CN102593169B - 一种碳基场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳基场效应晶体管及其制备方法，属于纳电子学技术领域。所述碳基场效应晶体管包括半导体衬底、绝缘层、导电通道、源电极、漏电极、栅介质层和栅电极，绝缘层设置于半导体衬底上，导电通道设置于绝缘层上，导电通道由碳基材料构成，源电极和漏电极分别设置于导电通道的两端，栅介质层覆盖在源电极、漏电极以及源电极和漏电极之间的导电通道上，栅电极位于栅介质层之上，栅介质层包括苯并环丁烯有机介质层。本发明解决了原子层沉积法无法在碳基材料形成的导电通道上直接生长高介电常数栅介质薄膜的问题，苯并环丁烯既提供了原子层沉积的成核中心，同时不会引起碳基材料载流子迁移率的显著下降，不会引起器件性能的下降。
Description
技术领域
本发明涉及一种场效应晶体管及其制备方法，特别涉及一种碳基场效应晶体管及其制备方法，属于纳电子学技术领域。
背景技术
以碳材料为基的纳米电子学，尤其是碳纳米管(Carbon Nanotube)和石墨烯(Graphene)为基的纳米电子学，被认为具有极大的应用前景，极富潜力可替代硅基材料。自从1991年碳纳米管和2004年石墨烯被成功研制以来，碳基电子学取得了巨大发展。基于碳基的电子学具有尺寸小、速度快、功耗低、工艺简单等特点，受到人们越来越广泛的关注。
场效应晶体管的性能受到两个最重要因素的影响，一是材料性质，它决定了器件性能的潜力；另一个就是栅介质材料，由于它与沟道直接接触，所以栅介质的性能会直接影响整个器件的性能，高性能的场效应晶体管要求栅介质材料具有绝缘性能好、介电常数高、抗击穿能力强等特点。而碳基场效应晶体管自身的一个重要特点是，由于导电碳材料只有一个或几个原子层厚度，其材料对与其接触的介质层非常敏感，栅介质层通常会影响碳材料的表面态，在碳材料中引入新的散射机制，会造成碳材料载流子迁移率的显著下降，造成器件性能退化。
在碳基材料的电子器件中，高性能栅介质的制备一直是制约器件性能的关键问题。对于普遍使用的高介电常数栅介质的生长方法—原子层沉积(ALD)，由于碳纳米管和石墨烯表面不能提供悬挂键为其生长提供成核中心，所以无法直接在碳基材料上生成均匀的薄层栅介质。为了能够通过原子层沉积形成栅介质层，通常在原子层沉积之前对材料表面进行功能化处理，如脱氧核糖核酸(DNA)分子功能化、二氧化氮(NO2)分子功能化、臭氧(O3)功能化等；或者在碳材料表面蒸发或溅射沉积活性金属后通过高温氧化形成氧化金属，为原子层沉积提供成核中心。但不管是哪种处理方法，都会给碳材料引入额外的散射机制，降低载流子迁移率，使器件性能退化。
发明内容
本发明实施例针对现有的高性能栅介质的制备会给碳材料引入额外的散射机制，降低载流子迁移率，使器件性能退化的不足，提供一种碳基场效应晶体管及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种碳基场效应晶体管的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：在半导体衬底上依次形成绝缘层、由石墨烯构成的导电通道、源电极和漏电极；
步骤二：将形成有绝缘层、导电通道、源电极和漏电极的半导体衬底放入充满氮气的烘箱内，烘箱的温度保持在110℃～130℃，同时使六甲基二硅胺烷均匀地涂覆在源电极、漏电极以及源电极和漏电极之间的导电通道上；
步骤三：配置苯并环丁烯稀释溶液，将BCB与1,3,5-三甲苯溶液以体积比1:27进行稀释，充分摇匀稀释后，利用溶剂将苯并环丁烯稀释后，通过匀胶机旋涂在均匀涂覆有六甲基二硅胺烷的源电极、漏电极以及源电极和漏电极之间的导电通道上；所述匀胶机转速6000转/分钟，时间1分钟；
步骤四：在N2或者惰性气体的保护下，将旋涂后的器件加热至200℃～300℃，使苯并环丁烯单体发生交联反应生成苯并环丁烯聚合体，从而形成栅介质层，所述栅介质层为苯并环丁烯有机介质层，再在所述栅介质层上形成栅电极即可。
进一步，所述步骤三中将苯并环丁烯稀释的溶剂为癸烷。
进一步，所述步骤四中采用烘箱、热板或者管式炉进行加热。
进一步，所述步骤四中加热温度大于或者等于200℃且小于270℃时，在该加热温度处恒温保持15分钟～90分钟后，再自然冷却至常温；当加热温度大于或者等于270℃且小于300℃时，于5秒～1分钟的时间内进行快速热退火。
进一步，所述步骤四中在形成苯并环丁烯有机介质层后，还包括利用原子层沉积法在苯并环丁烯有机介质层上再沉积一层金属氧化物介质层的步骤，从而形成栅介质层，所述栅介质层包括苯并环丁烯有机介质层和金属氧化物介质层。
本发明有益效果是：本发明碳基场效应晶体管解决了原子层沉积法无法在碳基材料形成的导电通道上直接生长高介电常数栅介质薄膜的问题，苯并环丁烯既提供了原子层沉积的成核中心，同时不会引起碳基材料载流子迁移率的显著下降，不会引起器件性能的下降；本发明碳基场效应晶体管的制备工艺简单，成本低廉，可靠性及重复性好，为碳基高性能器件的实现提供了一个良好的解决方案，满足碳基规模化集成电路的需求。
附图说明
图1为本发明碳基场效应晶体管第一实施例的结构示意图；
图2为本发明碳基场效应晶体管第二实施例的结构示意图；
图3为本发明实施例1碳基场效应晶体管的顶栅Ids-Vgs转移特性曲线；
图4为本发明实施例1碳基场效应晶体管的背栅Ids-Vgs转移特性曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明碳基场效应晶体管第一实施例的结构示意图。如图1所示，碳基场效应晶体管包括半导体衬底10、绝缘层11、导电通道12、源电极13、漏电极14、栅介质层和栅电极17，绝缘层11设置于半导体衬底10上，导电通道12设置于绝缘层11上，导电通道12由碳基材料构成，源电极13和漏电极14分别设置于导电通道12的两端，栅介质层覆盖在源电极13、漏电极14以及源电极13和漏电极14之间的导电通道12上，栅电极17位于栅介质层15之上，栅介质层包括苯并环丁烯有机介质层15。
图2为本发明碳基场效应晶体管第二实施例的结构示意图。如图2所示，与图1不同之处在于，栅介质层包括苯并环丁烯有机介质层15和金属氧化物介质层16，金属氧化物介质层16位于苯并环丁烯有机介质层15上。
苯并环丁烯有机介质层由苯并环丁烯单体通过加热形成的交联的苯并环丁烯聚合体构成，或者由苯并环丁烯单体在光刻后再通过加热形成的交联的苯并环丁烯聚合体构成。
苯并环丁烯单体通过加热形成的交联的苯并环丁烯聚合体的反应方程式如下：
下面以六个实施例对本发明碳基场效应晶体管的制备方法做进一步详细的描述。
实施例1：以金属钛/金作为源漏电极，苯并环丁烯有机介质层和原子层沉积氧化铪作为栅复合介质层，金属镍/金作为栅电极的石墨烯场效应晶体管。
具体制备步骤如下：
(1)在100nm二氧化硅/体硅衬底片上的石墨烯材料上，通过电子束光刻形成源漏电极形状后，电子束蒸发一层10nm/50nm厚的钛/金(Ti/Au＝10/50nm)金属作为源漏电极，然后将样品放入丙酮中剥离，去掉不需要的金属层，得到源漏金属电极；
(2)将形成有绝缘层、导电通道、源电极和漏电极的半导体衬底放入充满氮气的烘箱内，烘箱的温度保持在120℃，同时使六甲基二硅胺烷均匀地涂覆在源电极、漏电极以及源电极和漏电极之间的导电通道上；
(3)配置BCB(苯并环丁烯)稀释溶液，将BCB(Cyclotene3022-46，购自美国Dow化学公司)与1,3,5-三甲苯溶液以体积比1:27进行稀释，充分摇匀稀释后，通过匀胶机旋涂在样品表面，匀胶机转速6000转/分钟，时间1分钟；
(4)将样品放入烘箱中，箱体中通N2进行保护，将烘箱升温到230℃，保持一小时后，将温度降为常温，取出样品，测量苯并环丁烯有机层厚度为10nm；
(5)将样品放入原子层沉积设备腔体中，生长10nm厚氧化铪介质层；
(6)通过电子束光刻，形成栅电极图形，通过电子束蒸发蒸镀一层10nm/50nm厚镍/金(Ni/Au＝10/50nm)金属层作为栅电极，然后将样品放入丙酮中剥离，去除不需要的金属层，得到栅电极。
图3为本发明实施例1碳基场效应晶体管的顶栅Ids-Vgs转移特性曲线。如图3所示，实施例1制备的碳基场效应晶体管Vd自下向上即沿Ids轴的正方向上分别为0.1V、0.3V、0.5V、0.7V和0.9V，可见在不同的漏电压下，器件转移特性关于狄拉克点对称性良好，且晶体管顶栅栅控特性良好。图4为本发明实施例1碳基场效应晶体管的背栅Ids-Vgs转移特性曲线。如图4所示，实施例1制备的碳基场效应晶体管电流输运特性无显著下降。
实施例2：以金属钛/金作为源漏电极，苯并环丁烯有机介质层和原子层沉积氧化铪作为栅复合介质层，金属镍/金作为栅电极的石墨烯场效应晶体管。
具体步骤与实施例1类似，但步骤2中烘箱的温度保持在110℃，步骤4采用快速热退火(RTA)方式对BCB进行处理，BCB经290摄氏度，15s快速热退火形成有机介质层厚度为5nm。
实施例3：以金属钛/金作为源漏电极，苯并环丁烯有机介质层和原子层沉积氧化铪作为栅复合介质层，金属镍/金作为栅电极的石墨烯场效应晶体管。
具体步骤与实施例1类似，但步骤3中BCB(Cyclotene3022-46，购自美国Dow化学公司)与癸烷以体积比1：27进行稀释。步骤4后，测量BCB有机层厚度为50nm，氧化铪层为30nm。
实施例4：以金属钛/金作为源漏电极，苯并环丁烯有机介质层和原子层沉积氧化铝作为栅复合介质层，金属镍/金作为栅电极的石墨烯场效应晶体管。
具体步骤与实施例1类似，但步骤2中烘箱的温度保持在130℃，步骤5改为通过原子层沉积生长10nm厚氧化铝介质层。
实施例5：以金属钛/金作为源漏电极，苯并环丁烯有机介质层作为栅介质层，金属镍/金作为栅电极的石墨烯场效应晶体管。
具体步骤与实施例1类似，但步骤3中BCB(Cyclotene3022-46，购自美国Dow化学公司)与1，3，5-三甲苯以体积比1：6进行稀释，并去掉步骤5，只使用BCB有机介质层作为栅介质，苯并环丁烯介质层厚度为40nm。
实施例6：以金属钛/金作为源漏电极，苯并环丁烯有机介质层和原子层沉积氧化锆作为栅复合介质层，金属镍/金作为栅电极的碳纳米管场效应晶体管，氧化锆层为3nm。
具体步骤与实施例1类似，但材料为绝缘基底上的碳纳米管。
同样的，经过测试，上述五个实施例制备的碳基场效应晶体管由于使用苯并环丁烯有机介质层作为栅介质层，在不同的漏电压下，器件转移特性关于狄拉克点对称性良好，且晶体管顶栅栅控特性良好，而且制得的器件的电流运输特性无显著下降。
本发明由国家科技重大专项资助，项目编号：2011ZX02707。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种碳基场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：在半导体衬底上依次形成绝缘层、由石墨烯构成的导电通道、源电极和漏电极；
步骤二：将形成有绝缘层、导电通道、源电极和漏电极的半导体衬底放入充满氮气的烘箱内，烘箱的温度保持在110℃～130℃，同时使六甲基二硅胺烷均匀地涂覆在源电极、漏电极以及源电极和漏电极之间的导电通道上；
步骤三：配置苯并环丁烯稀释溶液，将苯并环丁烯BCB与1,3,5-三甲苯溶液以体积比1:27进行稀释，充分摇匀稀释后，通过匀胶机旋涂在均匀涂覆有六甲基二硅胺烷的源电极、漏电极以及源电极和漏电极之间的导电通道上；所述匀胶机转速6000转/分钟，时间1分钟；
步骤四：在N2或者惰性气体的保护下，将旋涂后的器件加热至200℃～300℃，使苯并环丁烯单体发生交联反应生成苯并环丁烯聚合体，从而形成栅介质层，所述栅介质层为苯并环丁烯有机介质层，再在所述栅介质层上形成栅电极即可。
2.根据权利要求1所述的碳基场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤三中将苯并环丁烯稀释的溶剂替换为癸烷。
3.根据权利要求1所述的碳基场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤四中采用烘箱、热板或者管式炉进行加热。
4.根据权利要求1所述的碳基场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤四中加热温度大于或者等于200℃且小于270℃时，在该加热温度处恒温保持15分钟～90分钟后，再自然冷却至常温；当加热温度大于或者等于270℃且小于300℃时，于5秒～1分钟的时间内进行快速热退火。
5.根据权利要求1至4任一所述的碳基场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤四中在形成苯并环丁烯有机介质层后，还包括利用原子层沉积法在苯并环丁烯有机介质层上再沉积一层金属氧化物介质层的步骤，从而形成栅介质层，所述栅介质层包括苯并环丁烯有机介质层和金属氧化物介质层。
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