CN103187283B

CN103187283B - 石墨烯场效应晶体管及其制作方法

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Publication number: CN103187283B
Application number: CN201110454051.8A
Authority: CN
Inventors: 张海洋; 张城龙
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2031-12-29
Also published as: CN103187283A

Abstract

一种石墨烯场效应晶体管的制作方法，包括：提供衬底，在所述衬底上形成氧化硅层；在所述氧化硅层上形成石墨烯沟道层；在所述石墨烯沟道层的两端形成源端和漏端；去除部分氧化硅层；在所述石墨烯沟道层上形成栅结构。本发明采用缓冲湿法腐蚀处理，去除了与石墨烯沟道层接触的氧化硅层，形成了悬空石墨烯沟道层，减小了SiO₂薄膜对石墨烯带来的污染，从而可以提高源端和漏端之间石墨烯沟道层载流子迁移率，改善导电性能。本发明实施例还提供一种石墨烯场效应晶体管。

Description

石墨烯场效应晶体管及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及石墨烯场效应晶体管的制作方法。

背景技术

随着集成电路领域器件尺寸的不断减小，硅材料逐渐接近其加工的极限。半导体业界纷纷提出超越硅技术(BeyondSilicon)，其中具有较大开发潜力的石墨烯应运而生。

石墨烯(Graphene)是一种单层蜂窝晶体点阵上的碳原子组成的二维晶体，单层石墨烯的厚度约为0.35纳米。实验证明，石墨烯不仅具有非常出色的力学性能和热稳定性，还具有超导电学性质。石墨烯的理论载流子迁移率可以高达2×10⁵cm²/Vs，是目前硅材料载流子迁移率的10倍左右，并具有常温量子霍尔效应等物理性质，因此，石墨烯自2004年被发现以来已经受到广泛关注，其优越的电学性能使发展石墨烯基的晶体管和集成电路成为可能，并有可能取代硅成为新一代的主流半导体材料。

作为新型的半导体材料，石墨烯已经被应用于场效应晶体管中。石墨烯场效应晶体管(GrapheneField-Effect-Transistor，GFET)是利用石墨烯的半导体特性来制成的晶体管，其中，石墨烯用于形成GFET的沟道，如公布号CN102184858A的中国专利申请揭示了一种石墨烯基场效应晶体管，如图1所示，图1是现有技术的石墨烯场效应晶体管的剖面结构示意图。该石墨烯场效应晶体管包括：沟道层16、源端(S)13、漏端(D)14、栅介质层12以及栅电极层15。所述沟道层16形成在复合层结构(SiO₂/Si)上，例如在Si衬底10上生长SiO₂薄膜11，沟道层16为石墨烯。源端13和漏端14分别形成在石墨烯沟道层16的两端，其与沟道层16形成电性连接。

虽然石墨烯的理论载流子迁移率很高，然而，实验发现，在石墨烯场效应晶体管的基本构造——SiO₂/Si衬底上，却无法实现如此高的载流子迁移率，多数实验结果显示，载流子迁移率仅为1×10⁴cm²/Vs左右。

有鉴于此，需要一种新的石墨烯场效应晶体管及其制作方法，提高载流子迁移率。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种石墨烯场效应晶体管及其制作方法，可以提高石墨烯场效应晶体管的载流子迁移率。

为此，本发明实施例首先提供一种石墨烯场效应晶体管的制作方法，包括：

提供衬底，所述衬底上形成有氧化硅层；

在所述氧化硅层上形成石墨烯沟道层；

在所述石墨烯沟道层的两端上形成源端和漏端；

去除源端和漏端之间的部分的氧化硅层，形成具有间隔的氧化硅层；

在源端和漏端之间的所述石墨烯沟道层上形成栅结构。

可选的，采用湿法腐蚀去除所述氧化硅层。

可选的，所述湿法腐蚀采用氢氟酸、氟化铵组成的缓冲腐蚀液。

可选的，所述去除氧化硅层的范围介于源端和漏端之间。

可选的，所述衬底包括下栅结构，所述下栅结构包括高掺杂硅。

可选的，所述在氧化硅层上形成石墨烯沟道层的步骤包括：

在氧化硅层上沉积金属氮化物；

对金属氮化物进行还原，形成金属层；

在金属层上形成石墨烯薄膜；

去除金属层。

可选的，所述金属层包括铜。

可选的，采用化学气相沉积法形成石墨烯薄膜。

可选的，所述栅结构包括栅介质层与栅电极层，所述栅电极层、源端和漏端包括镍。

可选的，所述栅介质层与石墨烯沟道层之间还形成有成核层，所述成核层是金属氧化物薄膜。

可选的，采用ALD工艺形成所述成核层，所述ALD工艺包括采用水作为氧化剂与金属源反应生成金属氧化物薄膜。

可选的，所述金属源采用的是铝源。

可选的，所述铝源是三甲基铝。

本发明另一实施例提供一种使用上述方法制作的石墨烯场效应晶体管，包括：

衬底，所述衬底上形成有具有间隔的氧化硅层；

石墨烯沟道层，横跨具有间隔的相邻氧化硅层上；

源端和漏端，分别位于所述石墨烯沟道层的两端上；

栅结构，位于源端和漏端之间的所述石墨烯沟道层上。

可选的，所述栅介质层采用高k介质层材料。

可选的，所述栅介质层为Al₂O₃。

可选的，所述栅介质层与石墨烯沟道层之间还包括成核层，所述成核层是金属氧化物薄膜。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：通过去除与石墨烯沟道层相接触的氧化硅层，在衬底与石墨烯沟道层之间形成空腔，减小了OH基团对石墨烯的影响，减轻了SiO₂薄膜对石墨烯带来的“污染”，从而可以提高源端和漏端之间石墨烯沟道层载流子迁移率，改善导电性能。

附图说明

图1是现有技术的石墨烯场效应晶体管剖面结构示意图；

图2是本发明一实施例的石墨烯场效应晶体管制作方法的流程示意图；

图3～图7是本发明一实施例的石墨烯场效应晶体管制作方法的中间结构的剖面结构示意图；

图8是本发明一实施例形成石墨烯沟道层的流程示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

发明人发现石墨烯基场效应晶体管载流子迁移率低的主要原因在于：在制作石墨烯沟道层的过程中SiO₂会经受OH基团工艺处理(所谓OH基团处理就是用氧等离子体或者高温热处理脱去SiO₂表面的亲水基团)，OH基团和石墨烯以较短的距离相接触，因此OH基团会在石墨烯上诱导出正电荷，从而“污染”石墨烯沟道层，导致沟道层内载流子迁移率劣化。并且，对于厚度以纳米级计的超薄石墨烯沟道层，相邻SiO₂薄膜的污染对于石墨烯沟道层载流子迁移率的劣化影响尤其明显。

为此，本发明提供一种石墨烯场效应晶体管的制作方法。参考图2，图2是本发明一实施例的石墨烯场效应晶体管制作方法的流程示意图，该方法包括：

步骤S1：提供衬底，所述衬底上形成有氧化硅层；

步骤S2：在所述氧化硅层上形成石墨烯沟道层；

步骤S3：在所述石墨烯沟道层的两端上形成源端和漏端；

步骤S4：去除源端和漏端之间的部分的氧化硅层，形成具有间隔的氧化硅层；

步骤S5：在源端和漏端之间的所述石墨烯沟道层上形成栅结构。

下面结合图2与图3～图7对本发明的石墨烯场效应晶体管的制作方法做详细说明。

参考图3和步骤S1，提供衬底10，所述衬底10上形成有氧化硅层11。

作为本发明的一实施例，衬底10可以是体硅或绝缘体上硅(SOI)，可选的，所述衬底10的半导体材料还可以是应变硅、SiGe、SiC、Ge等。在衬底10上生长SiO₂薄膜，构成氧化硅层11。以下为了便于说明，所述形成的氧化硅层11为第一氧化硅层。

作为本发明的另一实施例，衬底10也可以是形成有半导体器件的体硅或绝缘体上硅(SOI)，例如，衬底10可以是形成有下栅结构的体硅或绝缘体上硅(SOI)。其中，下栅结构例如是高掺杂硅结构。

作为本发明的优选实施方式，提供一种双栅石墨烯场效应晶体管(dualgateGFET)的制作方法，双栅石墨烯场效应晶体管的石墨烯沟道层位于上栅结构与下栅结构之间，在高掺杂硅衬底10上生长SiO₂薄膜，沟道层形成在SiO₂薄膜上。以下将以双栅石墨烯场效应晶体管为例详细说明石墨烯场效应晶体管的制作方法。

参考图4和步骤S2，在所述第一氧化硅层11上形成石墨烯沟道层16。

石墨烯沟道层16形成在第一氧化硅层11上，该石墨烯沟道层16可以是单层或多层结构的石墨烯，优选地，石墨烯沟道层16为包含1～10层结构的石墨烯。

石墨烯沟道层16的生长方法可以采用机械剥离法、石墨烯氧化物化学还原法、外延生长法，以及化学气相沉积法(CVD)。具体地，CVD可以为低压化学气相沉积(LPCVD)，或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等方法。

其中机械剥离法和外延生长法主要被用于实验室制备石墨烯样品，产量很低。石墨烯氧化物化学还原法可以制备大量的石墨烯，在一定程度上满足工业应用的要求，然而由于氧化剂的引入，破坏了石墨烯的共轭结构，使石墨烯的电学性能大大降低。目前化学气相沉积法(CVD)由于其低成本、可规模化生产等特点，成为制备高质量大面积石墨烯的主要方法。

然而，采用CVD方法通常是在铜、铁、钴、镍等金属薄膜上生长石墨烯，由于金属的存在，石墨烯不能直接被用于石墨烯半导体器件，目前通常是借助于聚合物，例如聚甲基丙烯酸酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等作为转移媒介，实现石墨烯从金属薄膜向SiO₂衬底或带有SiO₂薄膜的Si衬底(SiO₂/Si)上的转移。然而，繁琐的转移石墨烯的过程，易于造成杂质的引入，从而降低载流子迁移率。

参考图8，图8是本发明一实施例形成石墨烯沟道层的流程示意图。作为本发明的一实施例，采用牺牲金属铜薄膜，直接在第一氧化硅层上形成石墨烯沟道层。作为本发明的其他实施例，也可以采用其他金属，例如铁、钴、镍等。该方法包括下述步骤：

步骤S21，在SiO₂薄膜上形成金属铜的氮化物(Cu₃N)。

在本发明实施例中，通过物理气相沉积(PVD)方法形成金属铜的氮化物。其中，物理气相沉积是在真空下进行的溅射工艺，在真空工艺室中，金属粒子在氮气气氛下从溅射靶脱离，并且被沉积到放置在工艺室中的衬底表面的SiO₂薄膜上。在本发明其他实施例中，也可以通过化学气相沉积以及原子层沉积(ALD)方法形成金属铜的氮化物。

步骤S22，对金属铜的氮化物进行还原处理。

本发明实施例中，通入氢气，并且在150℃～400℃的高温环境下对金属铜的氮化物进行还原处理，形成含铜的金属层。作为本发明其他实施例，进行还原处理的气体可以采用包括约5～10％的氢气以及约90～95％的氮气组成的混合气体。

经过前述形成金属铜的氮化物以及还原处理，在第一氧化硅层上形成了金属铜薄膜。

步骤S23，在金属铜上形成石墨烯薄膜。

作为本发明的一实施例，采用化学气相沉积方法形成石墨烯薄膜。通入流量范围大约为200sccm至800sccm的氩气和氢气混合气体，反应腔压力大约为8～9Torr，反应温度大约为950℃；然后，停止通入氩气和氢气混合气体，在反应腔压力大约为300～500mTorr的环境下，通入甲烷与氩气(或其他惰性气体)，其中，甲烷与氩气的流量范围大约是1∶2～1∶5，甲烷与氩气的总气体流量取决于所需形成的石墨烯薄膜的厚度，加热到一定温度后(例如1000℃)，然后以50摄氏度每分钟的速度降至室温，从而在金属铜薄膜上形成石墨烯薄膜。

需要说明的是，石墨烯薄膜的生长不局限于上述实施例。

步骤S24，去除金属铜。

作为本发明一实施例，可以采用缩锡(dewetting)工艺，具体而言，就是先行将金属铜分解成小颗粒状，进而蒸发去除。因此，经过该步骤之后，形成在金属铜表面的石墨烯薄膜被转移至第一氧化硅层。

本发明实施例提供的形成石墨烯的方法，避免了繁琐的石墨烯转移过程，减少了杂质的产生，从而不会影响石墨烯载流子迁移率。

参考图5和步骤S3，在所述石墨烯沟道层的两端上形成源端和漏端。

在石墨烯沟道层16的两端上形成源端13和漏端14，所述源端13和漏端14的材料包括镍(Ni)或其他金属材料。需要说明的是，所述形成源端、漏端的制备方法可以为现有技术的任何一种，在此不予赘述。

参考图6和步骤S4，去除源端和漏端之间的部分的第一氧化硅层11，形成具有间隔的第二氧化硅层20。

如前所述，由于SiO₂经受OH基团工艺处理之后，OH基团会在石墨烯上诱导出正电荷，从而“污染”石墨烯沟道层，并且，对于厚度以纳米级计的超薄石墨烯沟道层，相邻SiO₂薄膜的污染对于石墨烯沟道层载流子迁移率的劣化影响尤其明显。本发明发明人经研究发现，可以通过去除与石墨烯薄膜相接触的氧化硅层来解决上述技术问题。

去除部分第一氧化硅层11可以通过湿法腐蚀来实现，采用氢氟酸溶解第一氧化硅层11，其反应式如下：SiO₂+6HF＝H₂(SiF₆)+2H₂O。

氢氟酸虽然能溶解氧化硅层，但腐蚀速度很快，不便于控制，腐蚀效果不好，故，作为本发明的一实施例，湿法腐蚀氧化硅采用氢氟酸和氟化铵组成的缓冲腐蚀液(BOE)。氟化铵的作用是减轻氢氟酸的腐蚀速度，该缓冲腐蚀液可以包括氢氟酸、氟化铵和水。

经过上述缓冲湿法腐蚀处理之后，在衬底10与石墨烯沟道层16之间形成了空腔18，也就是说，部分石墨烯沟道层16呈悬空状(如图6所示)。本领域技术人员应该了解的是，去除与石墨烯沟道层相接触的部分第一氧化硅层11，是为了避免石墨烯沟道层受到“污染”，导致载流子迁移率劣化，降低导电性能。

由于金属镍并不会受腐蚀液的影响，受源端和漏端(包含镍)的阻挡，缓冲腐蚀液对于位于源端和漏端下方的第一氧化硅层11去除较少，而源端和漏端之间第一氧化硅层11被去除，形成由石墨烯沟道层16与位于源端13和漏端14对应位置下的第二氧化硅层20构成的类似“∏”悬空桥梁结构，如图6所示。虽然图6所示去除部分第一氧化硅层的范围是介于源端和漏端之间，然而，本领域技术人员应该知晓的是，受湿法腐蚀时间的影响，所形成的空腔18的范围并不以图6所示为限。

由于石墨烯材料出色的稳定性能，在湿法腐蚀去除氧化硅层的过程中，对于形成在其上的石墨烯薄膜，并不会受到腐蚀液的影响。

参考图7和步骤S5，在源端和漏端之间的所述石墨烯沟道层16上形成栅结构。

如前述步骤S1所述，衬底10是已经形成有下栅结构的体硅或绝缘体上硅(SOI)衬底。

在石墨烯沟道层16上形成栅结构(即上栅结构)，所述栅结构包括栅介质层17和栅电极层15。本实施例中，在栅介质层17与石墨烯沟道层16之间还具有成核层12。其中，栅介质层采用高k介质层材料，例如，Al₂O₃，HfO₂等，其厚度大约在10埃至100埃之间。

可以采用CVD工艺直接在石墨烯表面沉积栅介质层，但采用此方法获得的栅介质层均匀性和覆盖率较差，并且沉积过程中的动能离子不可避免地会破坏石墨烯的结构，产生大量缺陷使石墨烯的电学性能大幅衰退。作为本发明的一优选实施例，采用原子层沉积(ALD)方法形成Al₂O₃作为栅介质层17。这是由于ALD是一种厚度及均匀性控制精确、填充能力强的高k介质层生长手段，且不存在动能离子损伤的问题。

然而，由于石墨烯表面呈疏水性且缺乏薄膜生长所需的悬挂键，因而采用常规的ALD方法不容易在石墨烯表面直接形成栅介质层。为此，作为本发明的一实施例，在石墨烯沟道层16的上表面先形成金属氧化物薄膜，作为成核层12。

形成成核层12的方法可以采用水基(H₂O-based)ALD工艺，利用水作为氧化剂与金属源反应生成金属氧化物薄膜，作为成核层12。本实施例中，金属源采用的是铝源，较佳地，铝源可以是三甲基铝(Tri-Mellitic-Anhydride，TMA)。

在形成成核层12之后，通过ALD工艺在成核层12上形成Al₂O₃栅介质层17。

实验证明，利用先在石墨烯沟道层16上形成金属氧化物成核层12，再在成核层12上形成高k栅介质层，可以使得生成的栅介质层17具有均匀性好，覆盖率佳等优点。

接下来，在栅介质层17上形成栅电极层15(构成上栅结构)，所述栅电极层15材料可以包括镍(Ni)或其他金属材料。

因此，本发明由于去除了与石墨烯沟道层接触的SiO₂薄膜，减小了SiO₂薄膜对石墨烯带来的“污染”，从而可以提高石墨烯沟道层载流子迁移率，改善导电性能。

作为本发明的又一实施例，还提供一种利用前述制作方法制作的石墨烯场效应晶体管，如图7所示，包括：

衬底10，所述衬底10上具有不连续的氧化硅层20，所述氧化硅层20具有间隔；

石墨烯沟道层16，横跨所述具有间隔的相邻氧化硅层20上，并且在所述衬底10与石墨烯沟道层16之间，以及在上述不同氧化硅层20之间形成有空腔18；

源端13和漏端14，分别位于所述石墨烯沟道层16的两端上；

栅结构，位于源端13和漏端14之间的所述石墨烯沟道层16上，所述栅结构包括栅介质层17和栅电极层15。

其中，所述源端13和漏端14的位置与空腔18两侧的氧化硅层20的位置相对应。

作为本发明的一实施例，在栅介质层17与石墨烯沟道层16之间还具有成核层12，所述成核层12可以是金属氧化物薄膜，利用氧化剂与金属源反应生成金属氧化物薄膜，所述金属源为铝源。

因此，本发明实施例由于去除了与石墨烯沟道层接触的SiO₂薄膜，在衬底与石墨烯沟道层之间具有空腔，形成了悬空石墨烯沟道层，减小了OH基团对石墨烯的影响，减轻了SiO₂薄膜对石墨烯带来的“污染”，从而可以提石墨烯沟道层载流子迁移率，改善导电性能。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种石墨烯场效应晶体管的制作方法，其特征在于，包括：

提供衬底，所述衬底上形成有氧化硅层；

在所述氧化硅层上形成石墨烯沟道层；

在所述石墨烯沟道层的两端上形成源端和漏端；

去除源端和漏端之间位于所述石墨烯沟道层下方的部分氧化硅层，形成具有间隔的氧化硅层；

在源端和漏端之间的所述石墨烯沟道层上形成栅结构。

2.如权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管的制作方法，其特征在于，采用湿法腐蚀去除所述氧化硅层。

3.如权利要求2所述的石墨烯场效应晶体管的制作方法，其特征在于，所述湿法腐蚀采用氢氟酸、氟化铵组成的缓冲腐蚀液。

4.如权利要求2所述的石墨烯场效应晶体管的制作方法，其特征在于，所述去除氧化硅层的范围介于源端和漏端之间。

5.如权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管的制作方法，其特征在于，所述衬底包括下栅结构，所述下栅结构包括高掺杂硅。

6.如权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管的制作方法，其特征在于，所述在氧化硅层上形成石墨烯沟道层的步骤包括：

在氧化硅层上沉积金属氮化物；

对金属氮化物进行还原，形成金属层；

在金属层上形成石墨烯薄膜；

去除金属层。

7.如权利要求6所述的石墨烯场效应晶体管的制作方法，其特征在于，所述金属层包括铜。

8.如权利要求6所述的石墨烯场效应晶体管的制作方法，其特征在于，采用化学气相沉积法形成石墨烯薄膜。

9.如权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管的制作方法，其特征在于，所述栅结构包括栅介质层与栅电极层，所述栅电极层、源端和漏端包括镍。

10.如权利要求9所述的石墨烯场效应晶体管的制作方法，其特征在于，所述栅介质层与石墨烯沟道层之间还形成有成核层，所述成核层是金属氧化物薄膜。

11.如权利要求10所述的石墨烯场效应晶体管的制作方法，其特征在于，采用ALD工艺形成所述成核层，所述ALD工艺包括采用水作为氧化剂与金属源反应生成金属氧化物薄膜。

12.如权利要求11所述的石墨烯场效应晶体管的制作方法，其特征在于，所述金属源采用的是铝源。

13.如权利要求12所述的石墨烯场效应晶体管的制作方法，其特征在于，所述铝源是三甲基铝。

14.一种使用权利要求1所述方法制作的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底上形成有具有间隔的氧化硅层；

石墨烯沟道层，横跨具有间隔的相邻氧化硅层上；

源端和漏端，分别位于所述石墨烯沟道层的两端上；

栅结构，位于源端和漏端之间的所述石墨烯沟道层上；

所述间隔通过对源端和漏端之间位于所述石墨烯沟道层下方的部分氧化硅层进行去除而形成。

15.如权利要求14所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述衬底包括下栅结构，所述下栅结构包括高掺杂硅。

16.如权利要求14所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述栅结构包括栅介质层与栅电极层，所述栅电极层、源端和漏端包括镍。

17.如权利要求16所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述栅介质层采用高k介质层材料。

18.如权利要求17所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述栅介质层为Al₂O₃。

19.如权利要求16所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述栅介质层与石墨烯沟道层之间还包括成核层，所述成核层是金属氧化物薄膜。