CN102074584A - 一种空气隙石墨烯晶体管及其制备方法 - Google Patents

一种空气隙石墨烯晶体管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于碳基集成电路制造技术领域，具体为一种空气隙石墨烯晶体管及其制备方法。先在硅衬底上生长栅电极、栅介质，并形成源、漏图形，再将石墨烯转移到已经形成的源、漏图形上，从而实现石墨烯与栅介质的隔离。利用空气隙将石墨烯和栅介质隔离开，可以免去石墨烯上的缓冲层生长工艺，最大程度地保留石墨烯中载流子的高迁移率，降低石墨烯表面特性的退化，从而进一步提高石墨烯器件的电学特性。

Description

一种空气隙石墨烯晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯晶体管及其制备方法，特别涉及一种新型的空气隙石墨烯晶体管及其制备方法，属于碳基集成电路制造技术领域。
背景技术
根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽，硅基集成电路在11纳米后无法突破其物理局限包括电流传输损耗，量子效应，热效应等，因此很难生产出性能稳定、集成度更高的产品。随着半导体技术的不断发展，硅基集成电路器件尺寸距离其物理极限越来越近。
为延长摩尔定律的寿命，国际半导体工业界纷纷提出超越硅技术，其中最有希望的石墨烯应运而生。石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，在二维平面上每个碳原子以sp2杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个σ 键，剩余的一个p电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围原子的p电子一起形成一个离域大π键，碳原子间相互围成正六边形的平面蜂窝形结构，这样在同一原子面上只有两种空间位置相异的原子。石墨烯具有零禁带特性，即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可以达到微米级, 同时，石墨烯还具有远比硅高的载流子迁移率,所以它是一种性能优异的半导体材料，并且由于其独特的二维结构，相较纳米碳管而言石墨烯更容易实现大面积平面器件，因而得到了科学界的广泛关注，被认为是下一代集成电路中有望延续摩尔定律的重要材料。作为新型的半导体材料，石墨烯已经被应用于MOS晶体管中。2010年2月，IBM公司在2寸硅片上开发出了频率高达100GHz、栅极长度为240纳米的石墨烯晶体管。
目前，石墨烯晶体管主要还面临两个问题：1)石墨烯的带隙宽度为零；2)由于石墨烯表面除边缘外基本上是化学惰性的，所以无法使用原子层淀积方法在石墨烯表面直接淀积栅介质。现在实验上为了使用原子层淀积方法在石墨烯表面淀积栅介质，需要在石墨烯表面预先生成一层缓冲层，利用缓冲层表面的反应位来引导原子层淀积的初始反应。但是与缓冲层有关的电离杂质散射或是与氧化物界面有关的声子散射都会严重降低石墨烯中的载流子迁移率，使得石墨烯晶体管的电学特性发生退化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种新型的石墨烯晶体管及其制造方法，以避免淀积栅介质前的缓冲层的预淀积，保证石墨中载流子的高迁移率，提高石墨烯晶体管的电学特性。
为达到本发明的上述目的，本发明提出了一种空气隙石墨烯晶体管，具体包括：
一个半导体衬底；
位于所述半导体衬底上的第一绝缘体层；
位于所述第一绝缘体层之上的栅电极；
位于所述栅电极之上的第二绝缘体层；
位于所述第二绝缘体层之上的源、漏电极；
位于所述源、漏电极之上的石墨烯层。
进一步地，所述的石墨烯层与所述第二绝缘体层、所述栅电极通过空气隙相隔离。所述的第一绝缘体层为二氧化硅或者为氮化硅，其厚度范围为200-400纳米。所述的第二绝缘体层材料为二氧化硅、氮化硅，或者为Ta2O5、Pr2O3、HfO2、Al2O3或ZrO2等高k栅介质材料，其厚度范围为3-20纳米。
同时，本发明还提出了上述空气隙石墨烯晶体管的制造方法，包括：
提供一个半导体衬底；
形成第一层绝缘薄膜；
形成第一层金属；
形成第二层绝缘薄膜；
形成第二层金属；
光刻形成源、漏电极图形；
提供一个硅衬底；
在所述硅衬底上形成一层镍薄膜；
在所述镍薄膜上形成石墨烯层；
刻蚀所述镍薄膜，并将形成的石墨烯层转移到形成有源、漏电极图形的半导体衬底上。
进一步地，所述的第一层绝缘薄膜材料为二氧化硅或者为氮化硅，其厚度范围为200-400纳米。所述的第一层金属为Pt、Al、Au、Pd等金属材料，其厚度范围为60-90纳米。所述的第二层绝缘薄膜材料为二氧化硅、氮化硅，或者为Ta2O5、Pr2O3、HfO2、Al2O3或ZrO2等高k栅介质材料，其厚度范围为3-20纳米。所述的第二层金属为Pt、Al、Ru、TiN或TaN等金属材料，其厚度范围为60-90纳米。
采用空气隙将石墨烯与栅介质和栅电极相隔离，石墨烯沟道可以被视为是“悬置”的，其与栅介质和栅电极之间没有直接的接触。避免了以往工艺中由于与缓冲层有关的电离杂质散射或是与氧化物界面有关的声子散射对于载流子迁移率的影响，最大程度地保留了石墨烯中载流子的高迁移率，降低了石墨烯表面特性的退化，从而可以提高石墨烯器件的电学特性。
由于空气相对介电常数非常小（大约为1），空气隙在晶体管工作时充当栅介质的一部分，由此栅介质的总介电常数很小，所以可以大大减小栅电容，使得高频石墨烯晶体管的截止频率得到进一步提高。
附图说明
图1为本发明提供的空气隙石墨烯晶体管的一个实施例的截面图。
图2至图8为本发明提供的背栅空气隙石墨烯晶体管的实施例的制备工艺流程图。
图9至图12为本发明提供的正栅空气隙石墨烯晶体管的实施例的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的示例性实施方式作详细说明。在图中，为了方便说明，放大了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。图中的表示是示意性的，但这不应该被认为是限制本发明的范围。同时在下面的描述中，所使用的术语衬底可以理解为包括正在工艺加工中的半导体衬底，可能包括在其上所制备的其它薄膜层。
图1为本发明提供的空气隙石墨烯晶体管的一个实施例，它是沿该器件沟道长度方向的截面图。如图1所示，本发明的第一个实施例为背栅空气隙石墨烯晶体管，包括硅衬底101、绝缘体层102、栅电极103、栅介质层104、源电极105、漏电极106和石墨烯层107，石墨烯层107通过空气隙110与栅介质层105、栅电极103相隔离。在本实施例中，绝缘体102采用二氧化硅，栅电极103采用金属铂（Pt），栅介质104采用Al2O3，源电极105、漏电极106采用金属钌（Ru）。
本发明所公开的背栅空气隙石墨烯晶体管可以通过很多方法制造，以下所述的是本发明所公开的如图1所示的背栅空气隙石墨烯晶体管的制造方法的一个实施例。
尽管这些图并不是完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。
首先，利用热氧化方法在清洗过的硅衬底201上生长一层300纳米厚的二氧化硅薄膜202，如图2所示。
接下来，利用物理气相沉积（PVD）方法在二氧化硅薄膜202上淀积淀积一层60-90纳米厚的Pt薄膜203，Pt薄膜203作为器件的背栅，如图3所示。然后继续利用PVD方法在Pt薄膜203上淀积一层10纳米厚的Al2O3薄膜204，如图4所示。 
接下来，在Al2O3薄膜204上淀积一层Ru金属，并掩膜、曝光、刻蚀Ru金属层形成器件的源电极205a和漏电极205b，没有电极的部分将作为空气隙部分401，如图5所示。
接下来，利用PVD方法在另一块硅衬底501上生长一层约400纳米厚的镍薄膜502，如图6所示，然后通入氩气在1000℃温度下进行退火。接着利用化学气相沉积（CVD）方法在镍薄膜502上生长石墨烯层206，如图7所示。生长石墨烯层的具体工艺过程可以为：先通入甲烷以及氩气的混合气体（其中甲烷/氩气的气体流量比值控制在1:2-1:5，总气体流量大小约为280-480sccm），然后加热到1000℃后迅速降至室温，即可在镍薄膜上形成石墨烯层。
最后，利用湿法刻蚀的方法刻蚀硅衬底501上的镍薄膜502，然后将石墨烯层206转移到形成有源电极205a和漏电极205b的硅衬底201上，如图8所示。这样背栅空气隙石墨烯晶体管便形成了。
本发明所提出的空气隙石墨烯晶体管同样适用于正栅空气隙石墨烯晶体管，以下所描述的是以如图8所示的背栅空气隙石墨烯晶体管为基础来制备正栅空气隙石墨烯晶体管的的工艺流程。
首先，在石墨烯层206上进行光刻，然后利用PVD法淀积约一层10纳米厚的氮化硅301，如图9所示。接着再进行一步光刻，用光刻胶302将氮化硅层301保护起来，然后采用原子层淀积（ALD）的方法淀积一层约10纳米厚的Al2O3薄膜303，如图10所示。
接下来，剥除光刻胶302，然后使用电子束蒸发法淀积一层60纳米的金属钯（Pd） 304，作为器件的正栅，如图11所示
最后，采用湿法刻蚀的方法刻蚀掉Al2O3薄膜303，形成空气隙402，如图12所示，这样正栅空气隙石墨烯晶体管便形成了。
如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。

Claims (8)

1.一种空气隙石墨烯晶体管，其特征在于包括：
一个半导体衬底；
位于所述半导体衬底上的第一绝缘体层；
位于所述第一绝缘体层之上的栅电极；
位于所述栅电极之上的第二绝缘体层；
位于所述第二绝缘体层之上的源、漏电极；
位于所述源、漏电极之上的石墨烯层；
所述的石墨烯层与所述第二绝缘体层、所述栅电极通过空气隙相隔离。
2.根据权利要求1所述的空气隙石墨烯晶体管，其特征在于，所述的第一绝缘体层材料为二氧化硅或者为氮化硅，其厚度为200-400纳米。
3.根据权利要求1或2所述的空气隙石墨烯晶体管，其特征在于，所述的第二绝缘体层材料为二氧化硅或氮化硅，或者为Ta2O5、Pr2O3、HfO2、Al2O3或ZrO2，其厚度为3-20纳米。
4.一种空气隙石墨烯晶体管的制造方法，其特征在于具体步骤为：
提供一个半导体衬底；
形成第一层绝缘薄膜；
形成第一层金属；
形成第二层绝缘薄膜；
形成第二层金属；
光刻形成源、漏电极图形；
提供一个硅衬底；
在所述硅衬底上形成一层镍薄膜；
在所述镍薄膜上形成石墨烯层；
刻蚀所述镍薄膜，并将形成的石墨烯层转移到形成有源、漏电极图形的半导体衬底上。
5.根据权利要求4所述的空气隙石墨烯晶体管的制造方法，其特征在于，所述的第一层绝缘薄膜的材料为二氧化硅或者为氮化硅，其厚度范围为200-400纳米。
6.根据权利要求4或5所述的空气隙石墨烯晶体管的制造方法，其特征在于，所述的第一层金属为Pt、Al、Au或Pd，其厚度为60-90纳米。
7.根据权利要求4或5所述的空气隙石墨烯晶体管的制造方法，其特征在于，所述的第二层绝缘薄膜材料为二氧化硅或氮化硅，或者为Ta2O5、Pr2O3、HfO2、Al2O3或ZrO2，其厚度为3-20纳米。
8.根据权利要求4或5所述的空气隙石墨烯晶体管的制造方法，其特征在于，所述的第二层金属为Pt、Al、Ru、TiN或TaN，其厚度为60-90纳米。
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