CN105789032B - 一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法，该方法包括：提供绝缘衬底；在衬底上形成石墨烯导电层；在石墨烯导电层上沉积栅介质；图形化得到栅电极；形成栅极侧壁；以含有侧壁的栅极为掩膜，对栅介质层进行腐蚀；制作源漏自对准电极，其中栅极侧墙作为隔离，避免栅源、栅漏电极短路；最后，腐蚀掉栅极侧壁，得到空气隙自对准石墨烯晶体管。本发明方法制备工艺简单，易于与集成电路制造工艺兼容，同时由于实现了栅与源漏电极的自对准，从而大大缩短了器件通路区，减小了寄生电阻；通过侧壁腐蚀，形成空气隙，减小了栅源、栅漏之间的寄生电容，提高了石墨烯射频场效应晶体管性能。
Description
技术领域
本发明属于场效应晶体管制造领域，更具体地涉及一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法。
背景技术
由于超高的载流子迁移率和饱和漂移速度，石墨烯近年来吸引了人们的广泛关注，有望应用于未来的高速电子和射频领域。目前，石墨烯场效应晶体管的电流截止频率fT虽然已经达到427GHz，但仍远小于其理想值。其中一个重要因素就是寄生电阻过大。通路区电阻对石墨烯器件频率特性的影响随着栅长的减小而更加明显。因此缩短通路区，是提高其射频性能的关键。同时，石墨烯作为典型的二维材料，在器件加工过程中容易受环境和残留光刻胶的影响，从而对石墨烯材料造成掺杂和污染，是影响石墨烯器件的另一个主要因素。栅源和栅漏寄生电容同样也会影响石墨烯晶体管的射频性能。
因此，开发空气隙自对准工艺来尽可能减小石墨烯场效应晶体管的寄生电阻和寄生电容是非常有实用意义的。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法，以便实现减小器件的通路电阻和寄生电容、提高石墨烯器件的性能中的至少一个技术效果。
为达到上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种石墨烯场效应晶体管的制造方法，包括以下步骤：
提供绝缘衬底；
在所述绝缘衬底上形成石墨烯导电层；
在所述石墨烯导电层上沉积一栅介质层；
在所述栅介质层上，形成栅电极；
在上述制备的器件上沉积栅极侧墙薄膜，进行无掩膜各向异性刻蚀，在所述栅电极两侧形成栅极侧墙，所述栅电极和栅极侧墙以外区域暴露出栅介质层；
以带有所述栅极侧墙的栅电极作为掩膜，对所述栅介质层进行腐蚀，去除不被所述栅电极覆盖的栅介质；
在上述制备的器件上形成金属层，并形成源电极和漏电极，所述源电极、漏电极与所述栅电极形成自对准结构；
腐蚀所述栅极侧壁，使得所述栅电极与源电极、所述栅电极与漏电极之间形成空气隙结构。
其中，所述绝缘衬底由SiO2、SiC、BN、Al2O3、DLC中的一种或两种以上组成。
其中，所述石墨烯导电层通过机械剥离、CVD生长转移或直接外延在衬底上形成，所述石墨烯导电层的层数为1～3层。
其中，所述栅介质层通过两步工艺形成：
在所述石墨烯导电层上形成一层栅介质种子层；
在所述栅介质种子层上形成栅介质。
其中，所述栅介质种子层选用易氧化的活泼金属，优选为铝、钇，通过氧化的方法形成一薄层的氧化物种子层；或者采用有机物，优选为苯并环丁烯做栅介质沉积的种子层；以及
所述栅介质优选采用SiO2、Si3N4或金属氧化物层来制备，优选为氧化铝、氧化锆、氧化铪或氧化钛。
其中，所述栅介质层通过物理气相沉积、化学气相沉积或原子层气相沉积形成。
其中，所述栅极侧墙薄膜采用Si3N4、SiO2或Al2O3来制备；以及
所述栅极侧墙薄膜生长是利用LPCVD或PECVD实现的。
其中，所述栅极侧墙薄膜采用各向异性的干法进行刻蚀；并且，在对用于形成栅极侧墙的薄膜进行干法刻蚀时，需同时保证栅介质层不被刻蚀；
所述刻蚀栅极侧墙薄膜所用设备优选为RIE反应离子刻蚀机或ICP电感耦合等离子体刻蚀机。
其中，所述源电极和漏电极金属的厚度小于所述栅电极金属的厚度。
其中，所述栅极侧壁的去除采用湿法腐蚀工艺，并且在所述栅极侧壁腐蚀的同时，要保证所述栅介质和金属电极不被腐蚀。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种采用如上所述制造方法制备得到的石墨烯场效应晶体管。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的整个工艺过程，石墨烯未与光刻胶直接接触，避免了器件加工工艺对石墨烯的污染，提高器件的直流和射频性能；
(2)实现了自对准石墨烯场效应晶体管的制备，极大地减小了石墨烯场效应晶体管的通路区；利用含有绝缘侧壁的栅电极做掩膜，对沟道接触区石墨烯进行一定程度的刻蚀，直接蒸镀金属得到自对准源、漏、栅电极，缩短了通路区，有效减小石墨烯与金属的接触电阻，大大减小了寄生电阻且同时可避免栅源和栅漏之间短路；
(3)本发明利用栅侧壁腐蚀，使得栅源和栅漏之间形成空气隙，减小了栅源、栅漏寄生电容；
(4)本发明在常规工艺流程中进行细微调整，不需要重新开发工艺，具备良好的可行性；工艺流程简单，可与现有的工艺流程很好兼容。
附图说明
图1是本发明的石墨烯场效应晶体管的制备方法的流程图；
图2至图7是对应图1中的步骤S11至S15的结构变化示意图。
其中，附图标记表示如下：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15、栅金属16、栅电极侧墙薄膜17。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。其中，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明公开了一种石墨烯场效应晶体管的制造方法，包括以下步骤：
在绝缘衬底上形成石墨烯层；
在石墨烯层上沉积一栅介质层；
在栅介质层上，例如通过光学光刻或电子束光刻得到栅极图形，形成栅电极；
沉积栅极侧墙薄膜，进行无掩膜各向异性刻蚀，形成栅极侧墙，栅电极及侧墙以外区域暴露出栅介质层；
利用带有侧墙的栅电极作为掩膜，对栅介质层进行腐蚀，去除不被栅电极覆盖的栅介质；
蒸镀金属层，形成源、漏电极，源、漏电极与栅电极形成自对准结构；
腐蚀侧壁，使得栅、源和栅、漏之间形成空气隙结构。
上述方案中，绝缘衬底采用SiO2、SiC、BN、Al2O3、DLC等中的一种或两种以上的混合物。
上述方案中，石墨烯层可以是机械剥离、CVD生长转移或在衬底上直接外延形成，石墨烯层的层数为1～3层。
上述方案中，栅介质层例如是通过两步工艺形成：首先蒸镀一层活泼金属，如铝等，通过氧化的方法形成种子层；然后在种子层上生长栅介质，栅介质金属氧化物层，如氧化铝、氧化锆、氧化铪或氧化钛。栅介质层可以由物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或原子层气相沉积(ALD)形成。
上述方案中，栅极侧墙薄膜可以采用Si3N4、SiO2、Al2O3等来制备。
上述方案中，栅极侧墙薄膜生长是利用LPCVD或PECVD得到。
上述方案中，栅极侧墙薄膜采用各向异性的干法刻蚀来形成。
上述方案中，刻蚀侧墙薄膜所用设备为RIE反应离子刻蚀机或ICP电感耦合等离子体刻蚀机。
上述方案中，源、漏电极金属的厚度小于栅极金属的厚度。
上述方案中，栅极侧壁的去除采用湿法腐蚀工艺。要注意的是，栅侧壁腐蚀的同时，要保证栅介质和金属电极不被腐蚀。
下面结合图1-7对本发明的优选实施例的技术方案进行进一步的阐述说明。
如图1所示，作为本发明的一个优选实施例，本发明公开了一种石墨烯场效应晶体管的制造方法，包括以下步骤：
步骤S11，在绝缘衬底上形成导电沟道、栅介质层和栅电极；
步骤S12，栅电极侧墙薄膜沉积；
步骤S13，侧墙薄膜刻蚀，形成栅极侧壁；以栅为掩膜，腐蚀栅介质；
步骤S14，金属电极制备；
步骤S15，栅极侧墙腐蚀，形成空气隙。
如图2-7所示，作为本发明的另一个优选实施例，本发明还公开了一种石墨烯场效应晶体管的制造方法，包括以下步骤：
1)在半导体衬底10上形成SiO2的绝缘层11；
2)在绝缘层11上形成石墨烯导电层12；该石墨烯导电层是通过CVD生长并被转移到绝缘层12上；
3)在石墨烯层12上形成栅介质层15；该栅介质层15通过两步工艺实现：首先，电子束蒸发铝金属，随后在空气中自然氧化或者通过退火或加热的方法氧化，作为种子层；随后生长栅介质。栅介质材料采用ALD生长的HfO2介质；
4)旋涂光刻胶，曝光后显影出栅图形，形成栅电极16。
5)沉积栅极侧墙薄膜17，进行无掩膜各向异性刻蚀，形成栅极侧墙，栅电极以外区域暴露出栅介质层；该栅极侧墙薄膜选择Si3N4；沉积采用PECVD；侧墙薄膜的刻蚀所用设备为RIE反应离子刻蚀机或ICP电感耦合刻蚀机；
6)以带有侧墙17的栅电极16作为掩膜，对栅介质层15进行腐蚀，去除不被栅电极覆盖的栅介质；
7)蒸镀金属层，形成源、漏电极，源、漏电极与栅电极形成自对准结构；该蒸镀的金属层的厚度小于步骤4)中形成的栅电极16的厚度；
8)腐蚀侧壁，使得栅、源和栅、漏之间形成空气隙结构，同时避免了源、漏金属与栅金属之间短路。该栅极侧壁的去除采用湿法腐蚀工艺，且在栅侧壁腐蚀的同时，保证栅介质和金属电极不被腐蚀；本实施例中采用磷酸腐蚀栅极侧壁Si3N4，此时HfO2介质不会被腐蚀。
由此，绝缘层11设置于半导体衬底10上，导电沟道12设置于绝缘体11上，导电沟道12由石墨烯构成，栅介质层15位于导电通道12上，栅金属16设置于栅介质15上，栅电极侧墙薄膜17位于栅电极16两侧；源电极13和漏电极14分别设置于导电通道12的两侧。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种石墨烯场效应晶体管的制造方法，包括：
提供绝缘衬底；
在所述绝缘衬底上形成石墨烯导电层；
在所述石墨烯导电层上沉积一栅介质层；
在所述栅介质层上，形成栅电极；
在上述制备的器件上沉积栅极侧墙薄膜，进行无掩膜各向异性刻蚀，在所述栅电极两侧形成栅极侧墙，所述栅电极和栅极侧墙以外区域暴露出栅介质层；
以带有所述栅极侧墙的栅电极作为掩膜，对所述栅介质层进行腐蚀，去除不被所述栅电极覆盖的栅介质；
在上述制备的器件上形成金属层，并形成源电极和漏电极，所述源电极、漏电极与所述栅电极形成自对准结构；
腐蚀所述栅极侧墙，使得所述栅电极与源电极、所述栅电极与漏电极之间形成空气隙结构。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述绝缘衬底由SiO2、SiC、BN、Al2O3、DLC中的一种或两种以上组成。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述石墨烯导电层通过机械剥离、CVD生长转移或直接外延在衬底上形成，所述石墨烯导电层的层数为1～3层。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述栅介质层通过两步工艺形成：
在所述石墨烯导电层上形成一层栅介质种子层；
在所述栅介质种子层上形成栅介质。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述栅介质种子层选用易氧化的活泼金属，通过氧化的方法形成一薄层的氧化物种子层；或者采用有机物做栅介质沉积的种子层。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述栅介质种子层选用铝或钇通过氧化的方法形成一薄层的氧化物种子层。
7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述栅介质种子层选用苯并环丁烯做栅介质沉积的种子层。
8.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述栅介质层采用SiO2、Si3N4或金属氧化物层来制备。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述栅介质层采用氧化铝、氧化锆、氧化铪或氧化钛来制备。
10.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述栅介质层通过物理气相沉积、化学气相沉积或原子层气相沉积形成。
11.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述栅极侧墙薄膜采用Si3N4、SiO2或Al2O3来制备；以及
所述栅极侧墙薄膜生长是利用LPCVD或PECVD实现的。
12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述栅极侧墙薄膜采用各向异性的干法进行刻蚀；并且，在对用于形成栅极侧墙的薄膜进行干法刻蚀时，需同时保证栅介质层不被刻蚀。
13.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述刻蚀栅极侧墙薄膜所用设备为RIE反应离子刻蚀机或ICP电感耦合等离子体刻蚀机。
14.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述源电极和漏电极金属层的厚度小于所述栅电极金属层的厚度。
15.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述栅极侧墙的去除采用湿法腐蚀工艺，并且在所述栅极侧墙腐蚀的同时，要保证所述栅介质和金属电极不被腐蚀。
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