CN105590858A - 鳍式场效应晶体管及其形成方法 - Google Patents

Abstract

一种鳍式场效应晶体管及其形成方法，所述鳍式场效应晶体管的形成方法包括：提供半导体衬底；在半导体衬底上形成鳍部，所述鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间具有第一倾斜角；在半导体衬底表面形成隔离层，高于隔离层的部分鳍部作为第一部分鳍部，被隔离层覆盖的部分鳍部作为第二部分鳍部；对第一部分鳍部的侧壁进行刻蚀，使第一部分鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间的具有第二倾斜角，第二倾斜角小于第一倾斜角；在第一部分鳍部侧壁表面形成含碳半导体层；在含碳半导体层表面形成石墨烯层；在隔离层表面形成横跨鳍部的栅极结构，所述栅极结构覆盖部分第一部分鳍部侧壁上的石墨烯层及部分鳍部顶部。所述方法可以提高形成的鳍式场效应晶体管的性能。

Description

鳍式场效应晶体管及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种鳍式场效应晶体管及其形成方法。

背景技术

随着半导体工艺技术的不断发展，工艺节点逐渐减小，后栅(gate-last)工艺得到了广泛应用，以获得理想的阈值电压，改善器件性能。但是当器件的特征尺寸进一步下降时，即使采用后栅工艺，常规的MOS场效应管的结构也已经无法满足对器件性能的需求，鳍式场效应晶体管(FinFET)作为一种多栅器件得到了广泛的关注。

同时，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受到广泛的关注。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，还具有出色的电学性能，例如0.4μm左右的弹道输运特性，高载流子迁移率，室温下的量子霍尔效应等等。石墨烯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。

使用石墨烯材料作为鳍式场效应晶体管的沟道材料能够进一步提高鳍式场效应晶体管的性能，所以，如何形成高质量的石墨烯材料应用于鳍式场效应晶体管，以提高鳍式场效应晶体管的性能，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种鳍式场效应晶体管及其形成方法，提高鳍式场效应晶体管的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种鳍式场效应晶体管的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成鳍部，所述鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间具有第一倾斜角；在所述半导体衬底表面形成隔离层，所述隔离层的表面低于鳍部的顶部表面并覆盖部分鳍部的侧壁表面，高于隔离层的部分鳍部作为第一部分鳍部，被隔离层覆盖的部分鳍部作为第二部分鳍部；对第一部分鳍部的侧壁进行刻蚀，使第一部分鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间的具有第二倾斜角，所述第二倾斜角小于第一倾斜角；在所述第一部分鳍部侧壁表面形成含碳半导体层；在所述含碳半导体层表面形成石墨烯层；在所述隔离层表面形成横跨所述鳍部的栅极结构，所述栅极结构覆盖部分第一部分鳍部侧壁上的石墨烯层及部分第一部分鳍部顶部。

可选的，所述第二倾斜角的范围为50°～70°。

可选的，所述第一倾斜角的范围为80°～90°。

可选的，所述含碳半导体层的材料为SiC。

可选的，形成所述石墨烯层的方法包括：对所述含碳半导体层进行退火，使所述含碳半导体层表面部分厚度内的硅原子逸出，剩余碳原子形成石墨烯层，所述退火在真空或Ar氛围下进行，压强为10mbar～900mbar，温度为1500℃～2000℃，时间为10min～20min。

可选的，对第一部分鳍部的侧壁进行刻蚀的方法包括：在鳍部的顶部表面形成掩膜层，所述掩膜层的宽度小于鳍部的顶部宽度，所述掩膜层两侧暴露出部分鳍部顶部；以所述掩膜层为掩膜，刻蚀所述第一部分鳍部，使所述第一部分鳍部的侧壁倾斜度减小。

可选的，所述石墨烯层为单层或者双层的石墨烯结构。

可选的，还包括：在形成所述石墨烯层之后，对所述石墨烯层进行表面修复处理，去除所述石墨稀层的缺陷。

可选的，所述表面修复处理的方法包括：将所述石墨烯层浸没于氢氟酸溶液中，然后取出，用去离子水清洗，所述氢氟酸溶液的质量浓度为0.5％～2％，浸没时间为10s～30s。

可选的，其特征在于，还包括：对所述石墨烯层进行氢化处理。

可选的，所述氢化处理的方法包括：在H₂氛围下进行退火，退火温度为600℃～1000℃，时间为30min～200min。

可选的，所述栅极结构包括栅介质层和位于栅介质层表面的栅极，所述栅介质层的材料为氧化铝。

为解决上述问题，本发明的技术方案还提供一种采用所述方法形成的鳍式场效应晶体管，包括：半导体衬底；位于半导体衬底上的鳍部，所述鳍部包括第二部分鳍部和位于第二部分鳍部上的第一部分鳍部，所述第二部分鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间具有第一倾斜角，所述第一部分鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间具有第二倾斜角，所述第二倾斜角小于第一倾斜角；位于半导体衬底上的隔离层，所述隔离层的表面低于鳍部的顶部表面，所述隔离层覆盖第二部分鳍部的侧壁；位于第一部分鳍部侧壁表面的含碳半导体层；位于所述含碳半导体层表面的石墨烯层；位于所述隔离层表面的横跨所述鳍部的栅极结构，所述栅极结构覆盖部分第一部分鳍部侧壁上的石墨烯层及部分第一部分鳍部顶部。

可选的，所述第二倾斜角的范围为50°～70°。

可选的，所述第一倾斜角的范围为80°～90°。

可选的，所述含碳半导体层的材料为SiC。

可选的，所述石墨烯层为单层或者双层的石墨烯结构。

可选的，所述石墨烯层为氢化石墨烯层。

可选的，所述栅极结构包括栅介质层和位于栅介质层表面的栅极，所述栅介质层的材料为氧化铝。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本实施例中，在形成所述鳍部以及隔离层之后，对高于隔离层表面的第一部分鳍部的侧壁进行刻蚀，使所述第一部分鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间具有第二倾斜角，被隔离层覆盖的第二部分鳍部侧壁与半导体衬底之间具有第一倾斜角，且所述第二倾斜角小于第一倾斜角，所述第一部分鳍部的侧壁倾斜度下降，可以提高后续在第一部分鳍部侧壁表面上形成的含碳半导体层的沉积质量，并且，减小所述含碳半导体层表面的自由能，后续再在所述含碳半导体层表面形成石墨烯层。由于所述含碳半导体层表面的自由能下降，形成的石墨烯层与含碳半导体层界面之间的相互作用减小，从而可以提高形成的石墨烯层的质量以及载流子迁移率，进而提高最终形成的鳍式场效应晶体管的性能。

进一步的，在形成所述石墨烯层之后，可以对所述石墨烯层进行表面修复处理，消除所述石墨烯层的缺陷，从而进一步提高所述石墨烯层的载流子迁移率。还可以对所述石墨烯层进行氢化处理，使石墨烯层的性能从金属性向半导体性转变，从而可以提高形成的晶体管的性能。所述H原子会与石墨烯层内的碳原子之间形成C-H化学键，氢化后的C-C原子轨道由sp²杂化转化为sp³杂化，引起费米能级的迁移，从而使禁带宽度增大。可以通过控制石墨烯层的氢化程度，调整所述石墨烯层的禁带宽度，从而调整鳍式场效应晶体管的场效应特性和阈值电压，使其满足晶体管的要求。

本实施例中，提供的鳍式场效应晶体管包括半导体衬底、位于半导体衬底上的鳍部以及隔离层，所述鳍部包括高于隔离层的第一部分鳍部以及被隔离层覆盖的第二部分鳍部，所述第一部分鳍部侧壁表面具有含碳半导体层，位于含碳半导体层表面的石墨烯层，以及位于隔离层表面横跨所述鳍部的栅极结构，所述栅极结构覆盖部分第一部分鳍部侧壁表面的石墨烯层以及部分鳍部顶部。所述第一部分鳍部侧壁与半导体衬底表面之间具有第二倾斜角，所述第二部分鳍部侧壁与半导体衬底表面之间具有第一倾斜角，所述第二倾斜角小于第一倾斜角，使得第一部分鳍部的倾斜度下降，在所述第一部分鳍部表面的含碳半导体层的沉积质量较高，且表面自由能下降，所以位于所述含碳半导体层表面的石墨烯层与所述含碳半导体层之间界面的原子相互作用较弱，从而使得石墨烯层的质量较高，石墨烯层的载流子迁移率较高，进而使得所述鳍式场效应晶体管的性能提高。

附图说明

图1至图7是本发明的实施例的鳍式场效应晶体管的形成过程的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术中所述，现有采用石墨烯作为沟道材料形成的鳍式场效应晶体管的性能有待进一步的提高。

目前在鳍部上形成的石墨烯层的质量较差，石墨烯层表面的原子无序性较高，石墨烯层内的缺陷较多，导致所述石墨烯层内的载流子的迁移率下降，从而影响形成的鳍式场效应晶体管的性能。

研究发现，在鳍部表面的含碳半导体层表面形成石墨烯层作为鳍式场效应晶体管的沟道区域时，所述石墨烯层的形成质量与含碳半导体层的结构相关，由于现有形成的鳍部侧壁与半导体衬底之间的夹角较大，接近垂直，在所述鳍部侧壁表面形成的含碳半导体层的表面自由能较大，在所述含碳半导体层表面形成的石墨烯层中的碳原子与含碳半导体层之间的原子间作用力较大，影响石墨烯层的晶体结构，以及电迁移能力，使得形成的式场效应晶体管的形成还有待进一步的提高。

基于上述发现，本发明的实施例中，通过降低鳍部侧壁的倾斜度，提高石墨烯层的质量以及电迁移能力，从而提高形成的鳍式场效应晶体管的性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

请参考图1，提供半导体衬底100，在所述半导体衬底100上形成鳍部101。

所述半导体衬底100的材料包括硅、锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料，所述半导体衬底100可以是体材料也可以是复合结构如绝缘体上硅。本领域的技术人员可以根据半导体衬底100上形成的半导体器件选择所述半导体衬底100的类型，因此所述半导体衬底的类型不应限制本发明的保护范围。本实施例中，所述半导体衬底100为单晶硅衬底。

本实施例中，在所述半导体衬底100上形成外延层之后，刻蚀所述外延层，在所述半导体衬底100表面形成鳍部101。在本发明的其他实施例中，也可以直接刻蚀半导体衬底，形成鳍部。

本实施例中，采用等离子体刻蚀工艺刻蚀所述外延层形成鳍部101，所述等离子体刻蚀工艺采用的刻蚀气体包括：HBr和Cl₂。本实施例中，所述干法刻蚀工艺采用的刻蚀气体为HBr和Cl₂的混合气体，O₂作为缓冲气体，其中HBr的流量为50sccm～1000sccm，Cl₂的流量为50sccm～1000sccm，O₂的流量为5sccm～20sccm，压强为5mTorr～50mTorr，功率为400W～750W，O₂的气体流量为5sccm～20sccm，温度为40℃～80℃，偏置电压为100V～250V。

所述等离子体刻蚀工艺具有较高的各向异性，从而使得形成的鳍部101的侧壁与半导体衬底100表面之间具有较大的倾斜角。本实施例中，所述鳍部101的侧壁与半导体衬底100表面之间具有第一倾斜角α1，所述第一倾斜角α1的大小为80°～90°。在本发明的其他实施例中，所述第一倾斜角α1的大小为82°～87°。

请参考图2，在所述半导体衬底100表面形成隔离层200，所述隔离层200的表面低于鳍部101的顶部表面并覆盖部分鳍部101的侧壁表面，高于隔离层200的部分鳍部101作为第一部分鳍部101a，被隔离层200覆盖的部分鳍部101作为第二部分鳍部101b。

所述隔离层200的形成方法包括：采用化学气相沉积工艺或旋涂工艺，在所述半导体衬底100表面形成隔离介质材料，所述隔离介质材料覆盖鳍部101；对所述隔离介质材料进行平坦化，形成隔离材料层，所述隔离材料层的表面与鳍部101顶面齐平；回刻蚀所述隔离材料层，形成隔离层200，使所述隔离层200的表面低于鳍部101的顶部表面，暴露出鳍部101的顶部表面和部分侧壁。

所述隔离层200的材料可以是氧化硅、氮化硅、碳氧化硅等绝缘介质材料，所述隔离层200作为相邻鳍部之间的隔离结构，以及后续形成的栅极结构与半导体衬底100之间的隔离结构。

所述隔离层200覆盖部分鳍部101，将所述鳍部101分成第一部分鳍部101a和第二部分鳍部101b，高于隔离层200的部分鳍部101作为第一部分鳍部101a，被隔离层200覆盖的部分鳍部101作为第二部分鳍部101b。后续在所述第二部分鳍部101a上形成栅极结构。

请参考图3，在鳍部101的顶部表面形成掩膜层110，所述掩膜层110的宽度小于鳍部101的顶部宽度，所述掩膜层110两侧暴露出部分鳍部101顶部。

本实施例中，所述掩膜层110的形成方法包括：在所述隔离层200以及第一部分鳍部101a表面形成掩膜材料层之后，对所述掩膜材料层进行图形化，去除位于隔离层200表面以及第一部分鳍部101a侧壁及部分顶部表面的掩膜材料层，形成所述掩膜层110，并且，所述掩膜层110的宽度小于鳍部101的顶部宽度，暴露出位于掩膜层110两侧的部分鳍部101的顶部。

所述掩膜层110的材料为氧化硅、氮化硅或无定形碳等掩膜材料，具体的，所述掩膜层110的材料与隔离层200的材料不同，在形成掩膜层110的过程中，对掩膜材料层进行图形化时，所述掩膜材料层与隔离层200之间具有较高的刻蚀选择比，避免对隔离层200造成损伤。

请参考图4，以所述掩膜层110为掩膜，对第一部分鳍部101a的侧壁进行刻蚀，使第一部分鳍部101a的侧壁与半导体衬底100表面之间的具有第二倾斜角α2，所述第二倾斜角α2小于第一倾斜角α1。

采用等离子体刻蚀工艺对所述第一部分鳍部101a进行刻蚀，并通过调整所述等离子体刻蚀工艺的刻蚀参数，调整所述刻蚀后的第一部分鳍部101a的侧壁的倾斜角度。

本实施例中，采用的等离子体刻蚀工艺采用的刻蚀气体包括：Cl₂和Cl₂的混合气体作为刻蚀气体，O₂作为缓冲气体，其中HBr的流量为50sccm～1000sccm，Cl₂的流量为50sccm～1000sccm，O₂的流量为5sccm～20sccm，压强为5mTorr～50mTorr，功率为400W～750W，O₂的气体流量为5sccm～20sccm，温度为40℃～80℃，偏置电压为100V～250V。

上述刻蚀工艺以掩膜层110为刻蚀掩膜，所述掩膜层110用于保护鳍部101的部分顶部不被刻蚀，最终刻蚀后使得鳍部101的顶部宽度减小，第一部分鳍部101a的侧壁倾斜度下降。

本实施例中，可以通过调整等离子体刻蚀工艺的刻蚀参数，使第一部分鳍部101a靠近顶部处的刻蚀速率较快，所述刻蚀速率从顶部向下逐渐减小，使得刻蚀后的第一部分鳍部101a的底部宽度依旧与第二部分鳍部101b的顶部宽度一致。在本发明的其他实施例中，所述第一部分鳍部101a的顶部宽度也可以小于第二部分鳍部101b的顶部宽度。

刻蚀后的第一部分鳍部101a的侧壁与半导体衬底100表面之间具有第二倾斜角α2，所述第二倾斜角α2的范围为50°～70°。所述第二倾斜角α2的角度小于第二部分鳍部101b与半导体衬底100表面之间的第一倾斜角α1的角度。所述第二倾斜角α2小于等于70°从而使得第一部分鳍部101a的倾斜度下降，有利于提高后续在所述第一部分鳍部101a侧壁表面形成的含碳半导体层的沉积质量。并且，所述第二倾斜角α2大于等于50°，不会使得第一部分鳍部101a的顶部宽度过小，而导致第一部分鳍部101a发生坍塌等问题。

在本发明的其他实施例中，也可以采用其他干法刻蚀工艺刻蚀所述第一部分鳍部101a，使其侧壁倾斜度下降。

请参考图5，在所述第一部分鳍部101a侧壁表面形成含碳半导体层103。

本实施例中，所述含碳半导体层103的材料为SiC，用于为后续形成石墨烯层提供基底和材料。

可以采用选择性外延工艺形成所述含碳半导体层103，本实施例中，所述选择性外延工艺采用化学气相沉积工艺，反应气体包括硅源气体和碳源气体，所述硅源气体为SiH₄或SiH₂Cl₂，碳源气体为CH₄，所述反应气体还包括H₂和HCl，所述碳源气体、硅源气体和HCl的气体流量为1sccm～1000sccm，H₂的流量为0.1slm～50slm，所述化学气相沉积工艺的温度为500℃～800℃，压强为1Torr～100Torr。

在本发明的其他实施例中，所述含碳半导体层103还可以是其他材料，例如GeC、GeSiC等。

由于所述隔离层200以及掩膜层110为绝缘材料，所以所述选择性外延工艺仅在第一部分鳍部101a的侧壁表面形成所述含碳半导体层103。

在本发明的其他实施例中，也可以先去除所述掩膜层110，然后在所述第一部分鳍部101a的侧壁及顶部表面均形成所述含碳半导体层。

由于所述第一部分鳍部101a与最初形成的鳍部101(请参考图1)相比，倾斜度下降，使得在所述第一部分鳍部101a侧壁表面形成的含碳半导体层103的沉积质量提高，有利于提高后续在含碳半导体层103表面形成的石墨烯层的质量。并且，在所述50°～70°倾斜角度的表面上形成所述含碳半导体层103，能够降低所述含碳半导体层103表面的自由能，减少后续在含碳半导体层103表面形成的石墨烯层的原子与含碳半导体层103原子之间的作用力，从而进一步提高所述含石墨烯层的沉积质量，以及所述石墨烯层的载流子迁移率。

请参考图6，在所述含碳半导体层103表面形成石墨烯层104。

本实施例中，采用高温退火工艺使所述含碳半导体层103靠近表面的部分厚度的含碳半导体层103发生热分解，所述高温退火的温度需要达到SiC的分解温度以上，在退火过程中，Si原子从含碳半导体层103表面逸出，而C原子则保留在所述含碳半导体层103表面，在高温作用下，重新排列形成石墨烯层104。所述石墨烯层104的形成质量与所述退火工艺的压强相关，压强越大，Si原子从含碳半导体层103表面逸出的速率较低，Si逸出后容易受到退火环境中的气体分子的碰撞，回到所述含碳半导体层103内，所以，压强较大的情况下，石墨烯层104的形成速率较低，碳原子在退火过程中，形成石墨烯结构的速度较慢，从而使得碳原子都能移动到晶格位置上，形成较高质量的石墨烯层104。而所述压强也不能过大，否则，Si原子无法从含碳半导体层103的表面逸出，从而无法形成石墨烯层。

本实施例中，形成所述石墨烯层104的方法包括：对所述含碳半导体层103进行退火，使所述含碳半导体层103表面部分厚度内的硅原子逸出，剩余碳原子形成石墨烯层104，所述退火在真空或Ar氛围下进行，压强为10mbar～900mbar，温度为1500℃～2000℃，时间为10min～20min。随着石墨烯层104厚度增加，石墨烯层104下层的Si原子受到上层C原子的阻挡作用，很难再从含碳半导体层103内逸出，从而无法使得石墨烯层104的厚度进一步的增加。本实施例中，所述石墨烯层104具有单层或双层的石墨烯结构。根据具体实施例的要求，可以通过对退火时间的控制，形成两层或两层以上的石墨烯结构。

通过热分解工艺直接在所述含碳半导体层103表面形成所述石墨烯层104，所述形成过程步骤简单，成本较低，并且，所述石墨烯层104与含碳半导体衬底103之间的界面质量较好，后续所述石墨烯层104作为鳍式场效应晶体管的沟道区材料，能够提高形成的鳍式场效应晶体管的性能。

在本发明的其他实施例中，还可以采用其他沉积工艺，例如化学气相沉积工艺、氧化分散还原法等工艺，在所述含碳半导体层103表面形成所述石墨烯层104。

作为形成石墨烯层104的基底的含碳半导体层103，形成于具有第二倾斜角度α2的第一部分鳍部101a的侧壁表面，具有较高的沉积质量，并且所述含碳半导体层103的表面自由能下降，所述表面自由能下降使得在形成石墨烯层104的过程中，硅原子更容易从含碳半导体层103的表面逸出，并且，形成的石墨烯层104与含碳半导体层103界面上的原子相互作用力较弱，使得石墨烯层104中的碳原子与含碳半导体层103子中的其他原子，例如硅原子之间的作用力更弱，从而能够提高所述石墨烯层104的质量，以及载流子迁移率。所述石墨烯层104作为鳍式场效应晶体管的沟道区域材料，也能够提高鳍式场效应晶体管的性能。

本发明的实施例中，可以先形成所述石墨烯层104之后，去除所述掩膜层110(请参考图5)，也可以先去除所述掩膜层110之后，再形成所述石墨烯层104。

在本发明的其他实施例中，所述含碳半导体层103还可以覆盖第一部分鳍部101a的顶部表面，从而在第一部分鳍部101a的顶部表面上也能形成石墨烯层，但是一般在水平表面上形成的石墨烯层的质量会较差。所以，本实施例中，在形成含碳半导体层103之前保留所述掩膜层110，使得所述碳半导体层103不会在第一部分鳍部101a的顶部表面形成，从而所述第一部分鳍部101a的顶部上也不会形成所述石墨烯层104，从而使得石墨烯层104均位于第一部分鳍部101a的倾斜的侧壁上，所述石墨烯层104的整体质量均较高。

在本发明的其他实施例中，在形成所述石墨烯层104之后，还可以对所述石墨烯层104进行表面修复处理，去除所述石墨稀层104的缺陷。所述表面修复处理的方法包括：将所述石墨烯层104连同整个半导体衬底100浸没于氢氟酸溶液中一段时间，然后取出，用去离子水清洗，所述氢氟酸溶液的质量浓度为0.5％～2％，浸没时间为10s～30s。所述氢氟酸溶液能够去除石墨烯层104表面的杂质，并且，降低所述石墨烯层104的无序势能(disorderpotential)，并且对石墨烯层104的表面进行修复，从而减少所述石墨烯层104的缺陷，减少载流子在所述石墨烯层104内传输时受到的缺陷的散射作用，从而可以进一步提高所述石墨烯层104内的载流子的迁移率。所述氢氟酸溶液的质量浓度为0.5％～2％，浸没时间为10s～30s，所述氢氟酸的浓度较小，浸没时间较小，可以避免对石墨烯层104造成腐蚀。

在本发明的其他实施例中，还可以对所述石墨烯层104进行氢化处理，使石墨烯层104的性能从金属性向半导体性转变，从而可以提高形成的晶体管的性能。所述氢化处理的方法包括：在H₂氛围下进行退火，退火温度为600℃～1000℃，时间为30min～200min。所述H原子会与石墨烯层104内的碳原子之间形成C-H化学键，氢化后的C-C原子轨道由sp²杂化转化为sp³杂化，引起费米能级的迁移，从而使禁带宽度增大。所述氢化后的石墨烯层104的禁带宽度大小与石墨烯层104的氢化程度相关，氢原子覆盖率越高，石墨烯层104的氢化程度越高，所述石墨烯层104的禁带宽度越大；氢原子覆盖率越低，石墨烯层104的氢化程度越低，所述石墨烯层104的禁带宽度越小。从而可以通过控制石墨烯层104的氢化程度，调整所述石墨烯层104的禁带宽度，从而调整鳍式场效应晶体管的场效应特性和阈值电压，使其满足晶体管的要求。本实施例中，可以通过退火时间，控制所述石墨烯层104的氢化程度。

在本发明的其他实施例中，也可以通过其他方式对所述石墨烯层104进行氢化处理，例如所述氢化处理还可以是等离子体氢化工艺等，通过对H₂进行等离子体化，提高H原子的反应活性，使得位于H等离子体环境下的石墨烯层104的碳原子与H结合形成C-H键。

更进一步的，由于所述石墨烯层104位于含碳半导体层103表面，本实施例中，所述含碳半导体层103的材料为SiC，虽然含碳半导体层103的表面自由能下降，减少了石墨烯层104与含碳半导体层103之间的原子相互作用里，但是依然会有部分石墨烯层104的C原子与其下层的含碳半导体层103内的原子之间形成化学键，例如与SiC层中的Si原子形成Si-C键，从而影响所述石墨烯层104的载流子迁移率。在对所述石墨烯层104进行氢化处理，形成氢化石墨烯层的过程中，所述H原子还能够与含碳半导体层103内的原子之间形成化学键，例如与SiC层表面的Si原子结合形成Si-H键，使石墨烯层104与含碳半导体层103之间不再形成化学键，从而进一步提高所述石墨烯层104的载流子迁移率。

在本发明的其他实施例中，也可以先对所述石墨烯层104进行表面修复处理之后，再对修复后的石墨烯层104进行上述氢化处理。

请参考图7，在所述隔离层200表面形成横跨所述鳍部101的栅极结构，所述栅极结构覆盖部分第一部分鳍部101a侧壁上的石墨烯层104及鳍部101的顶部。

所述栅极结构包括栅介质层301和位于栅介质层301表面的栅极302。

所述栅极结构的形成方法包括：在所述隔离层200表面以及石墨烯层104表面、鳍部101的顶部表面形成栅介质材料层，位于栅介质材料层表面的栅极材料层；然后对所述栅极材料层和栅介质材料层进行图形化，形成横跨所述鳍部101的栅极结构。

可以采用原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺等形成所述栅介质材料层。所述栅介质层301的材料可以是氧化铝、氧化铪、氧化锆或硅氧化铪等。本实施例中，所述栅介质层301的材料为氧化铝。

所述栅极302的材料为铝、钨、钛、氮化钛或铂。所述栅极302及其下方的栅介质层301构成鳍式场效应晶体管的栅极结构。

后续还可以对栅极302两侧的石墨烯层104、含碳半导体层103以及鳍部101进行N型或P型离子注入，形成鳍式场效应晶体管的源极和漏极。

本实施例中，在形成所述鳍部以及隔离层之后，对高于隔离层表面的第一部分鳍部的侧壁进行刻蚀，使所述第一部分鳍部的侧壁倾斜度下降，从而提高后续在第一部分鳍部侧壁表面上形成的含碳半导体层的沉积质量，并且，减小所述含碳半导体层表面的自由能，后续再在所述含碳半导体层表面形成石墨烯层。由于所述含碳半导体层表面的自由能下降，形成的石墨烯层与含碳半导体层界面之间的相互作用减小，从而可以提高形成的石墨烯层的质量以及载流子迁移率，进而提高最终形成的鳍式场效应晶体管的性能。

本发明的实施例还提供一种采用上述方法形成的鳍式场效应晶体管。

请参考图7，所述鳍式场效应晶体管包括：半导体衬底100；位于半导体衬底100上的鳍部101，所述鳍部101包括第二部分鳍部101b和位于第二部分鳍部101b上的第一部分鳍部101a，所述第二部分鳍部101b的侧壁与半导体衬底100表面之间具有第一倾斜角α1，所述第一部分鳍部101a的侧壁与半导体衬底100表面之间具有第二倾斜角α2，所述第二倾斜角α2小于第一倾斜角α1；位于半导体衬底100上的隔离层200，所述隔离层200的表面低于鳍部101的顶部表面，所述隔离层200覆盖第二部分鳍部101b的侧壁；位于第一部分鳍部101a侧壁表面的含碳半导体层103；位于所述含碳半导体层103表面的石墨烯层104；位于所述隔离层200表面的横跨所述鳍部101的栅极结构，所述栅极结构覆盖部分第一部分鳍部101a侧壁上的石墨烯层104及鳍部101顶部。

所述第二倾斜角α2的范围为50°～70°，所述第一倾斜角α1的范围为80°～90°。

本实施例中，所述含碳半导体层103的材料为SiC。

本实施例中，所述石墨烯层104为单层或者双层的石墨烯结构。在本发明的其他实施例中，所述石墨烯层104还可能具有两层以上的石墨烯结构。

所述石墨烯层104为氢化石墨烯层。

所述栅极结构包括栅介质层301和位于栅介质层301表面的栅极302，所述栅介质层301的材料为氧化铝、氧化铪、氧化锆或硅氧化铪等高K介质材料，所述栅极302的材料为铝、钨、钛、氮化钛或铂等金属。

由于所述第二倾斜角α2小于第一倾斜角α1，使得第一部分鳍部101a的倾斜度下降，在所述第一部分鳍部101a表面的含碳半导体层103的沉积质量较高，且表面自由能下降，所以位于所述含碳半导体层103表面的石墨烯层104与所述含碳半导体层103之间界面的原子相互作用较弱，从而使得石墨烯层104的质量较高，石墨烯层104的载流子迁移率较高，进而使得所述鳍式场效应晶体管的性能提高。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (19)

1.一种鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成鳍部，所述鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间具有第一倾斜角；

在所述半导体衬底表面形成隔离层，所述隔离层的表面低于鳍部的顶部表面并覆盖部分鳍部的侧壁表面，高于隔离层的部分鳍部作为第一部分鳍部，被隔离层覆盖的部分鳍部作为第二部分鳍部；

对第一部分鳍部的侧壁进行刻蚀，使第一部分鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间具有第二倾斜角，所述第二倾斜角小于第一倾斜角；

在所述第一部分鳍部侧壁表面形成含碳半导体层；

在所述含碳半导体层表面形成石墨烯层；

在所述隔离层表面形成横跨所述鳍部的栅极结构，所述栅极结构覆盖部分第一部分鳍部侧壁上的石墨烯层及部分第一部分鳍部顶部。

2.根据权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述第二倾斜角的范围为50°～70°。

3.根据权利要求2所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述第一倾斜角的范围为80°～90°。

4.根据权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述含碳半导体层的材料为SiC。

5.根据权利要求4所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，形成所述石墨烯层的方法包括：对所述含碳半导体层进行退火，使所述含碳半导体层表面部分厚度内的硅原子逸出，剩余碳原子形成石墨烯层，所述退火在真空或Ar氛围下进行，压强为10mbar～900mbar，温度为1500℃～2000℃，时间为10min～20min。

6.根据权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，对第一部分鳍部的侧壁进行刻蚀的方法包括：在鳍部的顶部表面形成掩膜层，所述掩膜层的宽度小于鳍部的顶部宽度，所述掩膜层两侧暴露出部分鳍部顶部；以所述掩膜层为掩膜，刻蚀所述第一部分鳍部，使所述第一部分鳍部的侧壁倾斜度减小。

7.根据权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述石墨烯层为单层或者双层的石墨烯结构。

8.根据权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，还包括：在形成所述石墨烯层之后，对所述石墨烯层进行表面修复处理，去除所述石墨稀层的缺陷。

9.根据权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述表面修复处理的方法包括：将所述石墨烯层浸没于氢氟酸溶液中，然后取出，用去离子水清洗，所述氢氟酸溶液的质量浓度为0.5％～2％，浸没时间为10s～30s。

10.根据权利要求1或8所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，还包括：对所述石墨烯层进行氢化处理。

11.根据权利要求10所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述氢化处理的方法包括：在H₂氛围下进行退火，退火温度为600℃～1000℃，时间为30min～200min。

12.根据权利要求1所述的鳍式场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述栅极结构包括栅介质层和位于栅介质层表面的栅极，所述栅介质层的材料为氧化铝。

13.一种鳍式场效应晶体管，其特征在于，包括：

半导体衬底；

位于半导体衬底上的鳍部，所述鳍部包括第二部分鳍部和位于第二部分鳍部上的第一部分鳍部，所述第二部分鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间具有第一倾斜角，所述第一部分鳍部的侧壁与半导体衬底表面之间具有第二倾斜角，所述第二倾斜角小于第一倾斜角；

位于半导体衬底上的隔离层，所述隔离层的表面低于鳍部的顶部表面，所述隔离层覆盖第二部分鳍部的侧壁；

位于第一部分鳍部侧壁表面的含碳半导体层；

位于所述含碳半导体层表面的石墨烯层；

位于所述隔离层表面的横跨所述鳍部的栅极结构，所述栅极结构覆盖部分第一部分鳍部侧壁上的石墨烯层及部分第一部分鳍部顶部。

14.根据权利要求13所述的鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述第二倾斜角的范围为50°～70°。

15.根据权利要求14所述的鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述第一倾斜角的范围为80°～90°。

16.根据权利要求13所述的鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述含碳半导体层的材料为SiC。

17.根据权利要求13所述的鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯层为单层或者双层的石墨烯结构。

18.根据权利要求13所述的鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯层为氢化石墨烯层。

19.根据权利要求13所述的鳍式场效应晶体管，其特征在于，所述栅极结构包括栅介质层和位于栅介质层表面的栅极，所述栅介质层的材料为氧化铝。