DE602005005302T2 - Vertikal-feldeffekttransistoren mit in einem abstandsschichtdefinierten durchgang aufgewachsenen halbleitenden nanoröhren - Google Patents

Vertikal-feldeffekttransistoren mit in einem abstandsschichtdefinierten durchgang aufgewachsenen halbleitenden nanoröhren Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft die Herstellung von Halbleitereinheiten und insbesondere vertikale Feldeffekttransistoren mit halbleitenden Nanoröhren als Kanalzone und Verfahren zur Herstellung solcher vertikalen Feldeffekttransistoren.
  • Herkömmliche Feldeffekttransistoren (FETs) sind bekannte übliche Einheiten, welche gewöhnlich als wesentlicher Baublock in das komplizierte Schaltungssystem von Chips mit integrierten Schaltungen (IC) eingebaut werden. Ein einzelner IC-Chip kann viele Tausende bis Millionen FETs aufweisen, zusammen mit anderen passiven Komponenten wie Widerständen und Kondensatoren, welche durch Leiterbahnen verbunden sind. FETs arbeiten, indem sie den spezifischen Widerstand eines Kanals in einer Kanalzone variieren, welche eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode trennt. Ladungsträger fließen im Verhältnis zur Variation des spezifischen elektrischen Widerstandes durch den Kanal von der Source-Elektrode zu der Drain-Elektrode. Elektronen sind verantwortlich für die Kanalleitung in N-Kanal-FETs, und in P-Kanal-FETs sind Defektelektronen für die Leitung im Kanal verantwortlich. Der Ausgangsstrom des FET wird variiert durch Anlegen einer Spannung an eine elektrostatisch verbundene Gate-Elektrode, welche sich über der Kanalzone zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode befindet. Ein dünnes Gate-Dielektrikum isoliert die Gate-Elektrode elektrisch von der Kanalzone. Eine kleine Veränderung der Gate-Spannung kann eine große Variation des Stromflusses von der Source-Elektrode zur Drain-Elektrode bewirken.
  • FETs können in horizontale Architekturen und vertikale Architekturen eingeteilt werden. Horizontale FETs weisen einen Ladungsträgerfluss von der Source-Elektrode zur Drain-Elektrode in einer Richtung parallel zu der horizontalen Ebene des Substrats auf, auf welchem sie gebildet werden. Vertikale FETs weisen einen Ladungsträgerfluss von der Source-Elektrode zur Drain-Elektrode in einer Richtung vertikal zu der horizontalen Ebene des Substrats auf, auf welchem sie gebildet werden. Da die Kanallänge für vertikale FETs nicht von der kleinsten Bauelementgröße abhängt, die durch lithographische Geräte und Verfahren auflösbar ist, können vertikale FETs mit einer kürzeren Kanallänge als horizontale FETs hergestellt werden. Demzufolge können vertikale FETs schneller schalten und besitzen eine höhere Übertragungsleistung als horizontale FETs. Kohlenstoff-Nanoröhren sind Zylinder im Nanomaßstab mit einem hohen Seitenverhältnis, welche aus hexagonalen Ringen von Kohlenstoffatomen bestehen und für die Verwendung bei der Bildung von Hybrideinheiten wie FETs vorgeschlagen wurden. Kohlenstoff-Nanoröhren leiten wirksam in ihrer leitenden Form und wirken als Halbleiter in ihrer halbleitenden Form. Horizontale FETs sind hergestellt worden, indem eine einzelne halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhre als Kanalzone verwendet wird und Ohm'sche Kontakte an den gegenüberliegenden Enden der Kohlenstoff-Nanoröhre gebildet werden, die sich zwischen einer Gold-Source-Elektrode und einer Gold-Drain-Elektrode erstreckt, welche auf der Oberfläche eines Substrats angeordnet sind. In dem Substrat wird eine Gate-Elektrode definiert, welche der Kohlenstoff-Nanoröhre unterlagert ist und sich im Allgemeinen zwischen der Source- und der Drain-Elektrode befindet. Die freiliegende Oberfläche des Substrats wird oxidiert, um ein Gate-Dielektrikum zwischen der vergrabenen Gate-Elektrode und der Kohlenstoff-Nanoröhre zu definieren. Solche horizontalen FETs sollten zuverlässig schalten und dabei aufgrund der kleinen Abmessungen der Kohlenstoff-Nanoröhre deutlich weniger Energie verbrauchen als eine vergleichbare Einheitsstruktur auf Siliciumbasis. Obwohl sie unter Laborbedingungen erfolgreich gebildet werden, indem einzelne Kohlenstoff-Nanoröhren unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops bearbeitet werden, sind diese horizontalen FET-Einheitsstrukturen nicht mit Massenfertigungstechniken vereinbar.
  • US2003/0132461 beschreibt ein Beispiel für einen herkömmlichen FET, welcher mindestens eine Nanoröhre als Kanalzone umfasst.
  • Benötigt wird deswegen eine vertikale FET-Struktur mit einer oder mehreren halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhren als Kanalzone, welche mit Massenfertigungstechniken für IC-Chips vereinbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird eine vertikale Halbleitereinheitsstruktur bereitgestellt, welche das Folgende umfasst: ein Substrat, welches eine im Wesentlichen horizontale Ebene definiert; eine Gate-Elektrode, welche vertikal aus dem Substrat herausragt und eine vertikale Seitenwand umfasst; einen Abstandhalter, welcher die vertikale Seitenwand flankiert; eine halbleitende Nanoröhre, welche zwischen der Gate-Elektrode und dem Abstandhalter angeordnet ist und sich zwischen gegenüberliegenden ersten und zweiten Enden mit einer im Wesentlichen vertikalen Ausrichtung erstreckt; ein Gate- Dielektrikum, welches auf der vertikalen Seitenwand zwischen der Nanoröhre und der Gate-Elektrode angeordnet ist; eine Source-Elektrode, welche mit dem ersten Ende der Nanoröhre elektrisch verbunden ist; und eine Drain-Elektrode, welche mit dem zweiten Ende der Nanoröhre elektrisch verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter von dem Substrat durch einen Spalt getrennt ist, wobei der Spalt mit einem isolierenden Material gefüllt wird, nachdem die halbleitende Nanoröhre gebildet ist.
  • Der Abstandhalter ist vorzugsweise durch einen Durchgang von der vertikalen Seitenwand getrennt. Der Durchgang weist vorzugsweise horizontale Abmessungen auf, die für das Anwachsen der halbleitenden Nanoröhre geeignet sind, und eine vertikale Abmessung, die größer oder gleich einer vertikalen Höhe der vertikalen Seitenwand der Gate-Elektrode ist. Der Durchgang kann, betrachtet in einer vertikalen Richtung, ein rechteckiges Querschnittsprofil aufweisen. Die Source-Elektrode ist vorzugsweise aus einem Katalysatormaterial zusammengesetzt, welches bewirkt, dass die halbleitende Nanoröhre durch ein chemisches Abscheidungsverfahren aus der Gasphase synthetisiert wird, wobei die Source-Elektrode in vertikaler Ausrichtung mit dem Durchgang auf dem Substrat angeordnet ist. Der Abstandhalter weist vorzugsweise vertikal einen Abstand zu dem Substrat auf, um einen Spalt zu definieren, der bewirkt, dass dem Katalysatormaterial der Source-Elektrode ein Reaktant bereitgestellt wird, der bewirkt, dass die halbleitende Nanoröhre durch ein chemisches Abscheidungsverfahren aus der Gasphase anwächst. Der Spalt wird vorzugsweise mit einem isolierenden Material gefüllt, nachdem die halbleitende Nanoröhre durch ein chemisches Abscheidungsverfahren aus der Gasphase angewachsen ist. Der Raum innerhalb des Durchgangs, der nicht mit den mehreren Nanoröhren besetzt ist, kann mit einem isolierenden Material gefüllt werden.
  • In einer anderen Erscheinungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung einer Halbleitereinheitsstruktur bereitgestellt, welches das Folgende umfasst: Bilden eines Katalysatorfeldes auf einem Substrat; Bilden einer Gate-Elektrode in Nachbarschaft zu dem Katalysatorfeld; Bilden eines ersten Abstandhalters auf einer vertikalen Seitenwand der Gate-Elektrode in einer Position, die das Katalysatorfeld überlagert; Bilden eines zweiten Abstandhalters auf dem ersten Abstandhalter; Entfernen des ersten Abstandhalters, um einen Durchgang zwischen dem zweiten Abstandhalter und der Gate-Elektrode zu definieren, wobei der Durchgang an einem Ende eine offene Mündung aufweist und am gegenüberliegenden Ende das Katalysatorfeld angeordnet ist; Bilden eines Gate-Dielektrikums auf der vertikalen Seitenwand; und Synthetisieren einer halbleitenden Nanoröhre auf dem Katalysatorfeld, welche sich im Wesentlichen vertikal von dem Katalysatorfeld zu einem freien Ende in der Nähe der offenen Mündung des Durchgangs erstreckt; dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstandhalter von dem Substrat vertikal durch einen Spalt getrennt ist, welcher für einen Fließweg zu dem Katalysatorfeld sorgt, und dass das Synthetisieren der halbleitenden Nanoröhre das Folgende umfasst: Leiten eines Recktanten durch den durch den Spalt definierten Fließweg, welcher an dem Katalysatorfeld chemisch reagieren kann, um die halbleitende Nanoröhre zu synthetisieren.
  • Das Entfernen des ersten Abstandhalters umfasst vorzugsweise das selektive Ätzen des ersten Abstandhalters relativ zu der Gate-Elektrode, dem zweiten Abstandhalter und dem Substrat. Das selektive Ätzen des ersten Abstandhalters umfasst vorzugsweise ferner das isotrope Ätzen des ersten Abstandhalters. Das Bilden des zweiten Abstandhalters umfasst vorzugsweise ferner das anisotrope Ätzen des zweiten Abstandhalters. Das Bilden des Gate-Dielektrikums umfasst ferner das Oxidieren der Seitenwand der Gate-Elektrode, um das Gate-Dielektrikum zu bilden.
  • Das Verfahren umfasst vorzugsweise ferner das Bedecken der offenen Mündung des Durchgangs und der Gate-Elektrode mit einer Schicht isolierenden Materials und das Bilden eines Kontakts in der Schicht des isolierenden Materials, welcher mit dem freien Ende der halbleitenden Nanoröhre elektrisch verbunden ist.
  • Das Verfahren kann ferner das Bilden eines dritten Abstandhalters, welcher einen bedeckten Abschnitt des Katalysatorfeldes überlappt und einen unbedeckten Abschnitt des Katalysatorfeldes frei lässt, nachdem die Gate-Elektrode und das Katalysatorfeld gebildet wurde, und das Entfernen des unbedeckten Abschnitts des Katalysatorfeldes umfassen, um einen Oberflächenbereich des Katalysatorfeldes zu verringern. Das Entfernen des freiliegenden Abschnitts des Katalysatorfeldes kann das selektive Ätzen des unbedeckten Abschnitts des Katalysatorfeldes relativ zu der Gate-Elektrode und dem Substrat umfassen. Das Verfahren kann ferner das Bilden eines Kontakts umfassen, der mit dem freien Ende der halbleitenden Nanoröhre elektrisch verbunden ist.
  • Das freie Ende der halbleitenden Nanoröhre kann in einen Metallstecker ragen, aus welchem der Kontakt aufgebaut ist.
  • Die halbleitende Nanoröhre kann eine Kohlenstoff-Nanoröhre sein, die aus angeordneten Kohlenstoffatomen zusammengesetzt ist. Das Gate-Dielektrikum kann gebildet werden, ohne die Fähigkeit des Katalysatorfeldes nachteilig zu beeinflussen, das Anwachsen der halbleitenden Nanoröhre zu katalysieren. Die halbleitende Nanoröhre kann eine Kanalzone eines Feldeffekttransistors definieren, der einen Kanal aufweist, entlang welchem der Stromfluss durch Anlegen einer Regelspannung an die Gate-Elektrode reguliert wird.
  • Das Verfahren kann ferner das Synthetisieren mehrerer halbleitender Nanoröhren umfassen, die zwischen der Gate-Elektrode und dem Abstandhalter angeordnet sind, wobei sich jede der mehreren halbleitenden Nanoröhren von dem Katalysatorfeld zu einem freien Ende in Nachbarschaft zu der offenen Mündung des Durchgangs erstreckt. Das Verfahren kann ferner das Folgende umfassen: Bedecken der offenen Mündung des Durchgangs und der Gate-Elektrode mit einer Schicht isolierenden Materials und Bilden eines Kontakts in der Schicht des isolierenden Materials, welcher mit dem freien Ende mindestens einer der mehreren halbleitenden Nanoröhren elektrisch verbunden ist. Bei den mehreren halbleitenden Nanoröhren kann es sich um Kohlenstoff-Nanoröhren handeln. Der Durchgang des Verfahrens kann horizontale Abmessungen aufweisen, welche für das Anwachsen der halbleitenden Nanoröhre geeignet sind, und eine vertikale Abmessung, die größer oder gleich einer vertikalen Höhe der vertikalen Seitenwand der Gate-Elektrode ist. Der Durchgang kann, betrachtet in einer vertikalen Richtung, ein rechteckiges Querschnittsprofil aufweisen. Das Katalysatorfeld kann in vertikaler Ausrichtung mit dem Durchgang auf dem Substrat angeordnet sein. Der Abstandhalter weist vorzugsweise vertikal einen Abstand zu dem Substrat auf, um einen Spalt zu definieren, der bewirkt, dass dem Katalysatorfeld ein Reaktant bereitgestellt wird, der bewirkt, dass die halbleitende Nanoröhre durch ein chemisches Abscheidungsverfahren aus der Gasphase anwächst.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Anwachsen der Nanoröhren beschränkt auf eine wohldefinierte vertikale Richtung des Anwachsens innerhalb eines offenen Raums mit einem hohen Seitenverhältnis oder innerhalb eines Durchgangs, der durch einen Abstandhalter in Nachbarschaft zu der Gate-Elektrode definiert ist. Als Ergebnis werden die üblichen Schwierigkeiten beseitigt, die mit dem isotropen gerichteten Wachstum der Nanoröhren verbunden sind. Es kann ein Spalt in dem Abstandhalter bereitgestellt werden, welcher ein wirksames und effektives Einführen des oder der Recktanten, der oder die benötigt werden, um die Kohlenstoff-Nanoröhren anwachsen zu lassen, in den Durchgang in Nachbarschaft der Grenzzone zwischen dem Katalysatormaterial und jeder anwachsenden Nanoröhre ermöglicht. Die Länge der Kanalzone zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode wird definiert durch die vertikale Abmessung oder die Dicke der Gate-Elektrode, ohne die Beschränkungen, welche herkömmliche lithographische Verfahren mit sich bringen, die bei der Herstellung von Halbleitereinheiten angewendet werden. Als Ergebnis kann die Länge der Kanalzone eine Bauelementgröße aufweisen, die kleiner ist als Bauelementgrößen, welche durch Standard-Lithographie- und Ätzverfahren erzeugt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die begleitenden Zeichnungen, welche in die vorliegende Beschreibung einbezogen sind und einen Teil dieser bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der oben gegebenen allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der unten gegebenen detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen dazu, die Grundsätze der Erfindung zu erklären.
  • 1A ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt des Substrats;
  • 1B ist eine im Allgemeinen entlang der Linien 1B-1B in 1A aufgenommene Querschnittsansicht;
  • 2A ist eine ähnliche Draufsicht wie 1A in einer nachfolgenden Stufe der Fabrikation;
  • 2B ist eine im Allgemeinen entlang der Linien 2B-2B in 2A aufgenommene Querschnittsansicht;
  • 3A ist eine ähnliche Draufsicht wie 2A in einer nachfolgenden Stufe der Fabrikation;
  • 3B ist eine im Allgemeinen entlang der Linien 3B-3B in 3A aufgenommene Querschnittsansicht;
  • 4A ist eine ähnliche Draufsicht wie 3A in einer nachfolgenden Stufe der Fabrikation;
  • 4B ist eine im Allgemeinen entlang der Linien 4B-4B in 4A aufgenommene Querschnittsansicht;
  • 5A ist eine ähnliche Draufsicht wie 4A in einer nachfolgenden Stufe der Fabrikation;
  • 5B ist eine im Allgemeinen entlang der Linien 5B-5B in 5A aufgenommene Querschnittsansicht;
  • 6A ist eine ähnliche Draufsicht wie 5A in einer nachfolgenden Stufe der Fabrikation;
  • 6B ist eine im Allgemeinen entlang der Linien 6B-6B in 6A aufgenommene Querschnittsansicht;
  • 7A ist eine ähnliche Draufsicht wie 6A in einer nachfolgenden Stufe der Fabrikation;
  • 7B ist eine im Allgemeinen entlang der Linien 7B-7B in 7A aufgenommene Querschnittsansicht;
  • 8A ist eine ähnliche Draufsicht wie 7A in einer nachfolgenden Stufe der Fabrikation;
  • 8B ist eine im Allgemeinen entlang der Linien 8B-8B in 8A aufgenommene Querschnittsansicht;
  • 9A ist eine ähnliche Draufsicht wie 8A in einer nachfolgenden Stufe der Fabrikation;
  • 9B ist eine im Allgemeinen entlang der Linien 9B-9B in 9A aufgenommene Querschnittsansicht;
  • 10A ist eine ähnliche Draufsicht wie 9A in einer nachfolgenden Stufe der Fabrikation;
  • 10B ist eine im Allgemeinen entlang der Linien 10B-10B in 10A aufgenommene Querschnittsansicht;
  • 11A ist eine ähnliche Draufsicht wie 10A in einer nachfolgenden Stufe der Fabrikation;
  • 11B ist eine im Allgemeinen entlang der Linien 11B-11B in 11A aufgenommene Querschnittsansicht;
  • 12A ist eine ähnliche Draufsicht wie 11A in einer nachfolgenden Stufe der Fabrikation;
  • 12B ist eine im Allgemeinen entlang der Linien 12B-12B in 12A aufgenommene Querschnittsansicht;
  • 13A ist eine ähnliche Draufsicht wie 12A in einer nachfolgenden Stufe der Fabrikation;
  • 13B ist eine im Allgemeinen entlang der Linien 13B-13B in 13A aufgenommene Querschnittsansicht.
  • Beste Art der Ausführung der Erfindung
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft vertikale Feldeffekttransistoren (FETs), in welchen Kohlenstoff-Nanoröhren als halbleitendes Material für die Kanalzone verwendet werden, welche einen selektiven Leitweg zwischen einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode bereitstellen. Gemäß den Grundsätzen der Erfindung lässt man die Kohlenstoff-Nanoröhren in einem eingegrenzten vertikalen offenen Raum oder Durchgang anwachsen, so dass ein isotropes Anwachsen verhindert wird. Als Ergebnis sind die Kohlenstoff-Nanoröhren im Wesentlichen vertikal ausgerichtet und befinden sich an einer gewünschten Stelle in Nachbarschaft zu einer Gate-Elektrode, an welche eine Spannung angelegt wird, um den Strom zu steuern, welcher von der Source-Elektrode zur Drain-Elektrode fließt. Die Länge der Kanalzone zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode wird durch die Dicke der Gate-Elektrode definiert, welche im Wesentlichen gleich der Länge der Nanoröhre ist, und hängt nicht von einem lithographischen Verfahren ab. Die Wachstumsgeschwindigkeit der Nanoröhre wird gesteigert, indem ein zusätzlicher Fließweg für gasförmige oder verdampfte Recktanten zu einem katalytischen Material bereitgestellt wird, welches sich an der Basis des Durchgangs befindet und das Wachstum der Nanoröhren erleichtert. Als Ergebnis liegt der einzige Weg zu dem Katalysatormaterial nicht in einer vertikalen Richtung vom Eingang zur Basis eines Durchgangs mit einem hohem Seitenverhältnis vor.
  • Bezug nehmend auf 1A und 1B, wird eine Zone eines Substrats 10 mit einer planaren isolierenden Schicht 12 bedeckt, welche durch einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand im Verhältnis zum darunter liegenden Substrat 10 gekennzeichnet ist. Bei dem Substrat 10 kann es sich um irgendein geeignetes Halbleiter-Substratmaterial handeln, z. B., ohne darauf beschränkt zu sein, Silicium (Si) und Galliumarsenid (GaAs), auf welchem eine isolierende Schicht, z. B. die isolierende Schicht 12, gebildet werden kann. Die isolierende Schicht kann zum Beispiel aus Siliciumoxid (SiO2) oder Siliciumnitrid (Si3N4) zusammengesetzt sein. Ein Katalysatorfeld 14 aus einem katalytischen Material, welches geeignet ist, das Anwachsen der Kohlenstoff-Nanoröhren zu fördern, wird auf der isolierenden Schicht 12 gebildet, indem eine Deckschicht des katalytischen Materials auf der isolierenden Schicht 12 aufgebracht wird und ein lithographisches und subtraktives Standard-Ätzverfahren angewendet wird, um die Deckschicht zu strukturieren. Die Deckschicht aus katalytischem Material, welche strukturiert wird, um das Katalysatorfeld 14 zu bilden, kann über irgendeine herkömmliche Abscheidungstechnik aufgebracht werden, z. B., ohne darauf beschränkt zu sein, chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD) durch thermische Zersetzung/Thermolyse einer metallhaltigen Vorstufe wie Metallhalogenide und Metallcarbonyle, Sputtern und physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD). Bei dem katalytischen Material im Katalysatorfeld 14 kann es sich um irgendein Material handeln, welches Kristallkeime bilden und das Anwachsen von Kohlenstoff-Nanoröhren fördern kann, wenn es unter geeigneten Reaktionsbedingungen, um das Anwachsen von Kohlenstoff-Nanoröhren zu fördern, geeigneten Recktanten ausgesetzt wird. Geeignete katalytische Materialien sind zum Beispiel, ohne darauf beschränkt zu sein, Eisen, Platin, Nickel, Kobalt und Verbindungen, z. B. Silicide, von jedem dieser Metalle. Die isolierende Schicht 12 kann weggelassen werden, und in der Alternative kann das Substrat 10 Flache-Grabenisolierungs(STI)-Strukturen oder Lokale-Oxidation-auf-Silicium(LOCOS)-Strukturen aufweisen, welche die in 1A, 1B, abgebildete Zone des Substrats 10 von benachbarten Zonen des Substrats 10 elektrisch isolieren, welche auch weitere Einheitsstrukturen wie hierin beschrieben oder andere Einheitsstrukturen umfassen können. In dieser alternativen Ausführungsform wird das Katalysatorfeld 14 über ein herkömmliches Verfahren in feldförmigen Gräben in einer Zone des Substrats 10 gebildet oder aufgebracht, welche durch die STI- oder LOCOS-Strukturen isoliert ist. Es können in Vereinbarkeit mit Massenfertigungstechniken mehrere Katalysatorfelder 14 auf der isolierenden Schicht 12 bereitgestellt werden. Bezug nehmend auf 2A und 2B, wird eine dünne isolierende Schicht 16 konform über der isolierenden Schicht 12 und dem Katalysatorfeld 14 aufgebracht. Die isolierende Schicht 16 wird aus einem dielektrischen Material wie SiO2 oder Si3N4 gebildet, welches über CVD oder thermische Zersetzung/Thermolyse einer siliciumhaltigen Vorstufe oder chemische Abscheidung aus der Gasphase bei niedrigem Druck (LPCVD) aufgebracht oder alternativ im Fall eines Oxids durch thermische Oxidation angewachsen werden kann. Eine Säule 18 aus einem leitfähigen Material wird auf der isolierenden Schicht 16 gebildet, welche das Katalysatorfeld 14 überlagert. Eine Hartmaske 20 aus einem isolierenden Material wird auf die freiliegende obere Fläche der Säule 18 aufgebracht.
  • Die Säule 18 und die Hartmaske 20, welche die Säule 18 überlagert, werden durch ein Standard-Lithographie- und Ätzverfahren gebildet, bei welchem anfänglich eine Deckschicht aus einem leitfähigen Material, wie z. B. einem über LPCVD aufgebrachten hochdotierten polykristallinen Silicium (Polysilicium), auf die isolierende Schicht 16 aufgebracht wird und dann eine Schicht aus einem isolierenden Material, z. B. SiO2 oder spezieller SiO2 auf Basis von Tetraethylorthosilicat (TEOS), auf die Deckschicht aus leitfähigem Material aufgebracht wird. Das isolierende Material wird strukturiert, um unmaskierte Bereiche der Deckschicht aus leitfähigem Material und maskierte Bereiche in Ausrichtung mit dem Katalysatorfeld 14 freizulegen, wie unten erläutert, und dann geätzt, zum Beispiel unter Anwendung eines reaktiven Ionenätz(RIE)-Verfahrens, welches gegenüber dem isolierenden Material der Hartmaske 20 selektiv ist, um das leitfähige Material in den unmaskierten Bereichen zu entfernen.
  • Bezugnahmen hierin auf Begriffe wie „vertikal", „horizontal" usw. sind beispielhaft und nicht beschränkend, um einen Bezugsrahmen herzustellen. Der Begriff „horizontal", wie er hierin verwendet wird, ist definiert als eine zur herkömmlichen Ebene oder Fläche des Substrats 10 parallele Ebene, ungeachtet der Ausrichtung. Der Begriff „vertikal" bezieht sich auf eine Richtung senkrecht zu der horizontalen wie eben definiert. Begriffe wie „auf", „über", „unter", „Seite" (wie in „Seitenwand"), „höher", „niedriger", „oberhalb", „unterhalb" und „unter" sind in Bezug auf die horizontale Ebene definiert. Es versteht sich, dass verschiedene andere Bezugsrahmen angewendet werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
  • Bezug nehmend auf 3A und 3B, wird ein Abstandhalter 22 aus einem vorübergehenden Abstandhaltermaterial um eine vertikale Seitenwand 21 der Säule 18 herum gebildet, indem eine Dünnschicht aus einem Abstandhaltermaterial konform aufgebracht wird und zum Beispiel über ein RIE-Verfahren anisotrop geätzt wird, welches gegenüber dem Material, das die isolierende Schicht 12 und die Hartmaske 20 bildet, selektiv ist. Bei dem Abstandhaltermaterial, aus welchem der Abstandhalter 22 aufgebaut ist, kann es sich zum Beispiel um SiO2 oder Si3N4 handeln. Bei dem Abstandhalter 22 handelt es sich um ein Opfermaterial, da der Abstandhalter 22 während der nachfolgenden Verarbeitung vollständig entfernt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind die isolierende Schicht 12 und die Hartmaske 20 aus SiO2 aufgebaut, und der Abstandhalter 22 ist aus Si3N4 aufgebaut, so dass das RIE-Verfahren, mit welchem der Abstandhalter 22 entfernt wird, gegenüber dem Material selektiv ist, welches die isolierende Schicht 12 und die Hartmaske 20 bildet. Der Abstandhalter 22 ragt von der Seitenwand 21 horizontal nach außen. Bezug nehmend auf 4A und 4B, wird das Katalysatorfeld 14 verkleinert, indem der Bereich der Randabschnitte, die sich von unterhalb der Säule 18 aus erstrecken, zugeschnitten wird. Zu diesem Zweck werden die Bereiche der isolierenden Schicht 16, die nicht mit der Säule 18 und dem Abstandhalter 22 maskiert sind, durch Ätzen entfernt, wobei es sich um ein Ätzverfahren handeln kann, welches von dem Ätzverfahren, mit welchem der Abstandhalter 22 definiert wird, getrennt ist, oder um ein fortgesetztes Ätzverfahren, bei welchem die Ätzbedingungen entsprechend verändert werden, um die isolierende Schicht 16 zu ätzen. Danach werden die Bereiche des Katalysatorfeldes 14 durch Ätzen entfernt, die nicht mit der Säule 18 und dem Abstandhalter 22 maskiert sind, um den freiliegenden Flächenbereich des Katalysatorfeldes 14 zu verringern, wobei es sich wiederum um ein Ätzverfahren handeln kann, welches von den Ätzverfahren, mit welchen die Bereiche der isolierenden Schicht 16 entfernt werden, getrennt ist, oder um ein fortgesetztes Ätzverfahren, bei welchem die Ätzbedingungen entsprechend verändert werden, um das Katalysatormaterial zu ätzen. Das Katalysatorfeld 14 ist mit einer Schicht 25 aus isolierendem Material bedeckt, bei welchem es sich um einen Rest der isolierenden Schicht 16 handelt.
  • Bezug nehmend auf 5A und 5B, wird der Abstandhalter 22 von der Seitenwand 21 der Säule 18 durch irgendein Nass- oder Trockenätzverfahren entfernt, welches gegenüber den Materialien, aus welchen das Substrat 10, die Hartmaske 20 und das Katalysatorfeld 14 aufgebaut sind, selektiv ist. Eine Deckschicht 26 aus einem geeigneten Abstandhaltermaterial wie SiO2 oder Germanium (Ge) wird über ein CVD- oder LPCVD-Verfahren konform auf das Substrat 10 aufgebracht. Abschnitte der Deckschicht 26, welche die Seitenwand 21 der Säule 18 bedecken, werden, wie unten erläutert, zu Abstandhaltern 30 geformt, welche ungefähr dieselbe Dicke wie der Abstandhalter 22 aufweisen. Bezug nehmend auf 6A und 6B, werden vertikal ausgerichtete Abschnitte der Deckschicht 26, der Hartmaske 20, der Säule 18 und des Katalysatorfeldes 14 unter Anwendung eines lithographischen und subtraktiven Standard-Ätzverfahrens entfernt, welches die Säule 18 in mehrere Gate-Elektroden 28 aufteilen oder partitionieren soll. Zu diesem Zweck wird eine (nicht dargestellte) Resistschicht auf die Deckschicht 26 aufgebracht, belichtet, um eine latente Abbildungsstruktur zu erzeugen, und entwickelt, um die latente Abbildungsstruktur in eine endgültige Abbildungsstruktur umzuwandeln, die maskierte Bereiche in Form von parallelen Streifen aufweist, welche die Deckschicht 26 an den zukünftigen Stellen der Gate-Elektroden 28 bedecken. Nach Beendigung des Ätzverfahrens sind Bereiche der isolierenden Schicht 12 zwischen den Gate-Elektroden 28 unbedeckt. Vorzugsweise liegt die Bauelementgröße der Gate-Elektroden 28 in oder nahe den minimalen lithographischen Dimensionen. Die Abstandhalter 30 sind als Abschnitt der strukturierten Deckschicht 26 definiert, welcher sich vertikal an einer Seitenwand 31 jeder Gate-Elektrode 28 über der Stelle der Katalysatorfelder 24 nach oben erstreckt. Bei den Abstandhaltern 30 handelt es sich um Opfermaterialien, da sie während der nachfolgenden Verarbeitung vollständig entfernt werden.
  • Bezug nehmend auf 7A und 7B, wird ein Abstandhalter 32 aus einem geeigneten bleibenden Abstandhaltermaterial wie Si3N4 um die Seitenwand 31 jeder Gate-Elektrode 28 gebildet. Abschnitte des Abstandhalters 32 überlappen und bedecken jeden der Abstandhalter 30. Das Material, welches den Abstandhalter 32 bildet, ist bleibend in dem Sinne, dass der Abstandhalter 32 im Gegensatz zu den Abstandhaltern 30 in der fertigen Einheitsstruktur enthalten ist. Der Abstandhalter 32 wird gebildet, indem eine Deckschicht aus dem bleibenden Abstandhaltermaterial konform auf das Substrat 10 aufgebracht wird und die Deckschicht anisotrop geätzt wird, zum Beispiel durch ein RIE-Verfahren, welches gegenüber dem Material, das die isolierende Schicht 12 und die Hartmaske 20 bildet, selektiv ist, so dass nach dem Ätzverfahren die Abstandhalter 32 auf jeder Gate-Elektrode 28 die einzigen verbleibenden Abschnitte der Deckschicht aus bleibendem Abstandhaltermaterial darstellen. Bei dem bleibenden Abstandhaltermaterial, aus welchem der Abstandhalter 32 aufgebaut ist, kann es sich zum Beispiel um Si3N4 oder SiO2 handeln, wenn das Material, aus welchem die Abstandhalter 30 aufgebaut sind, Ge ist. Der Abstandhalter 32 ist von der Seitenwand 31 jeder Gate-Elektrode 28 durch die Abstandhalter 30 auf den beiden gegenüberliegenden Seiten getrennt, welche über den Seitenrändern des Katalysatorfeldes 14 liegen, und ist an den anderen beiden gegenüberliegenden Seiten jeder Gate-Elektrode 28 befestigt.
  • Bezug nehmend auf 8A und 8B, werden die Abstandhalter 30 auf jeder Gate-Elektrode 28 durch ein isotropes Ätzverfahren entfernt, welches gegenüber den Materialien, welche die Hartmaske 20 und den Abstandhalter 32 bilden, selektiv ist. Wenn zum Beispiel die Abstandhalter 30 aus Ge gebildet sind und der Abstandhalter 32 entweder aus Si3N4 oder SiO2 gebildet ist, wäre eine wässrige Ätzlösung geeignet, die Wasserstoffperoxid (H2O2) enthält, um die Abstandhalter 30 selektiv gegenüber der Hartmaske 20 und dem Abstandhalter 32 zu entfernen. Der Abstandhalter 32 und die Gate-Elektrode 28 sind voneinander durch offene Räume oder Durchgänge 34 getrennt, welche durch die isotropen Ätzverfahren in dem Raum erzeugt werden, der zuvor mit den Abstandhaltern 30 besetzt war. Jeder der Durchgänge 34 weist, betrachtet in einer vertikalen Richtung, ein im Wesentlichen rechteckiges Querschnittsprofil auf. Durch das isotrope Ätzverfahren werden auch die verbleibenden Abschnitte der strukturierten Deckschicht 26 entfernt, um die isolierende Schicht 12 wieder freizulegen. Ein Abschnitt der Schicht 25, welche durch die Bildung der Durchgänge 34 freigelegt wird, wird von den Seitenrändern des Katalysatorfeldes 14 entfernt, um die entsprechenden Nanoröhren-Synthesebereiche 36 freizulegen oder aufzudecken. Ein Spalt 38, welcher zuvor mit einem Teil eines der Abstandhalter 30 gefüllt war, ist unter jedem Abstandhalter 32 in Nachbarschaft zu den entsprechenden Nanoröhren-Synthesebereichen 36 und vertikal zwischen dem Abstandhalter 32 und der isolierenden Schicht 12 vorhanden. Jeder Durchgang 34 erstreckt sich vertikal von einem der Katalysatorfelder 14 zu einer offenen Mündung 33, welche sich in Nachbarschaft zu der Hartmaske 20 befindet. Die Nanoröhren-Synthesebereiche 36 sind vertikal unter einer entsprechenden der offenen Mündungen 33 angeordnet. Bezug nehmend auf 9A und 9B, wird danach eine Schicht 40 eines isolierenden Materials, z. B. SiO2, auf die freiliegenden Abschnitte der Seitenwand 31 jeder Gate-Elektrode 28 gleich weit erstreckend wie die Durchgänge 34 aufgebracht, um jede Gate-Elektrode 28 von dem entsprechenden Durchgang 34 elektrisch zu isolieren. Das Verfahren, mit welchem die Schicht 40 gebildet wird, wird so gewählt, dass das freiliegende Material der Nanoröhren-Synthesebereiche 36 nicht beschichtet oder anderweitig auf eine Weise modifiziert wird, die bewirkt, dass das Anwachsen der Kohlenstoff-Nanoröhren nicht gefördert wird. Zum Beispiel kann der Sauerstoff-Partialdruck in einem Nassoxidationsverfahren, mit welchem die Schicht 40 gebildet wird, so eingestellt werden, dass SiO2 auf den freiliegenden Abschnitten der Seitenwand 31 anwächst und sich auf den Nanoröhren-Synthesebereichen 36 kein Oxid bildet. Die horizontalen Abmessungen jedes Durchgangs 34, welche durch die Gegenwart der Schicht 40 verkleinert werden, sind dafür geeignet, ein vertikales Anwachsen der Kohlenstoff-Nanoröhren zu ermöglichen, wie es hierin im Folgenden noch beschrieben wird, und werden andererseits weitgehend durch die Abmessungen der Abstandhalter 30 bestimmt. Bezug nehmend auf 10A und 10B, wird in den Durchgängen 34 ein Bündel oder eine Gruppe von Kohlenstoff-Nanoröhren 42 bereitgestellt, welche zu den Abschnitten der Seitenwand 31 jeder Gate-Elektrode 28 benachbart sind, die durch die Schicht 40 bedeckt sind. Bei den Kohlenstoff-Nanoröhren 42 handelt es sich um hohle zylindrische Röhren, welche aus angeordneten hexagonalen Ringen von Kohlenstoffatomen zusammengesetzt sind und als Parameter typischerweise einen Durchmesser von etwa 0,5 nm bis etwa 20 nm und eine Seitenwanddicke im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 50 nm aufweisen. Es wird erwartet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren 42 eine Höhen- oder Längenverteilung aufweisen, welche jeweils zwischen einem vorderen Ende oder einer Spitze 43 und einem hinteren Ende oder einer Basis 47 gegenüber der vorderen Spitze 43 gemessen wird, welche sich auf einem der Nanoröhren-Synthesebereiche 36 befindet. Die Längenverteilung der Kohlenstoff-Nanoröhren 42 kann durch eine mittlere Länge und eine Standardabweichung gekennzeichnet werden. Mindestens eine der Kohlenstoff-Nanoröhren 42 in jedem Durchgang 34 ragt vertikal über die horizontale Ebene hinaus, welche durch die Hartmaske 20 definiert ist, welche jede Gate-Elektrode 28 bedeckt.
  • Die Kohlenstoff-Nanoröhren 42 erstrecken sich im Wesentlichen vertikal von den Nanoröhren-Synthesebereichen 36 aus nach oben und besetzen einen Volumenanteil des Leerraums innerhalb der Durchgänge 34 jeder Gate-Elektrode 28. Jede der Kohlenstoff-Nanoröhren 42 ist senkrecht oder zumindest weitgehend senkrecht zu der horizontalen oberen Fläche der entsprechenden Nanoröhren-Synthesebereiche 36 ausgerichtet, da die Gegenwart des Abstandhalters 32 die Wachstumsrichtung der Kohlenstoff-Nanoröhren 42 einschränkt. Obwohl ein geringfügiges Kippen oder Neigen der Ausrichtung der Nanoröhren innerhalb der Begrenzungen der Durchgänge 34 ermöglicht wird, wird ein isotropes Anwachsen durch den Abstandhalter 32 verhindert.
  • Zum Beispiel können die Kohlenstoff-Nanoröhren 42 nicht parallel zu der horizontalen Ebene des Substrats 10 anwachsen.
  • Die Kohlenstoff-Nanoröhren 42 werden durch chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD) oder durch plasmaunterstützte CVD unter Verwendung irgendeines geeigneten gasförmigen oder verdampften kohlenstoffhaltigen Recktanten, z. B., ohne darauf beschränkt zu sein, Kohlenmonoxid (CO), Ethylen (C2H4), Methan (CH4), Acetylen (C2H4), eines Gemisches aus Acetylen und Ammoniak (NH3), eines Gemisches aus Acetylen und Stickstoff (N2), eines Gemisches aus Acetylen und Wasserstoff (H2), Xylol (C6H4 (CH3)2) und eines Gemisches aus Xylol und Ferrocen (Fe(C5H5)2), unter Wachstumsbedingungen angewachsen, die dafür geeignet sind, das Anwachsen von Kohlenstoff-Nanoröhren auf dem katalytischen Material, welches die Nanoröhren-Synthesebereiche 36 bildet, zu fördern. Das Substrat 10 kann erwärmt werden, um das CVD-Anwachsen zu fördern. Anfänglich fließt der Reaktant seitlich durch jeden Spalt 38 und abwärts durch jeden Durchgang 34 zu dem Katalysatormaterial der Nanoröhren-Synthesebereiche 36. Der Reaktant reagiert chemisch an dem Katalysatormaterial der Nanoröhren-Synthesebereiche 36, um Kristallkeime für die Kohlenstoff-Nanoröhren 42 zu bilden. Das darauf folgende vertikale Anwachsen der Kohlenstoff-Nanoröhren 42 kann von der Basis auf der Fläche der Nanoröhren-Synthesebereiche 36 oder alternativ an der vorderen freien Spitze 43 der Kohlenstoff-Nanoröhren 42 gegenüber der Basis 47 ausgehen. Durch die Spalte 38 wird die Fähigkeit des Recktanten verbessert, die Nanoröhren-Synthesebereiche 36 zu erreichen, da der Fluidfluss anderenfalls erheblich eingeschränkt wäre, wenn der Reaktant nur durch den Durchgang 34 abwärts fließen könnte. Die Spalte 38 können weggelassen werden, wenn das Anwachsen von der vorderen freien Spitze 43 ausgeht oder wenn auf andere Weise keine Einschränkungen des Fluidflusses vorliegen.
  • Die Wachstumsbedingungen des CVD- oder plasmaunterstützten CVD-Verfahrens werden so gewählt, dass vorzugsweise Kohlenstoff-Nanoröhren 42 anwachsen, welche eine halbleitende Molekularstruktur aufweisen. Alternativ können Kohlenstoff-Nanoröhren 42 mit einer halbleitenden Molekularstruktur vorzugsweise aus einer Ansammlung von Nanoröhren 42, wie sie angewachsen sind, ausgewählt werden, welche sowohl metallische als auch halbleitende Molekularstrukturen umfasst, indem zum Beispiel ein Strom angelegt wird, der hoch genug ist, um Nanoröhren 42 zu zerstören, welche eine metallische Molekularstruktur aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung kann in einem oder mehreren der Durchgänge 34 eine einzige halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhre 42 vorliegen. Die Nanoröhren 42 können aus einem anderen Material als Kohlenstoff aufgebaut sein, welches durch eine Bandlücke und halbleitende Eigenschaften gekennzeichnet ist.
  • Bezug nehmend auf 11A und 11B, wird eine Schicht 44 aus einem isolierenden Material mit einem relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstand, z. B. Borphosphorsilicatglas (BPSG), über ein Abscheidungsverfahren wie LPCVD konform auf das Substrat 10 aufgebracht. Die Schicht 44 wird durch ein chemisch-mechanisches Polierverfahren (CMP) oder über irgendeine andere geeignete Planarisierungstechnik plan poliert. Durch das Polieren kann die Schicht 44 bis zu einer Tiefe entfernt werden, die ausreicht, um auch bestimmte lange Nanoröhren in der Verteilung der Kohlenstoff-Nanoröhren 42 zu verkürzen. Teile der Schicht 44 können jedweden freien Raum zwischen den einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhren 42 füllen. Teile der Schicht 44 können auch jeden der Spalte 38 füllen. Bezug nehmend auf 12A und 12B, werden Kontaktöffnungen 46, welche sich durch die Schicht 44, die Hartmaske 20, die Gate-Elektrode 28 und die Schicht 25 hindurch erstrecken, durch ein Standard-Lithographie- und Ätzverfahren definiert, welches auf der Tiefe des Katalysatorfeldes 14 endet. Ein isolierendes Material wird in den Kontaktöffnungen 46 aufgebracht und anisotrop geätzt, um isolierende Abstandhalter 48 bereitzustellen, welche die Gate-Elektroden 28 von dem Katalysatorfeld 14 elektrisch isolieren. Jede Gate-Elektrode 28 wird durch die entsprechende Kontaktöffnung 46 in zwei getrennte Gate-Elektroden 28a, 28b partitioniert. Durch ein Standard-Lithographie- und Ätzverfahren, welches auf der Tiefe der Gate-Elektroden 28a, 28b endet, werden Kontaktöffnungen 50 in der Schicht 44 und der Hartmaske 20 definiert. Es werden Kontaktöffnungen 52 in der Schicht 44 durch ein Standard-Lithographie- und Ätzverfahren bis zu einer Tiefe definiert, durch welche eine vordere Spitze 43 mindestens einer der in jedem Durchgang befindlichen Kohlenstoff-Nanoröhren 42 freigelegt wird.
  • Bezug nehmend auf 13A und 13B, werden in den Kontaktöffnungen 46, 50 und 52 entsprechend die Kontakte 54, 56 und 58 gebildet, indem gegebenenfalls die Kontaktöffnungen 46, 50 und 52 mit einer oder mehreren (nicht dargestellten) Barriere/Haftungsverbesserungs-Schichten ausgekleidet werden, ein geeignetes Metall als Deckmaterial aufgebracht wird, um die Kontaktöffnungen zu füllen, und danach das überstehende leitfähige Material über irgendeine geeignete Planarisierungstechnik, z. B. ein CMP-Verfahren, entfernt wird, um einen Stecker zu bilden. Mindestens eine der Kohlenstoff-Nanoröhren 42, die sich in dem Durchgang 34 befinden, der in Nachbarschaft jeder Gate-Elektrode 28a, b angeordnet ist, weist eine vordere Spitze 43 auf, die in elektrischem, vorzugsweise Ohm'schen, Kontakt mit einem entsprechenden der Kontakte 58 steht. Die vorderen Spitzen 43 der kontaktierten Kohlenstoff-Nanoröhren 42 können vertikal in die Masse des entsprechenden Kontakts 58 ragen oder an einer Grenzfläche zu dem entsprechenden Kontakt 58 auf diesen treffen. Die Kohlenstoff-Nanoröhren 42 in jedem Durchgang 34 sind elektrisch, vorzugsweise Ohm'sch, mit dem Katalysatorfeld 14 verknüpft. Die Kontakte 54, 56 und 58 sind voneinander elektrisch isoliert und werden aus irgendeinem geeigneten leitenden Material gebildet, z. B., ohne darauf beschränkt zu sein, Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Gold (Au), Molybdän (Mo), Tantal (Ta), Titan (Ti) und Wolfram (W). Es wird eine Standardverarbeitung am Ende der Fertigung (BEÖL-Verarbeitung) angewendet, um eine (nicht dargestellte) Verbindungsstruktur herzustellen, mit welcher die benachbarten fertigen Einheitsstrukturen 60 verknüpft werden.
  • Die Einheitsstruktur 60 bildet einen FET, welcher eine der Gate-Elektroden 28a, b, ein durch die Schicht 40 definiertes Gate-Dielektrikum, eine durch das Katalysatorfeld 14 und den Kontakt 54 definierte Source-Elektrode, eine durch den entsprechenden Kontakt 58 definierte Drain-Elektrode und eine halbleitende Kanalzone umfasst, die entlang der Länge mindestens einer der Kohlenstoff-Nanoröhren 42 definiert ist, die sich vertikal im entsprechenden Durchgang 34 zwischen dem Katalysatorfeld 14 und dem Kontakt 58 erstrecken. Die durch die Kohlenstoff-Nanoröhren 42 definierte Kanalzone ist im Wesentlichen vertikal im Verhältnis zu der horizontalen Ebene des Substrats 10 ausgerichtet. Die Ladungsträger fließen selektiv vom Katalysatorfeld 14 durch die Kohlenstoff-Nanoröhren 42 zum Kontakt 58, wenn eine elektrische Spannung an die richtige der Gate-Elektroden 28a, b angelegt wird, um in den zugehörigen Kohlenstoff-Nanoröhren 42 einen Kanal zu erzeugen. Jede Einheitsstruktur 60 ist für den Betrieb der Einheit elektrisch mit anderen Einheitsstrukturen 60 und weiteren (nicht dargestellten) Schaltungskomponenten verknüpft, die von dem Substrat 10 getragen werden. Obwohl die vorliegende Erfindung über eine Beschreibung verschiedener Ausführungsformen veranschaulicht wurde, und obwohl diese Ausführungsformen recht detailliert beschrieben wurden, ist es nicht die Absicht der Anmelder, den Umfang der beigefügten Patentansprüche auf solche Einzelheiten zu beschränken oder in irgendeiner Weise einzugrenzen. Weitere Vorteile und Modifikationen sind für den Fachmann leicht ersichtlich. Somit ist die Erfindung in ihren weiteren Erscheinungsformen deswegen nicht auf die speziellen Einzelheiten, repräsentativen Vorrichtungen und Verfahren und die dargestellten und beschriebenen veranschaulichenden Beispiele beschränkt. Dementsprechend können Abweichungen von solchen Einzelheiten vorgenommen werden, ohne den Umfang des allgemeinen erfinderischen Konzepts der Anmelder zu verlassen.

Claims (10)

  1. Vertikale Halbleitereinheitsstruktur, welche das Folgende umfasst: ein Substrat (10), welches eine im Wesentlichen horizontale Ebene definiert; eine Gate-Elektrode (28), welche vertikal aus dem Substrat herausragt und eine vertikale Seitenwand (31) umfasst; einen Abstandhalter (32), welcher die vertikale Seitenwand flankiert; eine halbleitende Nanoröhre (42), welche zwischen der Gate-Elektrode und dem Abstandhalter angeordnet ist und sich zwischen gegenüberliegenden ersten und zweiten Enden mit einer im Wesentlichen vertikalen Ausrichtung erstreckt; ein Gate-Dielektrikum (40), welches auf der vertikalen Seitenwand zwischen der Nanoröhre und der Gate-Elektrode angeordnet ist; eine Source-Elektrode (14, 54), welche mit dem ersten Ende der Nanoröhre elektrisch verbunden ist; und eine Drain-Elektrode (58), welche mit dem zweiten Ende der Nanoröhre elektrisch verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter von dem Substrat durch einen Spalt (38) getrennt ist, wobei der Spalt mit einem isolierenden Material gefüllt wird, nachdem die halbleitende Nanoröhre gebildet ist.
  2. Halbleitereinheitsstruktur nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode ein Katalysatormaterial umfasst, welches bewirkt, dass die halbleitende Nanoröhre durch ein chemisches Abscheidungsverfahren aus der Gasphase synthetisiert wird.
  3. Halbleitereinheitsstruktur nach Anspruch 1, wobei der Abstandhalter durch einen Durchgang (34) von der vertikalen Seitenwand getrennt ist.
  4. Halbleitereinheitsstruktur nach Anspruch 1, welche ferner mehrere halbleitende Nanoröhren umfasst, die horizontal zwischen der Gate-Elektrode und dem Abstandhalter angeordnet sind, wobei jede der mehreren halbleitenden Nanoröhren sich in dem Durchgang zwischen gegenüberliegenden ersten und zweiten Enden vertikal erstreckt.
  5. Halbleitereinheitsstruktur nach Anspruch 4, wobei bei mindestens einer der mehreren halbleitenden Nanoröhren das erste Ende mit der Source-Elektrode elektrisch verbunden ist und das zweite Ende mit der Drain-Elektrode elektrisch verbunden ist.
  6. Verfahren zur Bildung einer Halbleitereinheitsstruktur, welches das Folgende umfasst: Bilden eines Katalysatorfeldes (14) auf einem Substrat (10); Bilden einer Gate-Elektrode (28) in Nachbarschaft zu dem Katalysatorfeld; Bilden eines ersten Abstandhalters (22) auf einer vertikalen Seitenwand der Gate-Elektrode in einer Position, die das Katalysatorfeld überlagert; Bilden eines zweiten Abstandhalters (32) auf dem ersten Abstandhalter; Entfernen des ersten Abstandhalters, um einen Durchgang (34) zwischen dem zweiten Abstandhalter und der Gate-Elektrode zu definieren, wobei der Durchgang an einem Ende eine offene Mündung aufweist und am gegenüberliegenden Ende das Katalysatorfeld angeordnet ist; Bilden eines Gate-Dielektrikums (40) auf der vertikalen Seitenwand; und Synthetisieren einer halbleitenden Nanoröhre (42) auf dem Katalysatorfeld, welche sich im Wesentlichen vertikal von dem Katalysatorfeld zu einem freien Ende in der Nähe der offenen Mündung des Durchgangs erstreckt; dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstandhalter von dem Substrat vertikal durch einen Spalt (38) getrennt ist, welcher für einen Fließweg zu dem Katalysatorfeld sorgt, und dass das Synthetisieren der halbleitenden Nanoröhre das Folgende umfasst: Leiten eines Recktanten durch den durch den Spalt definierten Fließweg, welcher an dem Katalysatorfeld chemisch reagieren kann, um die halbleitende Nanoröhre zu synthetisieren.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem Recktanten um einen kohlenstoffhaltigen Recktanten und bei der halbleitenden Nanoröhre um eine Kohlenstoff-Nanoröhre handelt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, welches ferner das Folgende umfasst: Füllen des Spalts mit einem isolierenden Material nach dem Synthetisieren der halbleitenden Nanoröhre.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, welches ferner das Folgende umfasst: Bedecken der offenen Mündung des Durchgangs und der Gate-Elektrode mit einer Schicht isolierenden Materials und Bilden eines Kontakts in der Schicht des isolierenden Materials, welcher mit dem freien Ende der halbleitenden Nanoröhre elektrisch verbunden ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Synthetisieren der halbleitenden Nanoröhre ferner umfasst, dass das Katalysatorfeld einem reagierenden Stoff unter Bedingungen ausgesetzt wird, die dafür geeignet sind, die halbleitende Nanoröhre anwachsen zu lassen.
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