本論文的元件製作方式絕大部份採用國家奈米元件實驗室(NDL)及國 立交通大學奈米中心(NFC)所提供之半導體製程機台來完成。其中晶圓阻抗 可以區分為重摻雜晶圓(阻值介於 0.001~0.025 Ω‧cm)及高阻抗晶圓(阻值為 1.5 kΩ‧cm)、下閘極/下閘極介電層/基板的組合可以區分為氮化鈦(TiN)/氮 化矽/重摻雜晶圓及重摻雜磷(P)多晶矽(In-situ doped N+ poly-Si)/氧化鋁/高 阻抗晶圓，且區域性背閘極奈米碳管電晶體的通道長度(Channel length)，即 源 極 與 汲 極 間 之 距 離 經 過 設 計 後 ， 又 可 區 分 為 二 ， 其 一 為 長 閘 極 式 (long-gated)(如圖 2-1)，亦即下閘極和源極/汲極產生重疊區域，另一為短閘 極式(short-gated)(如圖 2-2)，亦即下閘極和源極/汲極無重疊區域，經由以上 的設計以符合後續元件的直流電性分析需求。此外，元件製程上所採用的 曝光系統均為Canon FPA-3000 i5+ I-line stepper 光學步進機，而非可寫較小 線寬的NDL 電子束直寫系統(Leica E-beam lithography)，此乃為了避免使用 電子束微影時，入射的高加速電壓電子(40keV)及高電子電流(4A/cm2)可能 造成奈米碳管在結構上的破壞[47][48]，故放寬元件設計上的線寬大小。本 小節將完整介紹區域性背閘極奈米碳管電晶體的製程步驟(如圖 2-11)，並詳 細說明如下：
1. 晶片刻號：
使用Laserfront Technologies 公司生產的雷射刻號機(Laser marker)將 6 吋 晶圓刻號，以便日後作識別晶圓用，刻號完成後，將晶圓置入NDL Class 10 Wet bench 的 SC-1 槽中，浸泡攝氏 75 度、10 分鐘，以去除刻號所產生 的粒子(Particles)污染。
2. 晶片 RCA 清洗 & 晶片絕緣層成長：
採用NDL Class 10 Wet bench 進行 Standard RCA clean (SC-1 + SC-2 + HF) 去除晶圓上之有機物、金屬物質、粒子，將清洗完成的晶圓立即推入Class 10 之水平高溫爐管成長 15nm 的乾氧化矽(Dry oxide)，成長完成後，立即 轉管Class 10 之水平低壓爐管成長 150nm 的氮化矽(LPCVD SiN)，在此兩 層絕緣層成長完成後，立即以n&k analyzer 量測所成長出的絕緣層厚度。
以上的絕緣層厚度搭配將使晶圓表面呈現亮金黃色，方便在進行乾蝕刻或 濕蝕刻時，使用肉眼或光學顯微鏡(OM)判斷蝕刻終點是否到達。且 SiN 在此可當作後續使用Pd 金屬作為源極/汲極的附著層(Adhesion layer)，根 據前人對於Pd 的附著力測試顯示，Pd 於二氧化矽上，經由超音波震盪後，
Pd 有剝落的現象產生[53]，而吾人採用 LPCVD SiN 與 Pd 附著後，經過 高強度、長時間之震盪後，附著力問題已獲得解決(如圖 2-11)。
3. 開第一道接觸窗光罩 & 蝕刻接觸窗：
使用TEL Clean Track MK-8 上 I-line 光阻及 Canon FPA-3000 i5+ I-line stepper 進行第一道 Contact hole 光罩的曝光，此道光罩的切割道上包含後 續幾道光罩的對準資訊，顯影後檢查(ADI)後，將晶圓送入 TEL 5000 SiN/Oxide etcher 蝕刻掉露出區域的 150nm SiN/15nm Oxide，另外也將蝕 刻出深度夠深的後續幾道光罩的對準記號於晶圓上，並使接觸窗下的矽基 板露出，作為後續源極和矽基板相連的孔洞，並在電性量測時一起接地，
此乃為了降低射頻量測時，在源極和基板間的寄生電容效應影響量測結果 (如圖 2-11(a))。上述之步驟經過蝕刻後檢查(AEI)，將晶圓送入 Ozone Asher 中，利用氧氣電漿去除大量光阻，再將其浸泡於NDL Class 10 Wet bench 的硫酸槽中10 分鐘，完全去除殘留的光阻。
4. Blanket 沉積 TiN 下閘極及重摻雜非晶矽下閘極：
此步驟為分別製作兩種閘極，其一為使用NDL MRC Metal PVD 沉積 40nm
的 TiN 金屬下閘極。由於奈米碳管電晶體製作完成後，最後必須經過高 溫退火處理，所以選擇使用高溫熱穩定性較好的TiN，而非 Ti。另一為使 用 NDL 的高溫垂直爐管攝氏 620oC 沉積 60nm 之重摻雜磷非晶矽 (Amorphous silicon)下閘極，沉積完成後立刻將此批晶圓利用 Korona RTP 800 進行攝氏 900oC、20 秒之退火活化摻雜於非晶矽之磷，並且使非晶矽 之晶粒(Grain)成長為多晶矽(Poly-silicon)。
5. 開第二道下閘極光罩 & 蝕刻下閘極圖案：
使用TEL Clean Track MK-8 上 I-line 光阻及 Canon FPA-3000 i5+ I-line stepper 進行第二道 Dark Bottom-gated electrode 光罩的曝光，對於下閘極 長度為 0.5 微米的線寬來說，其曝光劑量為 2400，顯影 ADI 後，將 TiN 下閘極之晶圓送入 NDL ILD-4100 Metal etcher 蝕刻掉露出區域的 40nm TiN，經過 AEI 後，並用 NDL ILD-4100 Metal etcher 的氧氣電漿去除光阻， 再將其浸泡於NDL Class 10 Wet bench 的金屬去光阻槽中 10 分鐘，完全 去除殘留的光阻。將重摻雜磷多晶矽下閘極之晶圓送入TCP 9400SE poly etcher 中，使用蝕刻終點模式(End point mode)蝕刻暴露的 60nm N+ poly，
再利用Fusion ozone asher 及 Class 10 Wet bench 的硫酸槽完全去除光阻(如 圖2-11(b))。
6. Blanket 沉積 PE-SiN 下閘極介電層及 ALD-Al2O3下閘極介電層：
此步驟為分別製作兩種下閘極介電層，TiN 下閘極搭配的介電層為後段製 程所使用的 PECVD 機台，利用 NDL 的集結式 STS PECVD 系統沉積介 電常數較高的30nm PE-SiN。重摻雜磷多晶矽下閘極搭配的介電層為前製 程所使用的 ALD 機台，由於重摻雜磷多晶矽很容易長出原生氧化層 (Native oxide)而使下閘極介電層的等效二氧化矽厚度(EOT)上升，影響次 臨界斜率，故成長 ALD 前，需將晶片經由稀釋的氫氟酸溶液(DHF)去除 原生氧化層，此ALD 製程委託工業技術研究院電光所曾培哲博士製作，
沉積10nm ALD Al2O3。選用Al2O3，而非二氧化鉿(HfO2)之原因為 Al2O3
高溫退火之熱穩定性要比HfO2好，Al2O3的介電層結晶溫度高於奈米碳管 電晶體製作完成後的高溫退火製程溫度，故雖介電常數較低仍選用之，以 避免下閘極介電層發生高溫結塊(Agglomeration)的現象。此外 ALD Al2O3
沉積完成後，需經過NDL Class 10 ASM 水平 High-k anneal 爐管退火攝氏
使用TEL Clean Track MK-8 上 I-line 光阻及 Canon FPA-3000 i5+ I-line stepper 進行第三道 Dark Gate Dielectric 光罩的曝光，顯影 ADI 後，將 SiN 閘極介電層的晶圓送入 NDL ILD-4100 Metal etcher 蝕刻掉露出區域的 30nm SiN，或是採用 NDL 後段 Wet bench 的 BOE 蝕刻液濕式蝕刻 PE-SiN。將 ALD Al2O3下閘極介電層的蝕刻委託工業技術研究院電光所 王慶鈞博士製作，使用工研院具有蝕刻終點模式的Metal etcher 來蝕刻金 屬介電層對於製程掌控度較好。兩種不同的下閘極介電層分別經過 AEI 後，均採用NFC Class 10000 Wet bench 有機槽，使用丙酮(ACE)掀離法震 盪10 分鐘，去除掉光阻，並使用光學顯微鏡檢查是否有乾淨地掀離光阻，
若未完成，則再重複上述之步驟(如圖 2-11(c))。
8. 配製奈米碳管溶液：
使用TEL Clean Track MK-8 上 I-line 光阻及 Canon FPA-3000 i5+ I-line stepper 進行第五道光罩的曝光，若要製作短閘極式奈米碳管電晶體，則 選用Clear Long Source/Drain 光罩；若要製作長閘極式奈米碳管電晶體，
則選用Clear Short Source/Drain 光罩，顯影 ADI 後，將晶圓置入交通大學 機械工程研究所徐文祥老師所有之Helix sputter 中進行源極、汲極金屬的 濺鍍製程。吾人實驗上所採用的源極、汲極金屬包括鈀(Pd)、鎳(Ni)、鉻 (Cr)，由於源極、汲極的金屬厚度在製程中不是佔非常重要的因素，所以 其各濺鍍製程參數均設定相同，均為抽真空時間4 小時以上使腔體壓力達 到 4x10-6 Torr 以下、均採用 DC gun 承載靶材來濺鍍、20(sccm)的氬氣 (Argon)流量、沉積壓力為 4.5(mTorr)、沉積功率為定功率 30 瓦燃起電漿、
晶圓轉速為 50(rpm)、沉積時間均為 25 分鐘，而經由 NDL P-10 surface profiler 量測可得此製程參數使 Pd 金屬大約沉積厚度為 50nm。雖然沉積
功率較低會使沉積出的金屬較不緻密，但由於吾人所採用的Helix sputter 腔體中含有較高量的殘氧量，必須注意高功率之氧氣電漿對於奈米碳管所 造成的傷害，所以選擇直流瓦數為30 瓦作為固定的製程參數，且元件製 作完成時，最後的高溫退火步驟可以密化源極、汲極金屬。
11. 使用光阻掀離法完成源極、汲極金屬製程：
將濺鍍完成的晶圓置於裝有丙酮的培養皿中，再用超音波震盪器進行光阻 掀離法製程，震盪時間為10 分鐘，掀離完成後，將晶圓取出沖水 5 分鐘 並使用氮氣槍乾燥晶圓表面，並使用光學顯微鏡檢查是否有乾淨地掀離光 阻，完成源極/汲極的製作(如圖 2-11(e))。
12. 使用濕蝕刻法去除晶背的絕緣層：
對於短閘極式奈米碳管電晶體，由於晶圓基板必要時需施加電壓以調變未 受閘極電壓影響的奈米碳管能帶圖區域，故使用BOE 濕式蝕刻基板晶背 所沉積的15nm Dry oxide 及 150nm LPCVD SiN，使晶背的矽基板裸露，
在量測時可以透過 Chuck 施予矽基板電壓，且由於晶背原生氧化層的阻 抗在直流量測時並不會對元件之直流電性產生任何影響，故無須將晶背背 鍍金屬以降低阻抗值，至此完成奈米碳管電晶體的製程。
13. 採用後段真空退火爐管改善元件的接觸阻抗：
此步驟的目的為改善奈米碳管電晶體的直流電性，將在第四章中詳細討 論。將晶圓置入NDL 倍強科技所製造的後段真空退火爐管中，採用的製 程參數為攝氏600oC、時間為 180 秒的製程。此真空退火環境可以防止腔 體中的氧在高溫下與奈米碳管產生氧化反應，而破壞奈米碳管的結構，對 於分析退火前後的直流電性有所改變的元件時，可以排除此點影響對於實 驗上的分析干擾。