前言

几十年来，通过硅场效应晶体管(FETs)的等效缩放提供能效增益和降低每个FETs 的成本，着推动了计算的进步。由于商业半导体制造的不断进步，这成为可能，例如在越来越大的衬底上形成越来越小的特征的能力。不幸的是，硅基场效应晶体管的持续发展不再促进其能效的提高。这刺激了新兴纳米技术领域的工作，以补充现有的硅互补金属氧化物半导体(CMOS)技术。碳纳米管是实现硅基场效应晶体管的主要候选材料。为了制造碳纳米管场效应晶体管，使用多个碳纳米管作为具有传统光刻限定的源极、漏极和栅极区域的器件的沟道。由于碳纳米管的超薄体及其高载流子迁移率，由碳纳米管场效应晶体管制成的数字超大规模集成电路(VLSI)预计与硅基场效应晶体管相比，在能量延迟积方面实现了一个数量级的改进。场效应管也是一种快速成熟的技术，完整的场效应管互补金属氧化物半导体数字系统以及高度规模化和高性能的场效应管已在10–18年得到验证。最近的工作产生了以硅-互补金属氧化物半导体兼容的方式制造互补碳纳米管场效应晶体管的工艺步骤，但更基本的挑战仍然存在:如何在工业标准衬底尺寸(200毫米直径的晶片及以上)上均匀沉积碳纳米管。对于向工业的技术转移，这种碳纳米管沉积技术必须满足三个关键要求:可制造性、兼容性和性能。

研究内容

麻省理工大学的科学家的最新研究表明，可以通过使用基于溶液的碳纳米管沉积技术来满足这些要求，其中衬底浸没在碳纳米管溶液中，允许碳纳米管粘附到其表面。首先，它具有低的集成势垒。第二，基于溶液的碳纳米管可以大量合成用于大规模生产。这种技术的关键问题仍然是可制造性、兼容性和可实现的最终CN场效应晶体管性能。为了应对这些挑战，科学家通过培养对碳纳米管沉积进行了深入的表征，并利用这些结果阐明了碳纳米管沉积的关键机制。开发并通过实验证明了改进的沉积技术，与传统的孵育方法相比，既提高了产量(，又降低了成本。

实验方法

用局部嵌入的底部金属栅极对衬底进行预构图，然后进行高k栅极电介质沉积。然后将晶片浸入装有由悬浮在甲苯中的纯化半导体碳纳米管(≥99.99%)组成的溶液的槽中。将晶片浸没在该碳纳米管悬浮液中一段时间(称该时间为“培养时间”)，之后将其取出，用溶剂喷雾漂洗，并用氮气干燥。为了表征碳纳米管的沉积，通过氦离子显微镜对基底成像，提取了最终的线性碳纳米管密度(每线性微米的碳纳米管数量)。

碳纳米管沉积孵育方法的表征

通过培养改善碳纳米管沉积的方法

商用硅制造厂内生产的CNFET的集成芯片。

结论

该研究报道了在商用硅制造设备中制造的碳纳米管场效应晶体管，证明了多个200毫米晶圆的晶圆级均匀性和再现性。通过了解碳纳米管孵化的驱动机制，开发了改进的工艺，显著提高了产量和碳纳米管密度。此外，研究已经表明，通过孵育的碳纳米管沉积可以满足实现可制造的、硅-互补金属氧化物半导体兼容的和高性能的未来碳纳米管场效应晶体管技术的要求。

Bishop, M.D., Hills, G., Srimani, T. et al. Fabrication of carbon nanotube field-effect transistors in commercial silicon manufacturing facilities. Nat Electron 3, 492–501 (2020). https://doi.org/10.1038/s41928-020-0419-7。