мере одной из полупроводниковых нанотрубок указанной группы.

33. Способ по п.32, в котором полупроводниковые нанотрубки представляют собой углеродные нанотрубки.

34. Способ по п.16, в котором горизонтальные размеры прохода достаточны для выращивания полупроводниковых нанотрубок, а его вертикальные размеры превышают высоту или равны высоте вертикальной боковой стенки электрода затвора.

35. Способ по п.34, в котором проход имеет в плане профиль прямоугольной формы.

36. Способ по п.34, в котором катализаторная площадка расположена на подложке, вертикально выровненной с проходом.

37. Способ по п.36, в котором прокладка разнесена от подложки с образованием зазора для поступления реагента к катализаторной площадке с обеспечением синтеза полупроводниковой нанотрубки методом химического осаждения из паровой фазы.