高性能奈米碳管電晶體之製程與特性研究

國立交通大學

電子工程學系

電子研究所碩士班

碩

士 論 文

高性能奈米碳管電晶體之製程與特性

研究

Process Technologies and Characteristics of

High-Performance Carbon Nanotube FETs

研

究

生：李振欽

指

導 教 授：崔秉鉞 教授

高性能奈米碳管電晶體之製程與特性

研究

Process Technologies and Characteristics of

High-Performance Carbon Nanotube FETs

研究生：李振欽 Student : Chen-Chin Lee 指導教授：崔秉鉞 Advisor : Bing-Yue Tsui

國立交通大學

電子工程學系 電子研究所 碩士論文

A thesis

Submitted to Department of Electronics Engineering & Institute of Electronics College of Electrical Engineering and Computer Science

National Chiao Tung University in Partial Fulfillment of the Requirement

for the Degree of Master in

Electronic Engineering August 2007

Hsinchu, Taiwan, Republic of China 中華民國九十六年八月

高性能奈米碳管電晶體之製程與特性研究

研究生：李振欽 指導教授：崔秉鉞 國立交通大學電子工程系 電子研究所碩士班 摘要 由於奈米碳管具有優異的電性，故奈米碳管電晶體具有相當大的潛力 應用於未來的奈米電子元件。採用旋塗法、源極/汲極光阻掀離法製作傳統 蕭基位障之上閘極奈米碳管電晶體的缺點為奈米碳管跨接於源極/汲極的或 然率低、上閘極介電層漏電流過大等問題，故本論文設計區域性背閘極奈 米碳管電晶體，以解決上述傳統蕭基位障之上閘極奈米碳管電晶體的缺點。 本論文所製作之高性能奈米碳管電晶體的元件結構及製程材料可分為 三類，第一類為下閘極與鈀(Pd)源極/汲極有重疊區域之長閘極式區域性背 閘極奈米碳管電晶體，其下閘極/下閘極介電層為氮化鈦/30nm 氮化矽，且 其電流開關比達106、次臨界斜率為 263.5(mV/dec)、良率達 54.3%；第二類 為鈀源極/汲極、下閘極/下閘極介電層為重摻雜多晶矽/10nm 氧化鋁之長閘 極式區域性背閘極奈米碳管電晶體，其電流開關比達 106、次臨界斜率為 139.1(mV/dec)、互導最大值為 1.27(μS)、良率達 74.3%；第三類為下閘極 與鈀源極/汲極無重疊區域之短閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體，其下 閘極/下閘極介電層為重摻雜多晶矽/10nm 氧化鋁，且其電流開關比達 106、 次臨界斜率為 263.5(mV/dec)、良率達 65.2%，經由直流分析得鈀與半導體 性奈米碳管之接觸達到了歐姆接觸。 本論文分別採用鈀、鎳(Ni)、鉻(Cr)來製作區域性背閘極奈米碳管電晶 體的源極/汲極，研究真空高溫退火製程前後對於不同金屬間的直流電性差

異。由於鈀、鎳與奈米碳管間有較強的黏著與濕潤作用力，真空高溫退火 製程後，鈀源極/汲極的導通電流提高十倍；鎳源極/汲極的導通電流提高 100 倍；然鉻與奈米碳管間的黏著與濕潤作用力較弱，故鉻源極/汲極的導通電 流並無太大的變化。 本論文也探討了水氣極性分子對於奈米碳管電晶體遲滯效應的影響、 電漿製程及電性應力法燒除通道上之金屬性奈米碳管對於奈米碳管電晶體 直流電性的影響。 總而言之，本論文透過上述之製程結構、製程材料及真空高溫退火製 程，已成功地製作出鈀源極/汲極與半導體性奈米碳管為歐姆接觸的高性能 區域性背閘極奈米碳管電晶體，對於未來奈米碳管電晶體之高頻特性研究 立下了良好的基礎。

Process Technologies and Characteristics of

High-Performance Carbon Nanotube FETs

Student : Chen-Chin Lee Advisor : Bing-Yue Tsui

Department of Electronics Engineering Institute of Electronics

National Chiao Tung University

Abstract

Carbon nanotube field-effect transistors (CNTFETs) have been considered as one of the candidates for nano-electronics applications in the future due to the excellent electrical characteristics. Conventional top-gate (TG) schottky barrier CNTFETs are fabricated by a spin-coating process and a source/drain contact-metal lift-off process. The disadvantages of these processes are as follows: (1) The probability for carbon nanotubes to cross between source and drain is low and (2) There exists drastically high leakage current through top-gate dielectric. Since these two disadvantages have significant influence on the electrical performance of the TG-CNTFETs, we propose a novel device concept and the relative process technologies which is called the local bottom-gate carbon nanotube FETs (LBG-CNTFETs) in this thesis.

Two kinds of device structures, gate materials, and gate dielectric materials are designed to form the three kinds of LBG-CNTFETs with Pd source/drain. The first device structure is long-gated LBG-CNTFET with TiN gate/30nm PE-SiN gate dielectric with gate to source/drain overlap. The on/off current ratio

achieves 106, the subthreshold swing is lower than 264 mV/dec, and the yield is higher than 54%. The second device structure is long-gated LBG-CNTFET with

in-situ doped poly-Si gate/10nm Al2O3 gate dielectric with gate to source/drain

overlap. The on/off current ratio achieves 106, the subthreshold swing is lower

than 140 mV/dec, the maximum transconductance achieves 1.27μS, and the yield is higher than 74%. The third device structure is short-gated

LBG-CNTFET with in-situ doped poly-Si gate/10nm Al2O3 gate dielectric

without gate to source/drain overlap. The on/off current ratio achieves 106, the

subthreshold swing is lower than 264 mV/dec, and the yield is higher than 65%. According to these results, it is concluded that the contact property between Pd and CNTs should be ohmic contact.

The effect of high vacuum annealing process on the electrical performance of LBG-CNTFETs is evaluated. Three kinds of metal include Pd, Ni, and Cr are selected to act as source/drain contact of the LBG-CNTFETs. Due to the strong sticking and wetting effect between metal and CNTs, the turn-on drain current has been improved by tenfold for Pd and by hundredfold for Ni. On the contrary, for the metals with weak sticking and wetting effect between metals and CNTs such as Cr, the turn-on drain current shows less improvement after annealing. The hysteresis effect of LBG-CNTFETs arising from atmospheric water molecules adsorption, the damage of plasma radicals on CNTs, and the electrical stress condition to remove metallic CNTs from channel are also discussed in this thesis.

To conclude, high-performance local bottom-gated CNTFETs with ohmic contact between source/drain metal and CNTs of have been realized by the novel device structures and process soptimization. It is believed that this thesis provides a solid foundation for the radio-frequency study in the future.

誌謝

感謝三年前推薦甄試時，國立交通大學電子研究所老師們願意給我這個機會，使我 從國立交通大學機械系跨領域到國立交通大學電子研究所，一開始當然有點懷疑我能不 能完全地銜接上課程及論文實驗上的研究，但兩年碩士生活總算熬過來了。 經歷了碩士班兩年的修課及實驗生活，使我對於電子所固態組領域方面的專業知識 進步了很多，最為感謝地是我的指導教授 崔秉鉞博士，老師花了很多時間親自跟學生 開會討論實驗上的問題，並給予細心、認真的指導，從中我學會了如何有條理、系統地 分析實驗、電性上所遭遇的問題，進而使我得以迅速地克服研究上的困難，此外，感謝 老師總是對於實驗研究花費上的大力支持，以及對學生的照顧。最後，從老師身上，我 看到了熱心、正直的處世態度，更是值得學生學習。 感謝這兩年間，由清華大學工程系統與科學研究所蔡春鴻老師所領導奈米國家型計 畫，使我有充足地研究經費及正確地研究方向，且奈米碳管實驗室於每週固定昭開的會 議，使我對於成長奈米碳管之物理、化學機制，都有充足地了解，也使我對於設計及製 作鐵蛋白定位成長奈米碳管元件上，有相當實質上地幫助。此會議也提供了一個優良的 討論園地，使我對於奈米碳管之電性、物性有不懂的地方時，可以詢問學長們而獲得解 答。非常感謝辛坤瑩學長對於採用鐵蛋白成長奈米碳管的支持、奈米碳管之拉曼分析及 實驗上的討論；感謝李威養學長、翁政輝學長於實驗上的討論。另外，感謝清華清華大 學工程系統與科學研究所張廖貴術老師實驗室的傅崇豪同學、李亞叡同學，謝謝你們陪 我這一年多來於實驗研究上的打拼，雖然遇到時常說奈米碳管電晶體不好做，但是透過 製程參數的討論及分享實驗心得，最後沒有放棄直到大家都完成了論文，以及在無塵室 裡一起聊天渡過許多時光。 感謝國家奈米元件實驗室與國立交通大學奈米中心所提供的半導體製程機台，使我 的實驗製程順利完成；感謝國立交通大學機械所徐文祥老師所提供的金屬濺鍍機台，使 我的製程速度有很大的提升，無須排隊濺鍍金屬，省下不少時間；感謝工業技術研究院 電光所的曾培哲博士及王慶鈞博士，辛苦地幫我原子層沉積氧化鋁及蝕刻氧化鋁，使我 的製程設計參數得以實現。 感謝實驗室黃誌鋒學長對於製程設計、蝕刻上指導；感謝盧季霈學長於電性上的討 論及機台訓練；感謝謝志民學長於關鍵時刻幫我約到了TEM 時間及實驗上的討論；感

謝吳明錡學長於奈米碳管電晶體實驗結果上的討論及機台訓練。 也感謝兩年來一起求學的洪玉仁、柳旭茹、黃勻珮同學以及雙胞胎弟弟李振銘於課 業及實驗上的經驗分享。特別感謝洪玉仁在我忙於修改論文時幫我跑口試流程及雙胞胎 弟弟李振銘於修課時的一起唸書、討論、解題；實驗時機台的幫忙。 當然也感謝實驗室一年多來相處的可愛學弟妹，劉筱函、張孝瑜、徐曉萱、蔡雨蓁 學妹及張嘉文、羅正愷、王俊凱、賴瑞堯、余昆武學弟，謝謝你們於生活及實驗中的幫 忙。特別感謝奈米碳管小組的張孝瑜學妹、張嘉文學弟於實驗及期刊上的討論。 感謝交大電子所王文傑學長教我高頻分析量測機台及交大材料所張耀德學長幫我 沉積鈣金屬、高珮玲學妹抽空幫我進行奈米碳管粉末的拉曼光譜分析，再次感謝。 最後，我要感謝我的父母及大姐、二姐，感謝他們在我從小至今求學生活中的照顧 與栽培，及奶奶、弟弟於從小生活上的相互扶持，你們使我於追求夢想時無後顧之憂， 順利地完成學業，而我也會一直加油，謝謝!

目錄

中文摘要... i 英文摘要... iii 誌謝... v 目錄... vii 表目錄... xiii 圖目錄... xiv 第一章 緒論 1-1 奈米碳管之固態物理性質 ... 1 1-2 奈米碳管之成長方式 ... 3 1-3 半導體性奈米碳管在電晶體上之應用 ... 4 1-3.1 奈米碳管電晶體之起源... 4 1-3.2 背閘極奈米碳管電晶體之製程及導通操作方式的優劣點 ... 4 1-3.3 上閘極奈米碳管電晶體之製程及導通操作方式 ... 6 1-3.4 上閘極奈米碳管電晶體之製程缺點 ... 7 1-3.5 雙閘極奈米碳管電晶體之製程及導通操作方式的優劣點 ... 8 1-3.6 雙閘極奈米碳管電晶體之能帶間穿隧效應 ... 9 1-4 金屬功函數對於奈米碳管電晶體極性之影響 ... 10 1-4.1 高功函數金屬... 10 1-4.2 低功函數金屬... 10

1-5 電子束照射對於奈米碳管電晶體之影響 ... 11 1-6 電漿製程對於奈米碳管之影響 ... 11 1-7 共價性鍵結對於奈米碳管之影響 ... 12 1-8 奈米碳管與金屬之接觸阻抗 ... 13 1-8.1 金屬氧化物生成熱對於接觸阻抗之影響 ... 14 1-8.2 金屬碳化物生成熱對於接觸阻抗之影響 ... 14 1-9 論文架構... 15 第二章 元件設計與製程步驟 2-1 元件結構之設計根據 ... 26 2-2 區域性背閘極之製程方式 ... 27 2-2.1 區域性背閘極之金屬尖端凸起對於製程及電性上的影響 ... 27 2-2.2 區域性背閘極之製程優點... 28 2-3 奈米碳管溶液之配製 ... 29 2-3.1 奈米碳管黑色粉末的產品規格 ... 29 2-3.2 奈米碳管溶液的配製方法... 30 2-3.3 奈米碳管溶液的控制參數及其影響 ... 30 2-4 元件之光罩佈局... 31 2-4.1 射頻量測佈局... 31 2-4.2 針對奈米碳管的吸附作用佈局 ... 32

2-4.3 元件線寬的細部佈局... 32 2-5 元件製程步驟... 33 2-6 針對高性能奈米碳管電晶體之製程參數選擇 ... 38 2-6.1 採用 Pd 作為源極、汲極來製作 P-type 高性能奈米碳管電晶體. 39 2-6.2 採用後段真空退火來製作高性能奈米碳管電晶體 ... 39 2-6.3 避免電子束傷害奈米碳管來製作高性能奈米碳管電晶體 ... 40 2-7 元件量測及材料分析之儀器功能與原理 ... 40 2-7.1 奈米碳管電晶體之直流電性分析 ... 40 2-7.2 奈米碳管之拉曼光譜分析... 41 2-7.3 奈米碳管之掃描式探針顯微鏡(SPM)分析... 41 2-7.4 奈米碳管之高解析度穿透式電子顯微鏡分析 ... 42 2-7.5 Pd 源極、汲極之 XRD 分析... 42 第三章 奈米碳管電晶體之直流電性分析 3-1 單層壁奈米碳管之拉曼光譜、直徑分析 ... 51 3-1.1 單層壁奈米碳管之拉曼振動模式 ... 51 3-1.2 單層壁奈米碳管之 RBM 振動模式分析... 51 3-1.3 單層壁奈米碳管之 G-Band 振動模式分析... 52 3-1.4 單層壁奈米碳管之 D-Band 振動模式分析... 53 3-1.5 掃描式探針顯微鏡(SPM)分析單層壁奈米碳管的直徑分佈... 53

3-2 常溫長閘極式奈米碳管電晶體直流電性分析 ... 53 3-2.1 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體直流電性量測 ... 54 3-2.2 極性分子對於奈米碳管電晶體直流電性之影響 ... 55 3-2.3 下閘極介電層厚度及品質對於奈米碳管晶體直流電性之影響 ... 56 3-2.4 元件結構為 TiN/PE-SiN/重摻雜晶圓之成功率... 57 3-2.5 改善下閘極介電層品質對於奈米碳管晶體直流電性之影響 ... 57 3-2.6 元件結構為 doped N+ poly-Si/10nm Al2O3/高阻抗晶圓之成功率 . 58 3-3 高溫長閘極式奈米碳管電晶體直流電性分析 ... 59 3-4 常溫短閘極式奈米碳管電晶體直流電性分析 ... 60 3-4.1 施加晶背偏壓對於短閘極式奈米碳管電晶體之影響 ... 60 3-4.2 短閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體直流電性量測 ... 61 3-4.3 改善下閘極介電層品質對於短閘極式奈米碳管電晶體之影響 ... 62 3-5 源極/汲極之鈀 X 光繞射分析 ... 62 3-6 電性應力法燒除金屬性奈米碳管 ... 63 3-6.1 電性應力法之目的... 63 3-6.2 電性應力法之原理... 64 3-6.3 電性應力法之元件篩選... 64 3-6.4 電性應力法之施加偏壓準則... 65 3-6.5 電性應力法之直流電性量測... 66

3-7 電漿製程對於奈米碳管電晶體直流電性影響 ... 67 3-8 小結... 69 第四章 奈米碳管電晶體之退火效應分析 4-1 奈米碳管之穿透式電子顯微鏡(TEM)分析 ... 90 4-2 焦耳熱對於接觸阻抗之影響 ... 91 4-2.1 焦耳熱之來源... 91 4-2.2 焦耳熱效應對於奈米碳管電晶體直流電性之影響 ... 92 4-3 源極/汲極金屬之退火效應分析 ... 93 4-3.1 熱蒸鍍金屬於懸空之奈米碳管 ... 93 4-3.2 基材上高曲率奈米碳管管壁之影響 ... 94 4-3.3 真空高溫退火製程修補不緻密孔隙 ... 94 4-3.4 真空高溫退火製程參數之設定依據 ... 95 4-3.5 採用 Pd 作為源極、汲極之退火效應分析 ... 96 4-3.6 採用 Ni 作為源極、汲極之退火效應分析 ... 98 4-3.7 採用 Cr 作為源極、汲極之退火效應分析 ... 100 4-4 小結... 102 第五章 結論與展望 5-1 結論... 109 5-1.1 解決上閘極奈米碳管電晶體之缺點 ... 109

5-1.2 奈米碳管之材料分析... 109 5-1.3 高成功率之區域性背閘極奈米碳管電晶體 ... 110 5-1.4 高性能之區域性背閘極奈米碳管電晶體 ... 110 5-1.5 水氣極性分子對於區域性背閘極奈米碳管電晶體之影響 ... 111 5-1.6 定電壓預算之電性應力法... 111 5-1.7 電漿製程傷害奈米碳管... 111 5-1.8 真空高溫退火製程改善奈米碳管與金屬間之接觸阻抗 ... 111 5-2 後續研究建議... 112 參考文獻... 114 個人簡歷... 119

表目錄

第二章

圖目錄

第一章

圖1-1 上圖左為單層壁奈米碳管的示意圖；上圖右為利用具有原子級解 析 度 的 掃 描 穿 隧 顯 微 鏡(STM) 所 攝 得 的 單 層 壁 奈 米 碳 管 影 像 [12]。………..16 圖1-2 多層壁奈米碳管之示意圖。……….16 圖1-3 定義奈米碳管的特徵向量C=na1+ma2=(n,m)[12]。………17 圖1-4 上圖上為(n,m) = (10 10)的 Armchair 單層壁奈米碳管，上圖下為 (n,m) = (20 0)的 Zigzag 單層壁奈米碳管[12]。………17 圖1-5 奈米碳管的能量-動量關係圖。(a)三維示意圖；(b)金屬性奈米碳管 二維示意圖；(c)半導體性奈米碳管二維示意圖[12]。…………..18 圖1-6 奈米碳管成長法的示意圖。(a)電弧放電法；(b)雷射熱熔法；(c)化 學氣相沉積法。……….19 圖1-7 背閘極奈米碳管電晶體之剖面結構示意圖。……….20 圖1-8 假定奈米碳管吸附氧氣後呈現 P-type，而上圖所示為 P-type 奈米 碳管與源極/汲極金屬接觸達到熱平衡時，其蕭基位障之能帶 圖。……….20 圖1-9 自由載子穿隧蕭基位障產生電子或電洞的穿隧電流示意圖，當閘 極施加負電壓時產生電洞電流；當閘極施加正電壓時產生電子電 流。………..21 圖1-10 雙極性奈米碳管電晶體之 ID-VG特性圖[37]。………21 圖1-11 上閘極奈米碳管電晶體之剖面結構示意圖。………..22 圖1-12 源極/汲極採用光阻掀離法時，其邊緣所殘留的金屬尖端凸起示意 圖。………..22 圖1-13 雙閘極奈米碳管電晶體之剖面結構示意圖。………..23 圖1-14 P-type 雙閘極奈米碳管電晶體之能帶操作示意圖，當晶圓施以負 閘極偏壓(Vb < 0 V)時，藉由下閘極控制對於奈米碳管通道上的能 帶調變可控制電晶體的開關效應，實線表關狀態、虛線表開狀 態。………...23 圖1-15 P-type 雙閘極奈米碳管電晶體之能帶間穿隧效應示意圖。當下閘 極施加至大正電壓時，又施加極性與下閘極相反的大負電壓於背 閘極(晶圓)上，由源極入射的電洞有機會藉由能帶間穿隧效應到達

圖1-16 奈米碳管電晶體經由電子束照射後，其 ID-VG特性圖及拉曼光譜分 析均顯示其性能有衰退的現象[47]。………24 圖1-17 透過電漿製程選擇性蝕刻金屬性奈米碳管，使奈米碳管電晶體的 電流開關比由原先不到101改善到104[49]。……….……..25 圖1-18 (a)TEM 圖中為 functionalized CNTs，其管壁明顯有鍵結物產生； (b)TEM 圖中可驗證經過高溫退火可去除此鍵結物[50]。…….….25

第二章

圖2-1 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體之剖面結構示意圖。…...43 圖2-2 短閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體之剖面結構示意圖。…...43 圖2-3 濺鍍區域性背閘極時，光阻側壁為Taper 的形狀。……….44 圖2-4 使用光阻掀離法掀離出下閘極後，在下閘極邊緣所留下的金屬尖 端凸起。………...44 圖2-5 區域性背閘極採用光阻掀離法製作時，下閘極邊緣所殘留之金屬 尖端凸起的SEM 俯視圖。………..45 圖2-6 採用光阻掀離法製作區域性背閘極奈米碳管電晶體的 ID-VG 特性 圖。………...46 圖2-7 採用光阻掀離法製作區域性背閘極奈米碳管電晶體的 ID-VD 特性 圖。………...46 圖2-8 Carbolex 公司所提供之 AP-grade SWNTs 電子顯微鏡分析圖。…..47 圖2-9 GSG Pad 之光罩設計示意圖，DUT 為奈米碳管電晶體元件區 域。………...48 圖2-10 下閘極介電層之光罩設計示意圖。………...48 圖2-11 兩種不同基板/下閘極/下閘極介電層之長閘極式及短閘極式區域 性背閘極奈米碳管電晶體的製程步驟示意圖。………...50

第三章

圖3-1 Kataura 圖中顯示之中空菱形代表半導體性奈米碳管、中空圓形代 表金屬性奈米碳管、中空方形代表 Zigzag 半導體性奈米碳管、十

字(Cross)代表 Zigzag 金屬性奈米碳管，Zigzag 奈米碳管可決定 Kataura 圖之曲線寬度。而中 E 之上標 S 代表半導體性奈米碳管、 M 代表金屬性奈米碳管；E 之下標代表奈米碳管能帶圖中各個 subband 間的能隙值。注意 Kataura 圖中無能隙的金屬性奈米碳管

位於X 軸位置上，而 Kataura 圖中的每一點即代表一種奈米碳管的 旋度值[59]。……….71 圖3-2 採用拉曼光譜分析Carbolex 生產之奈米碳管的 RBM 峰值。…….72 圖3-3 採用勞侖茲分佈函數趨近於圖3-2 中的 RBM 峰值。………...72 圖3-4 採用拉曼光譜分析 Carbolex 生產之奈米碳管的 G-band 峰值及 D-Band 峰值。………..73 圖3-5 採用勞侖茲分佈函數趨近於圖3-4 中的 G-band 峰值。………73 圖3-6 採用積分法計算位於G-band 峰值下的面積。………..74 圖3-7 採用積分法計算位於D-band 峰值下的面積。………..74 圖3-8 掃描探針顯微鏡分析單層壁奈米碳管之直徑約為1.5nm。………75 圖3-9 掃描探針顯微鏡分析單層壁奈米碳管束之直徑約為2.2nm。……75 圖3-10 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 A 之 ID-VD特性圖。.76 圖3-11 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 A 之 ID-VG特性圖。.76 圖3-12 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 A 之 Gm-VG 特性 圖。………...77 圖3-13 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 B 之 ID-VD特性圖。.77 圖3-14 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 B 之 ID-VG特性圖。.78 圖3-15 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 A 之遲滯現象。…...78 圖3-16 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 B 之遲滯現象。…...79 圖3-17 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 C 之 ID-VG特性圖。.79 圖3-18 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 D 之 ID-VG特性圖。.80 圖3-19 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 D 之 Gm-VG 特性 圖。………...80 圖3-20 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 D 之 ID-VD特性圖。.81 圖3-21 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 E 之 ID-VD特性圖。.81 圖3-22 升溫量測元件 E 之 ID-VG特性圖。……….82 圖3-23 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 E 之 ID-VG特性圖。.82 圖3-24 短閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 F 之 ID-VG特性圖。.83 圖3-25 短閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 F 之 ID-VD特性圖。.83 圖3-26 金屬性奈米碳管與 Pd 接觸之 ID-VD特性圖。………84 圖3-27 短閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體元件 G 之 ID-VG特性圖。.84 圖3-28 Pd 退火前後之 XRD 分析。……….85 圖3-29 單次電性應力法燒除元件 H 上的金屬性奈米碳管之 ID-VG 特性 圖。………...85

圖3-31 背閘極奈米碳管電晶體之剖面結構示意圖。………...86 圖3-32 使用 In-line SEM 搜尋成功跨接於源極、汲極端之奈米碳管。……87 圖3-33 P-type 背閘極奈米碳管電晶體之 ID-VG特性圖。………..87 圖3-34 採用 PECVD 沉積 35nm 之氮化矽上閘極介電層於奈米碳管上之示 意圖。………...88 圖3-35 半導體性奈米碳管在遭受 PECVD 傷害後之 ID-VG特性圖。……...88 圖3-36 金屬性奈米碳管在遭受 PECVD 傷害後之 ID-VG特性圖。………...89

第四章

圖4-1 使用HRTEM 分析單層壁奈米碳管管壁之有機吸附物。………..103 圖4-2 源極/汲極之焦耳熱對於 1st 及 2nd 奈米碳管電晶體直流電性之影 響。……….104 圖4-3 源極/汲極之焦耳熱對於 2nd 及 3rd 奈米碳管電晶體直流電性之影 響。……….104 圖4-4 鉻與氧產生Cr-O 鍵結對於奈米碳管電晶體直流電性之影響。…105 圖4-5 不同種類之金屬熱蒸鍍於基材上懸空之奈米碳管的 TEM 分析圖 [56]。………..106 圖4-6 高溫退火Pd 源極/汲極之前後奈米碳管電晶體直流電性。……..107 圖4-7 高溫退火Ni 源極/汲極之前後奈米碳管電晶體直流電性。……..107 圖4-8 高溫退火Cr 源極/汲極之前後奈米碳管電晶體直流電性。……..108

第一章

緒論

1-1 奈米碳管之固態物理性質

自從西元1985 年，美國的柯爾(Robert. Curl)、史麥利(Richard. E. Smalley)

及英國的科洛托(Harry. W. Kroto)，三人共同發現了碳六十(C60)的奈米級分

子結構物之後[1]，陸陸續續引發了有關此類物質的研究大幅成長。到了西

元1991 年，日本 NEC 公司研究員飯島澄男博士(S. Iijima)使用電弧放電法

(Arc discharge)進行成長，並且透過高解析度穿透式電子顯微鏡(HRTEM)的 分析，成功的發現了多層壁奈米碳管(Multi-walled Carbon Nanotube, MWNT) 的存在[2]，隨後在 1993 年時，飯島澄男博士又發現了更令人振奮的消息是 單層壁奈米碳管(Single-walled Carbon Nanotube, SWNT)的存在[3]。從此之 後，有關於奈米碳管的研究便蓬勃發展，後續研究發現其屬於直接能隙 (Direct bandgap)，並且具有很高的機械強度[4][5]、熱穩定性、熱傳導性[6]、 抗電子遷移(Electron migration)[7]、耐高電流密度[8][9]。

奈米碳管其結構可以看成是二維空間以 SP2 軌域鍵結的蜂窩狀石墨層

結構捲曲而成的管狀物[10][11]，若奈米碳管的管壁僅由一層碳原子所構 成，則稱之為單層壁奈米碳管(Single-walled Carbon Nanotubes, SWNTs)(如

圖1-1)[12]，其直徑約為 1~2 奈米(nm)，長度可達數十微米(µm)。因如此高

之長寬比(Aspect ratio = length / diameter)，可將奈米碳管視為理想的一維結 構物，自由載子在奈米碳管上傳導時，可以大幅地改善因散射(Scattering) 所造成之載子遷移率(mobility)下降的問題，表現彈道傳輸(Ballistic transport) 的行為[13]。若奈米碳管的管壁是由多層同軸碳原子所形成，則稱之為多層 壁奈米碳管(Multi-walled Carbon Nanotubes, MWNTs)(如圖 1-2)[14]，其直徑

與其管壁的碳原子層數有關，大多為數十到數百奈米不等。 奈米碳管由於單層石墨層結構捲曲方向的不同，使其基本的導電特性 有金屬性或半導體性的區別，為了標明不同的捲曲方向，所以定義出奈米 碳管的特徵向量(Chiral vector)C = na1 + ma2 = (n,m)(如圖 1-3)[12]，方向為垂 直奈米碳管的軸向方向，| C |為奈米碳管管徑的周長，進而可以計算出奈米 碳管的直徑。若n = m 時，則稱之為 Armchair 奈米碳管；若 n 或 m 其中之 一為 0 時，則稱之為 Zigzag 奈米碳管(如圖 1-4)[12]，其它不屬於所述前兩 者的奈米碳管則稱之為Chiral 奈米碳管。

根據固態物理的緊束縛理論(Tight binding method)，可以計算出二維石 墨層結構的三維能量-動量關係圖(3-D E-k diagram)(如圖 1-5(a))[12]，其形狀

類似兩個圓錐體以點對點的方式接觸再一起，此點稱之為 Dirac point，即 Ek = 0 之處。由於奈米碳管可以視為理想的一維結構物，所以奈米碳管中電 子的動量只有一個維度，此維度方向就是奈米碳管的特徵向量。透過特徵 向量的選定，就可以由石墨層結構的三維能量-動量關係圖得知奈米碳管的 二維能量-動量關係圖(2-D E-k diagram)，進而判斷出奈米碳管是呈現金屬性 或半導體性的性質。經由理論計算，可得當n - m 為 3 的倍數時，其特徵向 量剛好通過三維能量-動量關係圖的 Dirac point，而得到奈米碳管的二維能 量-動量關係圖，可知傳導帶(Conduction band)和價帶(Valence band)間沒有能 隙(Bandgap)的存在(如圖 1-5(b))[12]，所以此種碳管屬於金屬性奈米碳管。 反之，n - m 不為 3 的倍數時，有能隙存在於傳導帶和價帶之間(如圖 1-5(c))[12]，屬於半導體性奈米碳管，有利於製作主動開關元件。能隙的大 小和奈米碳管的直經有關，直徑愈大，能隙愈小，兩者是呈現反比的關係 [10][15]，所以縱使特徵向量沒有經過 Dirac point，當奈米碳管直徑大到數 十奈米以上時，也會因能隙過小，而呈現出較偏向金屬性奈米碳管的性質， 因此多層壁奈米碳管多半屬於此類，不利於製作主動開關元件，但可以當

做元件間的連接線(Interconnect)使用[16][17][18]，研究發現其可耐的電流負 載密度大約為109 A/cm2 [8][9]，約為傳統金屬導線的 1000 倍。未來於互補 式金屬氧化物半導體(CMOS)製程繼續微縮，金屬連接線的線寬微縮達到一 定程度時，即將面臨到電阻過高的問題，使得電路的操作延遲時間(RC time delay)上升，金屬性奈米碳管非常有潛力應用於半導體製程的金屬連接線上 [18]。

1-2 奈米碳管之成長方式

從單層壁奈米碳管被發現以來，其相較於多層壁奈米碳管的優點是單 層壁奈米碳管的性質有較大的或然率是呈現半導體性，有利於製作主動元 件，故研究人員莫不致力於尋找更經濟(low cost)、更高純度(high purity)、 更高品質(high quality)的方法來成長單層壁奈米碳管。目前主要用來生產奈 米碳管的方式有三種：雷射熱熔法(Laser ablation)[19]、電弧放電法(Arc discharge)[20]、化學氣相沉積法(Chemical vapor deposition, CVD)[21]。

電弧放電法(如圖 1-6(a))其原理為在製程腔體(Chamber)中通入氦氣 (He)，並且置入兩石墨電極，兩端施加電壓(20V~25V)，使石墨電極流過高 電流(50A~120A)，氣化石墨電極，產生碳原子，使其自行排列產生奈米碳 管。此法的優點為將催化劑(Catalyst)加入石墨電極中，可以生產出單層壁 奈米碳管，缺點是成本高、產率較雷射熱熔法還低、所成長出的奈米碳管 長度較短，無法符合半導體製程上大量生產的需求。 雷射熱熔法(如圖 1-6(b))其原理為在 1200oC 的製程溫度下，使用雷射 光打在含有少量鎳(Ni)、鈷(Co)等磁性材料作為催化劑的石墨基板上，高能 量的雷射光可以蒸鍍出基板的碳原子以及少量的催化劑，碳原子會自行排 列產生奈米碳管。此法的優點是可以用來生產單層壁奈米碳管、高純度的 奈米碳管(70~90%)以及直徑分布範圍較窄的奈米碳管，缺點是成本高、產

率(Throughput)低，無法符合半導體製程上大量生產的需求。 化學氣相沉積法(如圖 1-6(c))其原理為在製程腔體中通入碳源氣體(如 甲烷、乙烯、乙炔)，使其在高溫(Thermal)或電漿(Plasma)的環境中分解， 產生碳原子並且沉積在鍍有催化劑(如鐵、鈷、鎳)的基板上，排列產生奈米 碳管。此法的優點是符合半導體製程上大量生產的需求，是商業化生產奈 米碳管的途徑，且其所成長出的奈米碳管長度可達數十微米以上，更可以 透過對基板催化劑的定位(Placement)，來定位成長奈米碳管[22]，這是前述 兩種方法所無法達到的製程需求。另外近期也有研究人員使用此法，外加 電場或使用石英基板來達到定向(Alignment)成長奈米碳管[23][24][25]。 未來在研究奈米碳管成長方面，潮流傾向於控制奈米碳管直徑範圍 [26]、純度更高的單層壁奈米碳管、長度更長的奈米碳管[27]、成長密度更 高的平行(Parallel)奈米碳管[22]，才有更大的潛力應用於未來的電子元件市 場。

1-3 半導體性奈米碳管在電晶體上之應用

1-3.1 奈米碳管電晶體之起源 西元1998 年時，IBM 的研究團隊證實了使用具有半導體性質的奈米碳 管來當作電晶體通道(Channel)的可能性，製作出了全世界第一顆背閘極奈 米碳管電晶體(Back-gated CNTFETs)(如圖 1-7)[28][29]，由於其優異的直流 電 性 表 現 ， 更 被 認 為 具 有 在 將 來 取 代 金 屬 氧 化 物 半 導 體 場 效 電 晶 體 (MOS-FET)的潛力。時至今日，奈米碳管電晶體所使用的製程方式、結構 設計、閘極介電質材料的選擇及沉積方式[30][31]、源極/汲極(Source/Drain) 金屬電極的選擇[32][33]，都有大量的研究成果發表於世。 1-3.2 背閘極奈米碳管電晶體之製程及導通操作方式的優劣點

對於奈米碳管電晶體的結構來說，由最早期的背閘極結構開始說明(如 圖1-7)[32]，其優點為製程方式最簡單。背閘極是以晶圓作為背閘極，其上 以熱氧化法成長背閘極介電層，再以磁性催化劑定位成長奈米碳管或是以 光阻塗佈機旋塗上奈米碳管，最後再使用光阻掀離法(PR Lift-off)製程完成 源極/汲極的金屬電極。 根據本實驗室李宜澤學長論文所提出的數個直接證據及文獻上的研究 發展說明了奈米碳管電晶體可視為一種蕭基位障(Schottky barrier)主導的元 件[34][35][36]，其蕭基位障成因與傳統矽通道的蕭基位障元件相同，來源 為半導體性奈米碳管與源極/汲極金屬電極接觸後，達到熱平衡時，由於半 導體性奈米碳管與源極/汲極金屬的費米能階(Fermi-level)須一致，故對存在 於源極/汲極金屬中的自由電子、自由電洞產生蕭基位障，使自由載子無法 自由移動到半導體性奈米碳管上。對於自由電子而言，蕭基位障高度 (Schottky barrier height)為熱平衡時，源極/汲極金屬的費米能階到半導體性 奈米碳管的傳導帶之差；對於自由電洞而言，蕭基位障高度為熱平衡時， 源極/汲極金屬的費米能階到半導體性奈米碳管的價帶之差，兩者之和為半 導體性奈米碳管的能隙值(如圖 1-8)。 此類型元件的電性導通操作原理為利用背閘極電場來調變蕭基位障及 半導體性奈米碳管通道上的能帶，進而影響蕭基位障的寬窄、通道中自由 電子、自由電洞之濃度上升或下降，而源極/汲極金屬上的自由載子得以藉 由熱助式穿隧效應(Fowler-Nordheim tunneling)穿過蕭基位障，而產生電子或 電洞穿隧電流(如圖 1-9)，故具有蕭基位障的元件其電流傳輸成份屬於主要 載子(Major carriers)所控制。且主要載子會隨著背閘極電場極性的正負來決 定，當背閘極電場極性為正時，主要載子為電子；當背閘極電場極性為負 時，主要載子為電洞，所以蕭基位障元件的傳導電流具有雙極性(ambipolar) 特徵(如圖 1-10)[37]，此點對於開關功能的主動元件之需求來說，不是有利

的先天條件，故研究人員莫不致力於將雙極性的奈米碳管電晶體轉變為單 極性(Unipolar)的奈米碳管電晶體[37]，其改善方法將在 1-3.5 節及 1-4 節中 有詳細說明。 總言之，背閘極所扮演的角色是調變蕭基位障來達到控制奈米碳管電 晶體開關的效果，但也由於蕭基位障寬窄的調變與背閘極電場大小間之關 係是屬於自然指數(Natural Exponential)對數(Logarithm)的關係，在次臨界電 壓(sub-threshold voltage)前，背閘極電場對於汲極電流的調變力很差，所以 背 閘 極 奈 米 碳 管 電 晶 體 的 最 大 缺 點 是 無 法 使 電 晶 體 的 次 臨 界 斜 率 (Subthreshold swing)降低，離 MOSFET 常溫極限 60(mV/dec)仍有一大段的 距離[38]。另一重大缺點是以晶圓來當作背閘極，無法控制單一顆的奈米碳 管電晶體。 1-3.3 上閘極奈米碳管電晶體之製程及導通操作方式 為了改善背閘極奈米碳管電晶體的缺點，研究單位陸續提出上閘極 (Top-gated)奈米碳管電晶體的想法(如圖 1-11)[39]。操作原理與背閘極奈米 碳管電晶體相同，上閘極通常會和源極/汲極只有些許小於 100 奈米的重疊 (overlap)，可以降低上閘極和源極/汲極的寄生電容，加快元件速度又可以 兼顧源極/汲極端蕭基位障的調變。如此可以改善背閘極無法個別控制單一 奈米碳管電晶體的缺點，但由於蕭基位障仍存在於源極/汲極端，故其缺點 仍是次臨界斜率無法有效的降低。 另一要點是上閘極介電層的選擇要特別注意，由於無法使用熱氧化的 方式成長上閘極介電層，必須透過電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、濺鍍 (Sputter)、電子槍蒸鍍系統(E-gun)，或原子層沈積(ALD)等方式來沉積上閘 極介電層，須注意是否有上閘極漏電過大、沉積方式是否會傷害奈米碳管 及沉積方式對於奈米碳管的階梯覆蓋(Step coverage)等問題。在文獻中，上 閘極介電層大多以原子層沈積的方式製作[22][31]，一方面提升上閘極介電

層的品質，避免採用PECVD 製程時，上閘極介電層中大量電荷的累積，影 響直流電性，且又可以兼顧上閘極介電層之介電常數(Dielectric constant)、 維持奈米碳管品質，在低漏電的需求下，沉積厚度較薄之上閘極介電層， 改善奈米碳管電晶體的次臨界斜率。但由於半導體性奈米碳管直徑約為 1nm 至 2nm，其結構表面的曲率非常大，故採用此製程沉積厚度較薄的上 閘極介電層時，需注意階梯覆蓋的問題，以免上閘極漏電流過大，而此漏 電流問題也可透過對於奈米碳管進行特殊的化學處理而改善其沉積的覆蓋 能力[22]，得到等效二氧化矽厚度(Effective oxide thickness, EOT)超薄的上閘 極介電層。 1-3.4 上閘極奈米碳管電晶體之製程缺點 上閘極奈米碳管電晶體的另一重大缺點是來自於當上閘極需要和源 極、汲極有重疊區域來調變半導體性奈米碳管和源極、汲極金屬接觸所產 生的蕭基位障時，由於為了使源極/汲極金屬包覆住奈米碳管以降低接觸阻 抗，在以不傷害奈米碳管為前提下，必須避免奈米碳管裸露於電漿中的離 子轟擊(Ion bombardment)下，所以源極/汲極的製作方式就無法使用金屬乾 蝕刻法完成，故源極/汲極必定採用光阻掀離法製作，這將使得源極/汲極金 屬線邊緣有殘留之金屬尖端凸起(Sharp edge)(如圖 1-12)，此金屬尖端凸起生 成原因將在2-2.1 節中詳述。而此金屬尖端凸起將會嚴重影響後續上閘極介 電層沉積的均勻性，致使金屬尖端凸起上方的上閘極介電層厚度沉積較薄 (如圖 1-12)，又尖端凸起有電場集中效應產生，所以此金屬尖端凸起上方的 上閘極介電層在奈米碳管電晶體操作時，有上閘極漏電偏大的問題，影響 奈米碳管電晶體的電壓操作區間。 對於上閘極奈米碳管電晶體來說，在旋塗奈米碳管時，由於晶圓表面 較為平坦，較無明顯的結構高低差，使用配製濃度較低的奈米碳管溶液時，

管溶液的濃度來提高此或然率，然而較高的奈米碳管溶液濃度，在使用超 音波震盪器來分離奈米碳管束(CNTs bundle)時，將會較難成功地分離奈米 碳管束成為分散的單一根奈米碳管，上述之現象將在2-3.3 節中詳細探討， 此奈米碳管束散佈在電晶體的通道上將不易獲得單一根半導體性奈米碳管 電晶體其原始特性(Intrinsic performance)，對於此方面之研究來說，這並不 是樂見的情況。 1-3.5 雙閘極奈米碳管電晶體之製程及導通操作方式的優劣點 要達到降低次臨界斜率的唯一方法是使電晶體的開關控制由蕭基位障 的主導轉變為奈米碳管本身通道能帶圖的調變(Bulk switching)，因此 IBM 公司提出了雙閘極(Dual-gated)奈米碳管電晶體(如圖 1-13)[38][40][41]，其結 構是下閘極和源極/汲極沒有重疊，而蕭基位障的調變仍需藉由背閘極(晶圓) 以電性摻雜(Electrical doping)的方式完成，可控制進入通道的自由載子為電 子或電洞，而下閘極用來控制電晶體的開關、屏蔽背閘極的電場(如圖 1-14)[40]，優點為可使奈米碳管電晶體的電性由雙極性轉變為單極性，且此 奈米碳管電晶體開關的控制方式，將使得下閘極的電場大小與半導體性奈 米碳管通道上的能帶圖調變值為線性關係，所以在次臨界電壓前，下閘極 電場對於汲極電流的調變力很強，可以有效的降低次臨界斜率，若採用EOT 值很低的下閘極介電層，其次臨界斜率可趨近於 MOSFET 常溫極限的 60(mV/dec)[38]。 雙閘極奈米碳管電晶體的缺點是背閘極仍然需加偏壓，使得閘極和源 極/汲極間的寄生電容上升，後來提出使用化學摻雜(Chemical doping)的方法 取代掉電性摻雜，透過使用特殊的化學藥劑來摻雜奈米碳管，改變自由載 子(如電洞或電子)在通道上的濃度，來達到調變蕭基位障的效果[42][43]， 缺點是摻雜在奈米碳管上的化學藥劑濃度會隨時間的遞增而衰減，必須覆 蓋一層阻擋層於元件上防止化學藥劑的去吸附效應。

1-3.6 雙閘極奈米碳管電晶體之能帶間穿隧效應 對於 P-type 雙閘極奈米碳電晶體來說，若汲極端施加一小負電壓、源 極端接地，當施加小正電壓於下閘極上時，可有效地利用奈米碳管通道上 之能帶圖調變來阻擋由源極端入射之電洞載子，使 P-type 雙閘極奈米碳管 電晶體呈現關閉之狀態(如圖 1-14)。但當下閘極施加至大正電壓時，又施加 極性與下閘極相反的大負電壓於背閘極(晶圓)上，此時，在下閘極與背閘極 接面的半導體性奈米碳管能帶圖將受到劇烈的拉伸電場作用而趨近於垂直 狀態，而由源極端所入射的高能量電洞在此劇烈彎曲之能帶區域將受到大 電場的加速，有機會藉由能帶間穿隧(Band-to-Band tunneling)效應使原本關 閉的奈米碳管電晶體又有電流導通(如圖 1-15)。由於能帶間穿隧效應的次臨 界斜率有機會在常溫下突破MOSFET 之 60 (mV/dec)限制，且此效應不受溫 度變化而影響其次臨界斜率，故有文獻在更改元件設計後，將導通原理由 熱游離(Thermionic emission)轉變為能帶間穿隧，故此效應可以被善加利用 成為具有超低次臨界斜率(<60(mV/dec))的單極性奈米碳管電晶體[22]。 能帶間穿隧效應發生的或然率與半導體性奈米碳管之能隙、短閘極電 場、通道上的散射(Scattering)效應、傳輸載子於半導體性奈米碳管上的等效 質量(Effective mass, m*)有關。要提升能帶間穿隧效應的或然率，需採用直 徑較小的半導體性奈米碳管才有較大的能隙、施加較大的短閘極電場、減 低通道上的散射效應、傳輸載子等效質量較小的奈米材料。而對於半導體 性奈米碳管來說，自由載子於其上之平均自由路徑(Mean free path, MFP)在 常溫下可達數百奈米至數微米，故自由載子在其上傳輸時可保有較高的動 能，較不受聲子(Phonon)散射效應的影響，且其傳輸電子的等效質量為

0.06mo，其中 mo = 9.1E-31(Kg)為電子的實際質量，且其三維能量-動量關係

元件來說，奈米碳管是很適合的奈米材料，可以有效地發揮其本身的優點。

1-4 金屬功函數對於奈米碳管電晶體極性之影響

1-4.1 高功函數金屬 將具有雙極性特徵的奈米碳管電晶體轉變為單極性P-type 或 N-type 奈 米碳管電晶體的其一方法為利用源極/汲極的金屬功函數(Work function)大 小來控制。一般來說，對於直徑為 1.4nm 的未摻雜(Intrinsic)單層壁奈米碳 管來說，其能隙約為 0.6eV[44]，且其功函數約為 4.73eV[45]，若使用高功 函數(>5eV)的源極/汲極金屬與半導體性奈米碳管接觸將使其費米能階接近 於半導體性奈米碳管的價帶，對電洞來說，將有較低的蕭基位障；對電子 來說，將有較高的蕭基位障，故可以壓抑住閘極極性為正時的電子電流， 而閘極極性為負時，產生較大的電洞電流，製作出 P-type 的奈米碳管電晶 體，此類金屬包含鎳(5.22eV)、鉑(5.7eV)、鈀(5.1eV)，而高功函數金屬的優 點為不易與氧產生反應，可長時間維持較低的接觸阻抗。 1-4.2 低功函數金屬 若使用低功函數(<4eV)的源極/汲極金屬與半導體性奈米碳管接觸將使 其費米能階接近於半導體性奈米碳管的導帶，對電子來說，將有較低的蕭 基位障；對電洞來說，將有較高的蕭基位障，故可以壓抑住閘極極性為負 時的電洞電流，而閘極極性為正時，產生較大的電子電流，製作出 N-type 的奈米碳管電晶體[46]，此類金屬包含鈣(2.87eV)，但須注意的是低功函數 金屬本身活性很大，易與氧產生反應，致使奈米碳管與金屬間之接觸阻抗 上升，甚至呈現開路的電性，故採用此法製作 N-type 奈米碳管電晶體時， 在製作完源極/汲極後，需置於真空量測系統中量測，以防其氧化改變電性。 一般來說，金屬功函數位於4eV 至 5eV 間，所製作出的奈米碳管電晶體將

較偏向呈現雙極性特性，此類金屬包含鈦(4.33eV)。

1-5 電子束照射對於奈米碳管電晶體之影響

根據文獻上的研究顯示[47]，電子顯微鏡腔體中的加速電子撞擊到奈米 碳管時，其兩者之間的交互作用將使奈米碳管產生電性及結構上的破壞， 雖然目前關於此破壞產生的原因尚無定論，但在文獻中，奈米碳管在加速 電子短時間照射後，其照射前後的拉曼光譜分析及前後的奈米碳管電晶體 直流分析，證實其電性及結構均有明顯呈現衰退的趨勢(如圖 1-16)[47]。由 於線上電子顯微鏡屬於低電子加速電壓的系統，而此種破壞在低電子加速 電壓相較於高電子加速電壓更為劇烈[48]，所以為了避免此種破壞對於奈米 碳管電晶體電性的影響，故本論文將捨棄使用線上電子顯微鏡來搜尋、紀 錄奈米碳管成功跨接過源極/汲極的元件，以避免電子束照射(Electron irradiation)對奈米碳管電晶體的直流電性產生任何影響。

1-6 電漿製程對於奈米碳管之影響

根據本實驗室學長對於奈米碳管電晶體的研究經驗，發現對於上閘極 結構之奈米碳管電晶體來說(如圖 1-11)，若其上閘極介電層的沉積方式採用 電漿輔助化學氣相沉積來製作，由於此製程步驟之前，奈米碳管已經先被 旋塗於晶圓表面上，這將使得奈米碳管在元件製作過程中經過電漿的環 境，而最終的直流電性量測結果均呈現良率不佳的現象。3-7 節將透過實際 的元件製作及直流電性量測來驗證電漿製程對於奈米碳管的影響。 另外在西元 2006 年 11 月的科學(Science)期刊上，美國史丹佛大學 (Stanford)的戴宏傑(Hongjie Dai)教授及其奈米碳管研究群發表了利用遙控 式電漿(Remote plasma)對於奈米碳管進行選擇性蝕刻(Selective etching)製程

量是其中非常重要的環節所在。由於奈米碳管的直徑大小可決定其表面之 碳原子鍵結間之應變鍵結能(Strained bonding energy)，故直徑愈小、側壁曲 率愈大的奈米碳管含有較高之應變鍵結能，愈易與氫(H)的自由基(Radicals) 產生反應，且經由理論計算可得在同樣直徑大小下，半導體性奈米碳管的 生成能(Formation energy)小於金屬性奈米碳管的生成能，所以在 1.4nm 至 2nm 的直徑區間中，成功地利用碳氫化(Hydrocarbonation)反應的原理選擇 性地蝕刻掉奈米碳管電晶體通道上的金屬性奈米碳管而不傷害半導體性奈 米碳管，提升奈米碳管電晶體的電流開關比(On-off ratio)(如圖 1-17)[49]，進 一步證實了可以採用含氫的氣體在電漿的環境中分解所產生的活性產物破 壞掉部分奈米碳管的結構。

1-7 共價性鍵結對於奈米碳管之影響

根據西元 2006 年 IBM 研究員 P. Avouris 所領導的奈米碳管研究群發表

於Nano Letters 的文獻[50]，其利用奈米碳管與 aryldiazonium salts 在常溫下

產 生 反 應 後[51]， 將 有 機 物 之 分 子 與 奈 米 碳 管 的 π-bond 形 成 共 價 性

(Covalently bond)鍵結，由 TEM 結果顯示，此種共價性鍵結並不會傷害奈

米 碳 管 本 身 的 結 構 ， 將 此 種 奈 米 碳 管 稱 之 為 Functionalized Carbon

Nanotubes。由於奈米碳管直徑愈小時，本身碳原子鍵結間的應變能愈大， 故奈米碳管本身的內能(Potential energy)愈高，此時愈易發生共價性鍵結， 所以此種共價性鍵結產生之難易度與奈米碳管之直徑、奈米碳管溶液之溫

度有關。採用旋塗法將特定Functionalized Carbon Nanotubes 旋塗於晶圓表

面時，其優點為易與金屬氧化物(如 Al2O3)的介電層產生很強的吸附性質，

且不易與氧化矽的介電層產生吸附作用，故只需在晶圓表面上定義出金屬 氧化物的區域，就可區域性地控制奈米碳管於晶圓上的位置。缺點為吸附 物分子於奈米碳管上的共價性鍵結會造成奈米碳管電晶體導通時之自由載

子在通道上受到較大的散射效應，使得自由載子的遷移率下降、導通電流 下降、次臨界斜率上升。改善方法為將元件經過高溫退火製程後，經由TEM 照片顯示，可完全去除奈米碳管上的吸附物質(如圖 1-18)[50]，回復其原有 的直流電性，另一方面，對於非共價性鍵結來說，其並不會有破壞電性的 現象產生。 由於本論文所採用的奈米碳管溶液中之二甲基甲醯胺(DMF)碳氫有機 物可能與奈米碳管產生共價性鍵結、吸附或覆蓋於奈米碳管上，故必須透 過高溫退火製程將此碳氫有機吸附物從奈米碳管上去除，回復奈米碳管電 晶體之直流電性。4-1 節將透過高解析度穿透式電子顯微鏡分析，以確認本 論文所採用的奈米碳管上是否有碳氫有機物的存在。

1-8 奈米碳管與金屬之接觸阻抗

半導體產業在莫爾定律(Moore’s Law)的推展下，元件製程的微縮技術 仍然持續地衍進中，在互補金屬氧化物半導體(CMOS)的微縮達到物理極限 前，研究學者開始尋找新穎的奈米材料來製作主動開關元件，尋求其取代 傳統矽元件的可能性。而其中的奈米材料包含奈米線(Nanowire)、奈米碳管 等一維奈米結構，由於一維奈米結構具有較低的維度，所以自由載子於其 上傳輸時，自由載子所受到的散射效應較低、平均自由路徑較長，故可改 善自由載子傳輸的特性，達到近似於彈道傳輸(Ballistic transport)的行為 [12]。 採用一維奈米材料來製作主動元件時，其無法避免與三維結構的外部 連接線相接，對於趨近彈道傳輸的導體來說，其與外部三維結構金屬電極 接觸面間所產生的接觸阻抗將主導元件之電性表現，對於此種一維半導體 性材料與三維金屬性電極間的接觸面性質來說，其複雜度將高於傳統半導 體與金屬接觸(Semiconductor/metal contact)之性質。

1-8.1 金屬氧化物生成熱對於接觸阻抗之影響 根據本實驗室翁堅立學長、張志廉學長的論文[52][53][54]，其採用四 端點量測法粹取出奈米碳管與金屬電極間的接觸阻抗值，研究發現，奈米 碳管與金屬間的接觸阻抗值與金屬電極的氧化物生成熱有關，愈易與氧鍵 結形成金屬氧化物的活性金屬，如鋁(Al)、鈦(Ti)，在奈米碳管與金屬的接 觸面將有絕緣層產生，嚴重地影響自由載子的傳輸行為，使其與奈米碳管 間的接觸阻抗愈高。採用活性較低、不易與氧產生鍵結的金屬來作為奈米 碳管電晶體的源極/汲極可以有效地降低接觸阻抗，提升奈米碳管電晶體的 性能，此類活性較低的高功函數金屬包含鉑(Pt)、鈀(Pd)、金(Au)。 1-8.2 金屬碳化物生成熱對於接觸阻抗之影響 另一方面，對於較易與碳產生鍵結的金屬來說，採用高溫退火使金屬 與奈米碳管間產生金屬碳化物(Metallic carbide)，也可有效地降低接觸阻 抗，其原理類似傳統矽元件的源極、汲極金屬矽化物(Metallic silicide)製程。 此類可與碳鍵結產生金屬碳化物的金屬中，較具代表性為鈦。鈦原子與碳 原子形成金屬碳化物的生成熱為-54 Kcal/mole，且由於奈米碳管結構本身的 高曲率碳原子鍵結將提升其表面位能，使碳原子更易傾向與鈦原子間產生 共價性鍵結作用[55][56]。但由於鈦本身的活性易與氧形成 TiO 之鍵結，透 過攝氏800 度、時間為 30 秒的快速退火熱製程(RTA)後，可破壞原有的 TiO 鍵結所產生的氧化層位障，使鈦與奈米碳管形成 TiC 之鍵結，且此 TiC 鍵 結呈現針狀(Needlelike)[57]。當鈦與半導體性奈米碳管接觸來製作奈米碳管 電晶體時，經過RTA 製程產生針狀之 TiC 時，可加強其閘極電場效應，使 閘極電場更易於調變接觸面之蕭基位障，故雖有蕭基位障的存在，但自由 載子卻易於穿隧蕭基位障產生穿隧電流。當鈦與金屬性奈米碳管接觸時， 由RTA 前的電流(ID)與電壓(VD)關係圖，可發現其曲線不為直線，故其接觸

面間存在TiO 的氧化層位障，但在經過 RTA 後，其曲線呈現直線關係，更 可判斷在經由RTA 製程後，可破壞原先之 TiO 鍵結，使鈦與金屬性奈米碳 管間之接觸屬於歐姆接觸(Ohmic contact)[53][58]。

1-9 論文架構

本論文主要目的是設計並製作區域性背閘極(Local bottom-gated)結構 的奈米碳管電晶體，其又可區分為長閘極式 P-type CNTFETs 及短閘極式 P-type CNTFETs，透過直流電性的量測，進一步的改善製程材料、製程參 數來達到高性能(High performance)奈米碳管電晶體的要求，並加以分析其 直流電性。 第二章中將會說明區域性背閘極奈米碳管電晶體的製程結構設計、光 罩佈局、製程材料、製程步驟。另外說明區域性背閘極的製程方式及奈米 碳管溶液的配製法則。 第三章中將會對所使用的奈米碳管進行材料分析，其中包含拉曼光譜 分析及掃描探針顯微鏡(SPM)分析。並探討區域性背閘極奈米碳管電晶體於 不同製程參數、不同製程材料及不同溫度下的直流電性變異；電性應力法 (Electrical stress)燒除金屬性奈米碳管的方法；電漿製程對於奈米碳管電晶 體直流電性所產生之影響；X 光繞射法(XRD)對於鈀(Pd)源極/汲極之晶相分 析。 第四章中則是檢驗焦耳熱(Joule heating)、真空高溫退火效應對於奈米 碳管電晶體直流電性、奈米碳管與金屬間之接觸阻抗的影響，其中的實驗 變因包含鈀(Pd)、鎳(Ni)、鉻(Cr)分別作為源極/汲極金屬，並探討不同金屬 與奈米碳管間的黏著(sticking)與濕潤(wetting)作用力之強度。另外採用高解 析度穿透式電子顯微鏡分析奈米碳管上是否有碳氫有機吸附物之存在。 第五章為結論歸納並且對未來之研究工作給予建議。

圖 1-1 上圖左為單層壁奈米碳管的示意圖；上圖右為利用具有原子級解析

度的掃描穿隧顯微鏡(STM)所攝得的單層壁奈米碳管影像[12]。

圖1-3 定義奈米碳管的特徵向量 C=na1+ma2=(n,m)[12]。

圖1-4 上圖上為(n,m) = (10 10)的 Armchair 單層壁奈米碳管，上圖下為(n,m)

圖1-5 奈米碳管的能量-動量關係圖。(a)三維示意圖；(b)金屬性奈米碳管二 維示意圖；(c)半導體性奈米碳管二維示意圖[12]。

圖1-6 奈米碳管成長法的示意圖。(a)電弧放電法；(b)雷射熱熔法；(c)化學 氣相沉積法。

圖1-7 背閘極奈米碳管電晶體之剖面結構示意圖。

圖1-8 假定奈米碳管吸附氧氣後呈現 P-type，而上圖所示為 P-type 奈米碳

圖1-9 自由載子穿隧蕭基位障產生電子或電洞的穿隧電流示意圖，當閘極 施加負電壓時產生電洞電流；當閘極施加正電壓時產生電子電流。

圖1-11 上閘極奈米碳管電晶體之剖面結構示意圖。

圖1-12 源極/汲極採用光阻掀離法時，其邊緣所殘留的金屬尖端凸起示意

圖1-13 雙閘極奈米碳管電晶體之剖面結構示意圖。

圖1-14 P-type 雙閘極奈米碳管電晶體之能帶操作示意圖，當晶圓施以負閘

極偏壓(Vb < 0 V)時，藉由下閘極控制對於奈米碳管通道上的能帶調變可控 制電晶體的開關效應，實線表關狀態、虛線表開狀態。

圖1-15 P-type 雙閘極奈米碳管電晶體之能帶間穿隧效應示意圖。當下閘極 施加至大正電壓時，又施加極性與下閘極相反的大負電壓於背閘極(晶圓) 上，由源極入射的電洞有機會藉由能帶間穿隧效應到達汲極。

圖1-16 奈米碳管電晶體經由電子束照射後，其 ID-VG特性圖及拉曼光譜分

圖1-17 透過電漿製程選擇性蝕刻金屬性奈米碳管，使奈米碳管電晶體的電

流開關比由原先不到101改善到104[49]。

圖1-18 (a)TEM 圖中為 functionalized CNTs，其管壁明顯有鍵結物產生；

第二章

元件設計與製程步驟

本章中將詳細介紹區域性背閘極奈米碳管電晶體的製程結構設計根 據、光罩佈局、製程材料的選擇、製程步驟的規劃。另外也將說明區域性 背閘極的製程方式及奈米碳管溶液的配製法則。最後說明針對高性能奈米 碳管電晶體的製程參數設計及本論文在電性量測及材料分析上的方法。

2-1 元件結構之設計根據

根據第一章中1-3.4 節所述之上閘極奈米碳管電晶體製程結構的缺點， 故在本論文中所製作之奈米碳管電晶體製程結構的設計上，吾人將原有的 上閘極奈米碳管電晶體製程步驟進行前後置換的動作，其結構稱之為區域 性背閘極(Local bottom-gated)奈米碳管電晶體，而其中又可區分為長閘極式 (long-gated)區域性背閘極奈米碳管電晶體(如圖 2-1)，亦即下閘極和源極/汲 極產生重疊區域，及短閘極式(short-gated)區域性背閘極奈米碳管電晶體(如 圖2-2)，亦即下閘極和源極/汲極無重疊區域。 此製程可簡述為在晶圓投片一開始的絕緣層成長完成後，隨即先製作 下閘極電極以及下閘極介電層，使一開始晶圓表面先產生大約70 奈米之下 閘極/下閘極介電層的薄結構高低差，根據吾人實驗上的經驗來推論，可得 此薄結構高低差的效應為在使用光阻塗佈機旋塗上奈米碳管時，奈米碳管 受到晶圓在高速旋轉時的離心力作用而被迅速向晶圓邊緣甩開，此時晶圓 表面的薄結構高低差可先阻擋少部份的奈米碳管往晶圓邊緣移動，而使少 部份的奈米碳管停留於薄結構高低差的角落，直到晶圓表面的奈米碳管溶 液被旋乾時，停留於薄結構高低差角落的少部份奈米碳管有機會被小區域

性的移動到下閘極/下閘極介電層上方，進而提升奈米碳管跨接到源極/汲極 的或然率。對於厚結構高低差來說，其將在晶圓表面形成近似於高原結構， 使奈米碳管無法跨越於其上，而使少部份奈米碳管一直停留於厚結構高低 差的角落，而無法被小區域性的移動到下閘極/下閘極介電層上方，反而降 低奈米碳管跨接到源極/汲極的或然率。 另一方面，由於要避免第一章中1-6 節所述之電漿製程可能對於奈米碳 管所產生的影響，故所設計的區域性背閘極奈米碳管電晶體製程結構也可 讓奈米碳管在元件後續的製程中，若採用PECVD 來製作下閘極介電層時， 可避免奈米碳管直接近距離地暴露於電漿的環境中而有遭受結構上破壞的 可能。

2-2 區域性背閘極之製程方式

2-2.1 區域性背閘極之金屬尖端凸起對於製程及電性上的影響 當下閘極金屬電極的製程方式採用光阻掀離法(PR lift-off)製作時，由於 光阻經過曝光顯影後，光阻側壁不會是理想的垂直形狀，而是稍微略趨近 於梯形(PR Taper)的形狀，且下閘極金屬在濺鍍(Sputter)時也會在光阻側壁 沉積(如圖 2-3)，在使用丙酮(Acetone)震盪掀離光阻時，丙酮首先會攻擊金 屬薄膜結構較脆弱的光阻側壁，再侵入被金屬薄膜覆蓋的光阻，將其掀離， 留下金屬圖案。丙酮在溶解光阻時，會很迅速的金屬薄膜撕裂，致使留下 的金屬圖案線寬邊緣會有掀離時所殘留的金屬尖端凸起(如圖 2-4)。由 SEM 俯視圖更顯示其呈現向外綻開的形狀(如圖 2-5(a)、2-5(b))。此金屬尖端凸起 的高度和所沉積的金屬薄膜厚度、光阻厚度有關，當沉積的金屬薄膜、光 阻愈厚時，此金屬尖端凸起的高度愈高且愈為明顯。此金屬尖端凸起可能 會嚴重影響後續下閘極介電層沉積的均勻性，致使金屬尖端凸起上方的下 閘極介電層厚度較薄，且金屬尖端凸起易導致下閘極電場效應集中，使此

金屬尖端凸起上方的下閘極介電層在奈米碳管電晶體操作時，有下閘極漏 電偏大的問題，影響奈米碳管電晶體的偏壓操作範圍。 吾人實際採用光阻掀離法來製作下閘極之元件來驗證，其閘極、源極/ 汲極均採用 Pd 製作，下閘極介電層為 35nm 的 PECVD 氮化矽，其直流電 性 ID-VG(如圖 2-6)特性圖可觀察出其具有雙極性(Ambipolar)導通電流的特 徵 ， 故 可 推 論 此 半 導 體 性 奈 米 碳 管 與 Pd 之接觸屬蕭基接觸(Schottky contact)，而由 ID-VD(如圖 2-7)特性圖的低 VD區域不為線性，而較趨近於向 上彎曲的曲線也可以判斷其為蕭基接觸。當此元件的下閘極偏壓至4V 時， 下閘極漏電流已超過 10-9(A)，若要製作高電流開關比的奈米碳管電晶體， 此為相當不利的因素。 另一方面，此金屬尖端凸起也會影響到旋塗奈米碳管到晶圓表面時， 奈米碳管是否成功地落在下閘極上方，並且跨接到源極/汲極的或然率。根 據吾人實驗上之經驗，此金屬尖端凸起將會大為地降低此或然率，致使區 域性背閘極奈米碳管電晶體的良率大為降低。 2-2.2 區域性背閘極之製程優點 對於區域性背閘極奈米碳管電晶體來說，由於旋塗奈米碳管的步驟早 於製作源極/汲極之製程，故源極/汲極金屬採用光阻掀離法製程時，其產生 的金屬尖端凸起並不會影響奈米碳管跨接到源極/汲極的或然率，且此製程 步驟將使源極/汲極包覆住奈米碳管，使其之間有較大的接觸面積，產生較 好的接觸性質。反之，若將旋塗奈米碳管的製程步驟置於製作源極/汲極之 後，將使奈米碳管在旋塗時受到源極/汲極的金屬尖端凸起所影響，降低奈 米碳管跨接到源極/汲極的或然率，且由於其之間的接觸面積也比較小，將 會產生較大的接觸阻抗，不利於元件性能的提升。 對於上閘極奈米碳管電晶體之上閘極介電層而言，若採用原子層沉積 法(ALD)來製作上閘極介電層時，存在於晶圓表面之高曲率奈米碳管須經由

特殊的化學處理，才能使原子層沉積有較好的階梯覆蓋性；對於區域性背 閘極電晶體之下閘極介電層而言，由於原子層沉積法來製作下閘極介電層 之製程步驟早於奈米碳管溶液之旋塗，故無須對高曲率奈米碳管作特殊的 化學處理，所以其無階梯覆蓋性的問題存在。

區域性背閘極電晶體的另一製程優勢是下閘極介電層可以利用氧氣電 漿處理(Oxygen plasma treatment)下閘極來完成，這是上閘極奈米碳管電晶 體所無法做到的，例如使用鋁(Al)、鈦(Ti)當作下閘極時，在氧氣電漿處理 後，可以因此形成厚度較薄的氧化鋁(Al2O3)或氧化鈦(TiO2)，提升下閘極介 電層的介電常數，改善次臨界斜率[41]。 為了解決2-2.1 節所述之下閘極掀離製程造成的金屬尖端凸起的問題， 可將下閘極的製作方式由光阻掀離法改為蝕刻法，藉由金屬乾蝕刻，完成 金屬下閘極的製作，完全去除金屬尖端凸起的問題，而此法也是本論文最 終所採用的製程方法。

2-3 奈米碳管溶液之配製

2-3.1 奈米碳管黑色粉末的產品規格 本 論 文 採 用 的 市 售 奈 米 碳 管 為 Carbolex 公 司 所 生 產 的 AP-grade(as-prepared)單層壁奈米碳管，由於此產品未經過化學純化處理， 所以其奈米碳管品質較不會因受到化學純化處理過程而有所缺陷。根據廠 商規格，奈米碳管的成長方式為電弧放電法，純度介於 50%至 70%之間、 長度介於2 至 5 微米、群聚成奈米碳管束時直徑約為 20 奈米、單一根奈米 碳管的平均直徑約為1.4 奈米，粉末中所含的催化劑為鎳(Ni)、釔(Y)，其重 量百分比為 35%，而其所含的半導體性奈米碳管之百分比為 66.7%、金屬 性奈米碳管之百分比為33.3%，其 SEM 分析圖如圖 2-8 所示。

2-3.2 奈米碳管溶液的配製方法

採用光阻塗佈機來旋塗奈米碳管至晶圓表面的製程方式，乃是利用購

買市售的奈米碳管粉末，使用高精確度的秤重儀量取約0.1 毫克至 1 毫克，

並將其加入裝有 40 毫升二甲基甲醯胺(DMF)毒化物溶劑的化學藥品瓶中，

再將化學藥品瓶放置於超音波震盪器中進行約12 小時的連續震盪，將原本

因凡得瓦力(Van der Waals force)而聚集成束的奈米碳管，經由長時間震盪而 分離開來。 上述步驟的製程順序必須注意是將奈米碳管加入先行就裝有二甲基甲 醯胺的化學藥品瓶中，而不是將奈米碳管先行置入化學藥品瓶中，再倒入 二甲基甲醯胺來混合配製，其原因為由於二甲基甲醯胺溶劑本身具有溶解 力極強、低揮發性的化學性質，故原先就存在於化學藥品瓶中的二甲基甲 醯胺可以稍微區域性地分離後續加入的奈米碳管，縮短後續使用超音波震 盪器來分離奈米碳管的製程時間，也可降低因長時間連續震盪奈米碳管 時，其有可能對奈米碳管本身結構造成缺陷的風險性。反之，若上述的製 程順序相反，奈米碳管仍會群聚於化學藥品瓶底部，並不會有區域性分離 的現象產生，後續所需的震盪時間較長。 2-3.3 奈米碳管溶液的控制參數及其影響 對於採用旋塗法將奈米碳管置於晶圓表面的製程來說，奈米碳管溶液 的配製參數顯得相當重要，其直接影響奈米碳管跨接到源極/汲極的或然率 及在電晶體通道上的奈米碳管數目。其中的控制變因可分為奈米碳管溶液 的濃度、晶圓表面結構的高低起伏、光阻塗佈機第一階段所設定的轉速及 時間、光阻塗佈機第二階段所設定的轉速及時間、元件的通道寬度(Channel width)、塗佈次數、震盪時間，又以上述之前兩者最為重要。 根據實務經驗，奈米碳管的濃度若高至0.0125(毫克/毫升)到 0.025(毫克 /毫升)，縱使經過長時間震盪後，由於奈米碳管在溶液中的分佈已達過飽和

狀態，故溶液內部將存在過多的奈米碳管束且成糾結狀態，雖可有效提升 奈米碳管跨接到源極/汲極的或然率，但其也嚴重影響了通道上之奈米碳管 數量控制及電晶體的直流電性，故吾人將奈米碳管溶液的濃度由0.025(毫克 /毫升)降至 0.00625(毫克/毫升)作為實驗上所採用的奈米碳管溶液濃度。另 一方面，根據2-1 節中所述，對於區域性背閘極奈米碳管電晶體來說，其優 點為晶圓表面之下閘極/下閘極介電層的薄結構高低差可以有效地捕捉旋塗 時移動的奈米碳管，提高奈米碳管跨接到源極/汲極的或然率，此點可互補 先前因降低奈米碳管溶液濃度所損失的或然率，所以此兩者間存在互助的 關係。 光阻塗佈機所設定的第一階段製程，其目的為利用較低轉速將奈米碳 管溶液均勻散佈於晶圓表面上，故此步驟較不產生任何決定性的影響；光 阻塗佈機所設定的第二階段製程，其目的為利用較高轉速來迅速分散奈米 碳管於晶圓上，並且乾糙晶圓表面，此步驟對於平坦的晶圓表面其奈米碳 管跨接到源極/汲極的或然率將產生決定性的影響，不宜使用太高的轉速， 但對於具有薄結構高低差的晶圓表面，轉速、時間對於此或然率所佔之重 要性就大為降低了，所以將第二階段的轉速、時間設定為在較低轉速、較 長時間下，可使晶圓表面旋乾即可。綜合以上原則，本論文採用的旋塗奈 米碳管製程參數將詳述於2-5 節中。

2-4 元件之光罩佈局

2-4.1 射頻量測佈局 近年來，由於奈米碳管電晶體的直流(DC)特性經過大幅改善後，研究 人員開始將研究目標轉移到奈米碳管電晶體的射頻(RF, Radio Frequency)特 性上，以粹取出奈米碳管電晶體的操作頻率及等效電路模型，因此本研究 的目標除製作出高性能的奈米碳管電晶體外，第二階段也將進行奈米碳管

電晶體的射頻特性分析，故光罩佈局即考慮可供奈米碳管電晶體進行射頻 量測用，以免日後對於光罩資源上的浪費。

射頻量測大多採用雙埠散射量測法(2-port Scattering Parameter method) 為前提下，由於其量測系統的探針(Probe)均採用 GSG(Ground-Signal-Ground)

之 3 針設計，而針與針的間距為 150 微米(如圖 2-9)，所以將光罩佈局為左

右對稱的GSG Pad，且 GSG Pad 間之間距符合針之間距，其一 Signal Pad

為Bottom-gated Pad，另一 Signal Pad 為 Drain Pad，Ground 針所探的位置為

Source 所在，由於左右兩邊對稱的 GSG 針腳由儀器的低漏電流三軸纜線 (Triaxial cable)接出後連於射頻量測系統上時，左右兩邊之 Ground 針腳有可 能處於不同之電位上，造成射頻量測上的問題，故在光罩的設計上，將左

右兩邊的 Ground Pad 連在一起，確保左右兩邊之 Ground 針腳處於同一電

位，並且將其與射頻量測儀器的接地電位相連在一起。 2-4.2 針對奈米碳管的吸附作用佈局 根據1-7 節中所述，由於使用的奈米碳管溶液中之 DMF 化學有機物可 能與奈米碳管產生共價性鍵結、吸附或覆蓋於奈米碳管上，故利用其可能 易與金屬氧化物吸附的特性，搭配元件製程上所採用的 ALD Al2O3下閘極 介電層，將第三道Gate Dielectric 光罩的圖案佈局為長方形圖案並位於下閘 極上方(如圖 2-10)。 2-4.3 元件線寬的細部佈局 本論文所設計的源極至基板的接觸窗大小為 200 微米見方，下閘極長 度(Gate length)由 0.5 微米至 1.25 微米，下閘極介電層之長方形圖案長為 8

微米、寬為5 微米(即 Channel width)，源極與汲極之間距(即 Channel length)

由0.8 微米至 1.6 微米，如表 2-1 所示，分別搭配形成長閘極式區域性背閘