Вертикальные структуры полупроводниковых устройств с использованием нанотрубок и способы их формирования
Изобретение относится к вертикальным структурам полупроводниковых устройств, включающих нанотрубки в качестве конструктивного элемента, и способам изготовления таких структур. Сущность изобретения: предложена вертикальная структура полупроводникового устройства, включающая подложку, образующую в основном горизонтальную плоскость, электрод затвора, выступающий от подложки в вертикальном направлении, полупроводниковые нанотрубки, проходящие в вертикальном направлении через электрод затвора между их противоположными первым и вторым концами, диэлектрик затвора, электрически изолирующий указанные полупроводниковые нанотрубки от электрода затвора, сток, электрически связанный со вторым концом полупроводниковых нанотрубок, и контакт истока, расположенный на той же стороне, что и сток, и сформированный посредством создания контактного окна в изолирующем слое, изолирующем его от электрода затвора, причем контакт истока электрически связан с указанным первым концом полупроводниковых нанотрубок. Изобретение позволяет получить полупроводниковые устройства с нанотрубками в качестве конструктивного элемента с использованием технологий, совместимых с технологиями массового производства кристаллов интегральных схем. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 10 ил.
Настоящее изобретение относится к изготовлению полупроводниковых устройств (приборов), более точно к вертикальным структурам полупроводниковых устройств, таких как полевые транзисторы и конденсаторы, включающих нанотрубки в качестве конструктивного элемента, и к способам изготовления таких вертикальных структур полупроводниковых устройств.
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 предложены углеродные нанотрубки, которые представляют собой наномерные удлиненные цилиндры из 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 полупроводящие 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. Окисленная незащищенная поверхность подложки образует 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. Полевые транзисторы с горизонтальным каналом были успешно сформированы в лабораторных условиях с использованием атомного силового микроскопа при обращении с одинарными углеродными нанотрубками или путем монтажа одинарной углеродной нанотрубки, случайно выбранной из рассредоточенной группы нанотрубок. Однако данные способы формирования таких структур полевых транзисторов не совместимы 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 и такая конструкция не подходит для массового производства, поскольку очень неудобна при использовании во время интегрирования в микросхему.
Таким образом существует потребность в полевых транзисторах с вертикальным каналом, у которых в качестве канальной области используется одна или несколько полупроводящих углеродных трубок и которые совместимы с технологиями массового производства кристаллов интегральных схем.
В изобретении предложена вертикальная структура полупроводникового устройства, включающая подложку, образующую в основном горизонтальную плоскость, электрод затвора, выступающий от подложки в вертикальном направлении, полупроводниковые нанотрубки, проходящие в вертикальном направлении через электрод затвора между их противоположными первым и вторым концами, диэлектрик затвора, электрически изолирующий указанные полупроводниковые нанотрубки от электрода затвора, сток, электрически связанный со вторым концом полупроводниковых нанотрубок, и контакт истока, расположенный на той же стороне, что и сток, и сформированный посредством создания контактного окна в изолирующем слое, изолирующем его от электрода затвора, причем контакт истока электрически связан с указанным первым концом полупроводниковых нанотрубок.
Другим объектом изобретения является способ формирования вертикальной структуры полупроводникового устройства, в котором формируют на подложке контактную площадку, выращивают полупроводниковые нанотрубки, которые проходят от контактной площадки по существу в вертикальном направлении от своего первого конца, электрически связанного с контактной площадкой, до второго свободного конца, электрически изолируют указанные полупроводниковые нанотрубки посредством диэлектрика затвора, формируют электрод затвора, который электрически изолирован от лежащей ниже контактной площадки и через который проходят в вертикальном направлении полупроводниковые нанотрубки, и формируют контакт, электрически связанный со вторым концом полупроводниковых нанотрубок и электрически изолированный от электрода затвора, причем при электрической изоляции полупроводниковой нанотрубки ее помещают в оболочку из диэлектрика затвора, при формировании контакта со свободного конца полупроводниковой нанотрубки удаляют диэлектрик затвора и снабжают нанотрубку металлическим элементом, выполняющим функцию контакта, и на электроде затвора дополнительно формируют изолирующий слой и выполняют в нем углубление с обнажением свободного конца полупроводниковой нанотрубки и созданием контактного окна для формирования на свободном конце полупроводниковой нанотрубки контакта истока, электрически связанного с указанным первым концом полупроводниковой нанотрубки.
Каждая полупроводящая нанотрубка образует канальную область полевого транзистора, каналом которого управляют путем подачи управляющего напряжения на электрод затвора. В одном из примеров изобретения длина канальной области от истока до стока задана размером по вертикали или толщиной электрода затвора без ограничений, налагаемых методами обычной литографии, применяемыми при изготовлении полупроводниковых устройств для формирования канальных областей у обычных полевых транзисторов.
В еще одном варианте осуществления изобретения структура полупроводникового устройства включает подложку, образующую в основном горизонтальную плоскость, первую проводящую пластинку, расположенную на подложке, по меньшей мере одну нанотрубку, которая выступает вертикально от первой пластинки. Каждая нанотрубка, которая может иметь проводящую или полупроводящую молекулярную структуру, электрически связана с первой пластинкой. Вертикально над первой пластинкой и нанотрубкой расположена вторая проводящая пластинка, электрически изолированная от первой пластинки и углеродной нанотрубки слоем диэлектрика.
Согласно другой особенности изобретения предложен способ формирования структуры полупроводникового устройства, в котором на подложке формируют первую проводящую пластинку и выращивают по меньшей мере одну нанотрубку, которая отходит преимущественно в вертикальном направлении от первой пластинки и электрически связана с первой пластинкой. Далее, каждую нанотрубку и первую пластинку покрывают слоем диэлектрика и формируют над первой пластинкой вторую пластинку, которая электрически изолирована слоем диэлектрика от каждой нанотрубки и первой пластинки.
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:
на фиг.1 показан вид в поперечном разрезе участка подложки с углеродными нанотрубками, выращенными в вертикальном направлении на структурированной проводящей контактной катализаторной площадке,
на фиг.2 - вид в поперечном разрезе на последующей стадии изготовления, аналогичный виду, показанному на фиг.1,
на фиг.3 - вид в поперечном разрезе на последующей стадии изготовления, аналогичный виду, показанному на фиг.2,
на фиг.4 - вид в поперечном разрезе на последующей стадии изготовления, аналогичный виду, показанному на фиг.3,
на фиг.5 - вид в поперечном разрезе на последующей стадии изготовления, аналогичный виду, показанному на фиг.4,
на фиг.6 - вид в поперечном разрезе на последующей стадии изготовления, аналогичный виду, показанному на фиг.5,
на фиг.7 - вид в поперечном разрезе на последующей стадии изготовления, аналогичный виду, показанному на фиг.6,
на фиг.8 - вид в поперечном разрезе на последующей стадии изготовления, аналогичный виду, показанному на фиг.7,
на фиг.9 - вид в поперечном разрезе на последующей стадии изготовления согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, аналогичный виду, показанному на фиг.2,
на фиг.10 - вид в поперечном разрезе на последующей стадии изготовления, аналогичный виду, показанному на фиг.9.
Пример изобретения относится к полевым транзисторам с вертикальным каналом, в которых в качестве полупроводящего материала канальной области используются углеродные нанотрубки, формирующие избирательный проводящий канал между истоком и стоком при подаче напряжения на электростатически связанный электрод затвора. В предпочтительном варианте осуществления длина канальной области между истоком и стоком задана толщиной электрода затвора, которая преимущественно равна длине нанотрубки и не зависит от ограниченной по разрешающей способности литографии. Установка углеродных нанотрубок между истоком и стоком не требует отдельного обращения с каждой из них, а изготовление устройства не зависит от случайного совмещения с истоком или стоком одной или нескольких нанотрубок, которые произвольно рассредоточены по поверхности устройства.
На фиг.1 показана катализаторная (контактная) площадка 10 с каталитическим материалом, способствующим росту углеродных нанотрубок 14, которая является частью структуры из множества катализаторных площадок 10, сформированных на участке изолирующей подложки 12. Углеродные нанотрубки 14 ориентированы таким образом, что они проходят преимущественно вертикально вверх от катализаторной площадки 10.
Изолирующая подложка 12 может быть сформирована на пластинке (не показана) из любого применимого полупроводящего материала, включая без ограничения кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs), на котором может быть сформирована изолирующая подложка 12, например, из двуокиси кремния. Катализаторная площадка 10 может быть сформирована путем осаждения сплошного слоя каталитического материала на изолирующий слой 12 любым обычным методом осаждения, включая без ограничения химическое осаждение из паровой (газовой) фазы с использованием применимых исходных материалов, таких как галоидные соединения и карбонилы металлов, металлизацию напылением и физическое осаждение из паровой фазы с последующим применением стандартной литографии и избирательного травления для структурирования сплошного слоя. Материалом катализатора площадки 10 является любой материал, способный служить центром кристаллизации и поддерживать рост углеродных нанотрубок 14 после воздействия соответствующих реагентов в условиях химической реакции, способствующих росту нанотрубки. Например, применимые материалы катализатора включают без ограничения железо, платину, никель, кобальт соединения каждого из перечисленных металлов и сплавы каждого из перечисленных металлов, такие как силициды.
Углеродные нанотрубки 14 выращивают на катализаторной площадке 10 любым применимым методом выращивания или осаждения. В одном из вариантов осуществления углеродные нанотрубки 14 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 (С2Н4), смесь ацетилена и аммиака (NH3), смесь ацетилена и азота (N2), смесь ацетилена и водорода (Н2), ксилол (С6Н4(СН3)2) и смесь ксилола и ферроцена (Fe(C5H5)2) вусловиях роста, которые способствуют росту углеродных нанотрубок на материале катализатора, образующем катализаторную площадку 10. Углеродсодержащий реагент и катализаторную площадку 10 нагревают до температуры, достаточной для содействия и/или ускорения выращивания методом химического осаждения из паровой фазы. Реагент вступает в химическую реакцию с материалом катализатора площадки 10, являясь центром кристаллизации углеродных нанотрубок 14 и поддерживая их рост после зарождения центров кристаллизации. Каталитический материал площадки 10 участвует в выращивании нанотрубок, но при этом не происходит его превращения или расходования в процессе химической реакции, протекающей на его незащищенной (открытой) поверхности, за счет уменьшения возникающей энергии активации реакции, формирующей углеродные нанотрубки 14.
Углеродные нанотрубки 14 представляют собой полые цилиндрические трубки, образованные точно упорядоченными группами шестигранных колец связанных атомов углерода. Цилиндрические трубки имеют диаметр от около 0,5 до около 20 нм и толщину боковых стенок от около 5 до около 3 нм. Предполагается, что углеродные нанотрубки 14 имеют статистическое распределение высот или длин, которые измеряют между свободным концом или верхушкой 16 и связанным концом или основанием 18. Углеродные нанотрубки 14 в среднем проходят преимущественно вертикально вверх от катализаторной площадки 10 перпендикулярно или по меньшей мере приблизительно перпендикулярно к горизонтальной поверхности катализаторной площадки 10. Одна или все углеродные нанотрубки 14 могут незначительно отклоняться от указанного вертикального направления, при этом ориентация нанотрубок может быть описана статистическим распределением, которое в среднем является преимущественно вертикальным. Плотность нанотрубок и расстояние между соседними углеродными нанотрубками 14 среди прочих переменных величин зависят от условий выращивания. Углеродные нанотрубки 14, как правило, выращивают преимущественно через произвольные пространственные интервалы на незащищенной площади поверхности катализаторной площадки 10.
Условия выращивания методом химического осаждения из паровой фазы или плазменно-химического осаждения из паровой фазы выбирают таким образом, чтобы предпочтительно получать углеродные нанотрубки 14 с полупроводящей электронной или молекулярной структурой. В качестве альтернативы, углеродные нанотрубки 14 с полупроводящей молекулярной структурой предпочтительно выбирают из случайного набора углеродных нанотрубок 14 непосредственно после выращивания, в который входят нанотрубки как с металлическими, так и с полупроводящими молекулярными структурами, для чего, например, воздействуют достаточно сильным током, чтобы разрушить нанотрубки 14 с металлической (т.е. проводящей) молекулярной структурой. Разрушение проводящих углеродных нанотрубок после их синтеза описано в патенте US 6423583 (принадлежащем правообладателю настоящего изобретения), содержание которого посредством ссылки полностью включено в настоящее описание. Нанотрубки 14 могут состоять из иного, чем углерод материала, обладающего запрещенной зоной и полупроводниковыми свойствами.
Используемый в описании термин "горизонтальный" относится к плоскости, которая параллельна обычной плоскости или поверхности подложки 12 и нижележащей пластины 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.
На фиг.2 показан тонкий слой 20 диэлектрика, который равномерно осажден на катализаторную площадку 10 и изолирующую подложку 12. Слой 20 диэлектрика может состоять из диоксида кремния (SiO2), осажденного методом химического осаждения из паровой фазы при пониженном давлении с использованием тетраэтилортосиликата в качестве источника исходного материала для кремния. Слой 20 диэлектрика также покрывает наружную поверхность каждой из углеродных нанотрубок 14 по их высоте или длине соответственно. Вместо оксида на основе тетраэтилортосиликата может применяться множество других материалов, если они обеспечивают электрическую изоляцию. Покрытия углеродных нанотрубок 14 образуют соответствующие диэлектрики 22 затвора, которые являются структурной особенностью конструкции полевого транзистора, как это описано ниже.
Сплошной слой 24 проводящего материала, осажденного на изолирующую подложку 12, заполняет свободные пространства между соседними углеродными нанотрубками 14 и покрывает нанотрубки 14, изолирующую подложку 12 и катализаторную площадку 10. Сплошной слой 24 электрически изолирован от изолирующей подложки 12 участками слоя 20 диэлектрика. Применимые проводящие материалы для сплошного слоя 24 включают без ограничения алюминий (Al), медь (Cu), золото (Au), молибден (Мо), тантал (Та), титан (Ti) и вольфрам (W). Сплошной слой 24 может быть осажден любым применимым методом осаждения, таким как химическое осаждение из паровой фазы путем термического разложения/термолиза металлосодержащего исходного материала, такого как галоидные соединения и карбонилы металлов, физическое осаждение из паровой фазы или осаждение напылением. Сплошной слой 24 должен иметь достаточную толщину, чтобы полностью покрывать свободные концы покрытых изоляцией углеродных нанотрубок 14. Каждый диэлектрик 22 затвора изолирует от сплошного слоя 24 соответствующую углеродную нанотрубку 14.
На фиг.3 показано, что незащищенная поверхность 26 сплошного слоя гладко отполирована методом химико-механического полирования или любым иным применимым методом выравнивания. Обычно химико-механическое полирование предусматривает полирование или механическое шлифование с помощью абразивной суспензии, которую вводят между полировальником и сплошным слоем 24. Толщину сплошного слоя 24 уменьшают, удаляя материал на достаточную глубину для того, чтобы верхушки 16 значительного числа углеродных нанотрубок 14 находились преимущественно в одной плоскости с незащищенной поверхностью 26 и были доступны для последующей обработки.
Как показано на фиг.4, незащищенную поверхность 26 сплошного слоя 24 удаляют избирательно по отношению к углеродным нанотрубкам 14 таким образом, чтобы верхушки 16 выступали над незащищенной поверхностью 26. Методы удаления незащищенной поверхности 26 включают реактивное ионное травление и влажное травление применимым травильным раствором. Например, травление поликристаллического кремния или алюминия, образующих сплошной слой 24, может осуществляться методом реактивного ионного травления с использованием хлорсодержащего газа, бромсодержащего газа или их смеси, которые обладают избирательным действием в отношении SiO2. Толщина оставшегося сплошного слоя 24 задает длину канала структуры полевого транзистора.
Как показано на фиг.5, в сплошном слое 24 сформирована выемка (углубление) 28, которая проходит в вертикальном направлении от незащищенной поверхности 26 на глубину слоя 20 диэлектрика. Выемку 28 создают методом стандартной литографии и травления с целью структурирования сплошного слоя 24 таким образом, чтобы обнажить немаскированные участки, на которых будет сформирована выемка 28 и другие аналогичные выемки для других подобных структур, и маскированные участки, а затем осуществляют травление, например, методом сухого травления с использованием, например, NH3, чтобы удалить проводящий материал из немаскированных участков. Слой 20 диэлектрика служит тормозящим травление слоем. Методом стандартной литографии и травления, который может являться тем же методом стандартной литографии и травления, которым сформирована выемка 28, сплошной слой 24 также разделен или перегорожен на отдельные электроды 30 затвора, задающие будущее положение отдельных структур 42 полевых транзисторов (фиг.8). Все углеродные нанотрубки 14, которые могут находиться на немаскированных участках сплошного слоя 24, удаляют методом травления, которым сформирована выемка 28, или любым иным применимым методом, обеспечивающим удаление углеродных нанотрубок 14 из выемки 28. В изобретении предусмотрено, что технологические операции, описанные со ссылкой на фиг.4 и 5, могут осуществляться в обратном порядке, когда отдельные электроды 30 затвора формируют до создания выемки на незащищенной поверхности 26 с целью обнажения верхушек 16 углеродных нанотрубок 14.
На фиг.6 показан конформно сформированный изолирующий слой 32 диэлектрического материала, который заполняет выемку 28 и покрывает незащищенные участки сплошного слоя 24, включая верхушки 16 углеродных нанотрубок 14. Изолирующий слой 32 может представлять собой, например, нитрид кремния (Si3N4), осажденный методом химического осаждения из паровой фазы при пониженном давлении или плазменно-химического осаждения из паровой фазы с использованием NH3 и силана (SiH4) в качестве источников исходного материала, или SiO2, осажденный методом химического осаждения из паровой фазы с использованием тетраэтилортосиликата в качестве источника исходного материала. Часть изолирующего слоя 32, заполняющая выемку 28, электрически изолирует соседние электроды 30 затвора друг от друга.
На фиг.7 показано, что верхушка 16 каждой углеродной нанотрубки 14 выступает над утопленной незащищенной плоской поверхностью 33 изолирующего слоя 32 и с нее удален участок изолирующего слоя 22 затвора. С этой целью изолирующий слой 32 гладко отполирован методом химико-механического полирования или любым иным применимым методом выравнивания, чтобы образовалась незащищенная поверхность 33. Затем незащищенную поверхность 33 дополнительно углубляют относительно углеродных нанотрубок 14 при помощи одного или нескольких методов реактивного ионного травления, чтобы избирательно по отношению к углеродным нанотрубкам 14 удалить изолирующий слой 32 и диэлектрик 22 затвора на глубину утопленной незащищенной поверхности 33. В качестве альтернативы может применяться метод влажного травления при помощи применимого травильного раствора, такого как буферный раствор фтористоводородной кислоты. Углеродные нанотрубки 14 могут иметь определенное распределение высот и, хотя это и не показано, после углубления незащищенной поверхности 33 некоторые углеродные нанотрубки 14 могут оставаться заглубленными в изолирующий слой 32 и/или электроды 30 затвора.
На фиг.8 показано, что в изолирующем слое методом стандартной литографии и травления в соответствующих положениях созданы контактные окна, заполненные проводящим материалом, в результате чего сформированы контакты 36 затвора и контакты 38 истока. Методом стандартной литографии и травления также созданы участки проводящего материала, которые служат контактами 40 стока. Каждый контакт 36 затвора электрически связан, предпочтительно омически, с одним из электродов 30 затвора, а каждый контакт 38 истока электрически связан, предпочтительно омически, с одной из катализаторных площадок 10. Каждый контакт 40 стока электрически связан, предпочтительно омически, с верхушками 16 углеродных нанотрубок, проходящих через соответствующий электрод 30 затвора. Контакты 36, 38, 40 электрически изолированы друг от друга и сформированы из любого применимого проводящего материала, включая без ограничения Au, Al, Cu, Мо, Та, Ti и W, осажденного, например, методом химического осаждения из паровой фазы, физического осаждения из паровой фазы или осаждения напылением. Для изготовления структуры межсоединений, которая связывает контакты 36, 38, 40 с соответствующими контактами соседних полевых транзисторов, также используют стандартный метод окончательной обработки.
Законченная структура 42 образует полевой транзистор, который имеет затвор или область затвора, образованную одним или несколькими электродами 30 затвора, исток или область истока, образованную катализаторной площадкой 10 и контактом 38 истока, сток или область стока, образованную контактом 40 стока, полупроводящую канальную область, в целом ограниченную длиной углеродных нанотрубок 14, проходящих через соответствующий электрод 30 затвора в вертикальном направлении относительно горизонтальной плоскости изолирующей подложки 12, и диэлектрик затвора, образованный каждым из отдельных диэлектриков 22 затвора, покрывающих нанотрубки 14. Несмотря на то, что на фиг.8 показано лишь две законченные структуры 42 устройства, подразумевается, что на изолирующей подложке 12 размещено множество точных копий структуры 42, что подробно описано ниже. Каждая законченная структура 42 устройства электрически связана с дополнительными схемными компонентами (не показанными), помещающимися на соседних участках изолирующей подложки 12. При подаче электрического напряжения на один из электродов 30 затвора через соответствующий контакт 36 затвора с целью создания канала, проходящего через углеродные нанотрубки 14, поток носителей заряда избирательно перемещается от катализаторной площадки 10 через углеродные нанотрубки 14 к контакту 40 стока.
Как показано на фиг.9 и 10, на которых для обозначения элементов, проиллюстрированных на фиг.1 и 2, использованы те же позиции и согласно альтернативному варианту осуществления изобретения структура 50 конденсаторного устройства (фиг.10) может быть сформирована при помощи иной последовательности технологических операций, осуществляемых после стадии изготовления устройства, проиллюстрированного на фиг.2. В частности, сплошной слой 24 проводящего материала выравнивают до уровня, расположенного выше покрытых диэлектриком верхушек 16 углеродных нанотрубок 14, и наносят на выровненный сплошной слой 24 и слой 52 проводящего материала. С катализаторной площадкой 10 электрически связан контакт (не показанный), при этом катализаторная площадка 10 и углеродные нанотрубки 14 питают один электрод или пластинку структуры 50 конденсаторного устройства, а слой 52 питает противоположный электрод или пластинку структуры 50 конденсаторного устройства. Слой 20 диэлектрика электрически изолирует обе пластинки. Наличие углеродных нанотрубок 14, покрытых слоем 20 диэлектрика, позволяет увеличить площадь полезной поверхности одной из пластинок.
Поскольку углеродные нанотрубки 14 являются полупроводящими, на пластинки структуры 50 конденсаторного устройства необходимо подавать неизменное наложенное напряжение смещения, чтобы углеродные нанотрубки 14 проводили ток. В альтернативном варианте осуществления углеродные нанотрубки 14 могут быть выращены в условиях выращивания, обеспечивающих формирование проводящей молекулярной структуры, в связи с чем неизменное напряжение смещения не требуется.
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, выступающий от подложки в вертикальном направлении, полупроводниковые нанотрубки, проходящие в вертикальном направлении через электрод затвора между их противоположными первым и вторым концами, диэлектрик затвора, электрически изолирующий указанные полупроводниковые нанотрубки от электрода затвора, сток, электрически связанный со вторым концом полупроводниковых нанотрубок, и контакт истока, расположенный на той же стороне, что и сток, и сформированный посредством создания контактного окна в изолирующем слое, изолирующем его от электрода затвора, причем контакт истока электрически связан с указанным первым концом полупроводниковых нанотрубок.
2. Структура по п.1, в которой полупроводниковые нанотрубки выращены на площадке, образующей исток, сформированный из каталитического материала, способствующего выращиванию полупроводниковой нанотрубки, и электрически связанный с контактом истока.
3. Структура по п.2, в которой нанотрубки состоят из атомов углерода, а на указанную площадку из каталитического материала и наружную поверхность каждой из углеродных нанотрубок по их высоте осажден слой диэлектрика, образующий диэлектрик затвора.
4. Структура по п.1, в которой сток сформирован из каталитического материала, способствующего выращиванию полупроводниковой нанотрубки.
5. Структура по п.1, в которой полупроводниковая нанотрубка состоит из упорядоченных атомов углерода.
6. Структура по п.1, в которой полупроводниковая нанотрубка образует канальную область полевого транзистора, имеющего канал, управление движением тока по которому осуществляется путем подачи управляющего напряжения на электрод затвора.
7. Структура по п.1, в которой полупроводниковые нанотрубки ориентированы, по существу, перпендикулярно указанной горизонтальной плоскости.
8. Структура по п.1, включающая множество полупроводниковых нанотрубок, проходящих в вертикальном направлении через электрод затвора.
9. Способ формирования вертикальной структуры полупроводникового устройства, в котором формируют на подложке контактную площадку, выращивают полупроводниковые нанотрубки, которые проходят от контактной площадки, по существу, в вертикальном направлении от своего первого конца, электрически связанного с контактной площадкой, до второго свободного конца, электрически изолируют указанные полупроводниковые нанотрубки посредством диэлектрика затвора, формируют электрод затвора, который электрически изолирован от лежащей ниже контактной площадки и через который проходят в вертикальном направлении полупроводниковые нанотрубки, и формируют контакт, электрически связанный со вторым концом полупроводниковых нанотрубок и электрически изолированный от электрода затвора, причем при электрической изоляции полупроводниковой нанотрубки ее помещают в оболочку из диэлектрика затвора, при формировании контакта со свободного конца полупроводниковой нанотрубки удаляют диэлектрик затвора и снабжают нанотрубку металлическим элементом, выполняющим функцию контакта, и дополнительно на электроде затвора формируют изолирующий слой и выполняют в нем углубление с обнажением свободного конца полупроводниковой нанотрубки и созданием контактного окна для формирования на свободном конце полупроводниковой нанотрубки контакта истока, электрически связанного с указанным первым концом полупроводниковой нанотрубки.
10. Способ по п.9, в котором полупроводниковая нанотрубка представляет собой углеродную нанотрубку, а контактную площадку формируют из каталитического материала, способствующего выращиванию углеродных нанотрубок, при этом выращивание полупроводниковой нанотрубки осуществляют посредством воздействия на контактную площадку углеродсодержащим реагентом в условиях, способствующих внедрению атомов углерода в углеродную нанотрубку с полупроводниковой молекулярной структурой.
11. Способ по п.9, в котором полупроводниковую нанотрубку выращивают методом химического осаждения из паровой фазы.
12. Способ по п.9, в котором свободный конец полупроводниковой нанотрубки вводят в металл, образующий контакт.
13. Способ по п.9, в котором полупроводниковая нанотрубка характеризуется наличием упорядоченных атомов углерода.
14. Способ по п.9, в котором полупроводниковая нанотрубка образует канальную область полевого транзистора, каналом которого управляют путем подачи управляющего напряжения на электрод затвора.
15. Способ по п.9, в котором при формировании электрода затвора на контактную площадку наносят изолирующий слой, поверх изолирующего слоя наносят проводящий слой и структурируют проводящий слой, чтобы сформировать электрод затвора.
16. Способ по п.15, в котором при формировании контакта выполняют углубление в изолирующем слое, чтобы обнажить свободный конец полупроводниковой нанотрубки.
17. Способ по п.16, в котором дополнительно удаляют диэлектрик затвора со свободного конца полупроводниковой нанотрубки и снабжают металлическим элементом в качестве контакта.
18. Способ по п.9, в котором полупроводниковая нанотрубка образует канальную область полевого транзистора, у которого движением тока по каналу управляют путем подачи управляющего напряжения на электрод затвора.
19. Способ по п.9, в котором выращивают по меньшей мере одну проводящую нанотрубку, проходящую, по существу, в вертикальном направлении от контактной площадки, и до формирования электрода затвора проводящую нанотрубку разрушают.
