CN105895704A - 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，该制造方法包括：提供高掺的Si衬底；形成绝缘层；制备背接触源漏电极；将石墨烯转移到已经形成的源、漏图形上，从而形成悬浮的石墨烯沟道；利用光刻技术及刻蚀工艺对石墨烯进行图形化；制备顶接触源漏电极；制备栅介质及栅电极，最终形成基于石墨烯沟道材料的双栅双接触空气隙场效应晶体管。本发明采用双接触电极结构，减小了金属与石墨烯的接触电阻。且由于底层接触电极的引入，使得转移的石墨烯沟道区处于悬浮状态，减弱衬底对沟道区石墨烯的散射，增大石墨烯的迁移率。
Description
技术领域
本发明属于微电子与固体电子领域，涉及石墨烯FET器件制备的技术领域，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
以碳材料为基的纳米电子学，尤其是石墨烯(Graphene)材料，由于其较高的载流子迁移率和饱和速度，被认为是可替代硅的下一代集成电路新材料。在石墨烯FET器件的发展过程中，寄生电阻，包括石墨烯与金属的接触电阻及通路区电阻成为阻碍晶体管性能提高的重要因素。另外衬底散射也是制约石墨烯载流子迁移率实验值提高的重要因素。如何减小寄生电阻和衬底散射、提高器件特性是目前迫切需要解决的技术问题。
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，以解决上述技术问题中的至少之一。
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：
提供硅衬底；
在所述硅衬底上形成一绝缘层；
在所述绝缘层上制备背接触源、漏电极；
将石墨烯转移到已经形成的源、漏图形上，从而形成悬浮石墨烯沟道；
对所述石墨烯沟道进行图形化；
在所述石墨烯上制备顶接触源、漏电极；
在所述石墨烯上制备栅介质及栅电极，最终形成基于石墨烯沟道材料的双栅双接触空气隙场效应晶体管。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种根据如上所述制造方法制备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)通过采用背接触与顶接触的双电极结构，减小了金属石墨烯的接触电阻；另外，接触区的石墨烯宽度大于沟道区，也减小了接触电阻在总电阻中的比重；
(2)设计背接触电极相对顶接触电极稍稍向沟道区延伸，减小了栅与接触电极之间的距离，从而可以减小器件的通路区寄生电阻，甚至可以实现无通路区寄生电阻；
(3)因为背接触电极的引入，使得转移后的石墨烯沟道区处于悬浮状态，不与衬底直接接触，这样可以减小衬底对石墨烯沟道的散射等作用，提高沟道石墨烯的迁移率，进一步提升器件的性能；
(4)可以有效提高石墨烯晶体管的电学性能，而且具有低的工艺成本。
附图说明
图1至图6是根据本发明一实施例的双栅双接触空气隙石墨烯场效应晶体管的制造方法的逐步工艺的侧视图和俯视图。
其中，附图标记含义如下：半导体衬底10、绝缘层11、背接触电极12、导电通道13、顶部源漏接触电极14、栅介质15及栅电极16。
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法，通过背接触电极的引入得到了悬浮的石墨烯沟道，同时顶部接触与底部接触的双接触结构也减小了金属石墨烯的接触电阻。同时在本发明中，石墨烯的图形化使得接触区的石墨烯宽度大于沟道区的石墨烯宽度，在减小接触电阻的同时，提高了栅对整个沟道电阻的调控作用。
更具体地，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：
提供Si衬底；
在该Si衬底上形成一绝缘层；
在该绝缘层上制备背接触源、漏电极；
通过转移的方式在已经形成的源、漏图形上形成一石墨烯层，从而形成悬浮的石墨烯沟道；
利用光刻技术及刻蚀工艺对该石墨烯层进行图形化；
在该石墨烯层上制备顶接触源、漏电极；
在该石墨烯层上制备栅介质及顶栅电极，最终形成基于石墨烯沟道材料的双栅双接触空气隙场效应晶体管。
上述方案中，衬底为重掺杂的Si衬底，掺杂浓度大于1019cm-3。
上述方案中，衬底上形成的绝缘层可以采用SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2、BN、SiC等中的一种或多种来制备。
上述方案中，背接触电极的金属石墨烯接触面积稍大于顶部接触电极的面积，背接触相对顶接触电极，向沟道区轻微延伸，例如向沟道区延伸0.1～0.5μm。其中，延伸的部分接触是为了减小通路区的寄生电阻。
上述方案中，石墨烯层可以是机械剥离或CVD生长得到并转移到已形成背接触电极的衬底上的，石墨烯层数为1～3层。
上述方案中，利用光刻技术及刻蚀工艺图形化石墨烯，使得接触区的石墨烯片的宽度大于沟道区石墨烯的宽度，目的是减小接触电阻，增加器件的跨导。同时，图形化的石墨烯要保证接触区域的面积小于底部接触电极的面积，这是为了使顶部与底部接触电极相连而设定。
上述方案中，栅介质采用高K介质，通过原子层沉积得到，可以为Si3N4、Al2O3、HfO2、TiO2或Y2O3等中的一种或多种。
上述方案中，栅介质沉积需要预先淀积缓冲层，以得到均匀致密的栅介质。缓冲层可以采用电子束蒸发或热蒸发的Al自然氧化成Al2O3或者有机种子层PVA(聚乙烯基乙醇)或BCB(苯并环丁烯有机介质层)。
本发明还公开了一种根据上述制备方法制备的石墨烯场效应晶体管。
图1至图6示出了作为本发明一优选实施例的双栅双接触空气隙石墨烯场效应晶体管的制备方法的工艺流程图。
在本实施例中，以重掺杂的硅作为半导体衬底，二氧化硅作为绝缘层，背接触电极采用金属Pd，顶部接触电极及栅电极采用Pd/Au。栅介质采用自然氧化的铝作为种子层，原子层沉积氧化铝作为高K栅介质。该方法具体包括以下步骤：
步骤1：采用高掺的硅衬底10，在其上生长绝缘层二氧化硅11，如图1所示。背接触源漏电极12制备：涂覆光刻胶AZ5214，经过曝光显影后定义源、漏区图形，利用电子束蒸发及剥离工艺得到源、漏电极金属。该金属层采用金属Pd，顶层金属Pd厚度选择为50nm，如图2所示。
步骤2：CVD生长的石墨烯转移到已形成源、漏图形的衬底上，这时两电极之间的石墨烯13处于悬浮状态，如图3所示。
步骤3：利用光刻技术及刻蚀工艺图形化石墨烯，使得接触区的石墨烯片的宽度大于沟道区石墨烯的宽度。且接触区石墨烯面积小于背电极面积，方便顶部接触电极与背接触电极的连接。
步骤4：顶部接触电极制备：涂覆光刻胶AZ5214，经过曝光显影后定义源、漏区图形，利用电子束蒸发及剥离工艺得到源、漏电极金属。该金属层采用金属Pd/Au，底层金属Pd厚度选择为20nm，顶层金属Au为100nm，如图4所示。
步骤5：电子束蒸发1nm Al，自然氧化作为种子层，紧接着原子层沉积高K介质Al2O3 10nm作为栅介质，如图5所示。
步骤6：制备栅金属，如图6所示。
通过上述实施例可以看出，本发明采用双接触电极结构，减小了金属与石墨烯的接触电阻；且由于底层电极的引入，使得转移的石墨烯沟道区处于悬浮状态，减弱衬底对沟道区石墨烯的散射。另外，由于底部接触电极向沟道区延伸，所以减小了栅与接触电极之间的距离，甚至可以实现无通路区寄生电阻。该方法可以有效提高石墨烯晶体管的电学性能，而且具有低的工艺成本。
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 (10)
1.一种石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供硅衬底；
在所述硅衬底上形成一绝缘层；
在所述绝缘层上制备背接触源、漏电极；
将石墨烯转移到已经形成的源、漏图形上，从而形成悬浮的石墨烯沟道；
对所述石墨烯沟道进行图形化；
在所述石墨烯上制备顶接触源、漏电极；
在所述石墨烯上制备栅介质及栅电极，最终形成基于石墨烯沟道材料的双栅双接触空气隙场效应晶体管。
2.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述衬底为重掺杂的Si衬底，掺杂浓度大于1019cm-3。
3.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述绝缘层采用SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2、BN、SiC中的一种或多种来制备。
4.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述背接触电极相对于所述顶接触电极，向沟道区延伸0.1～0.5μm。
5.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述石墨烯层由机械剥离或CVD生长得到，并转移到已经形成背接触电极的衬底上，所述石墨烯层的层数为1～3层。
6.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述对石墨烯沟道进行图形化的步骤中，使得接触区的石墨烯片的宽度大于沟道区石墨烯的宽度，同时图形化的石墨烯要保证接触区域石墨烯的面积小于底部接触电极的面积。
7.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述栅介质采用高K介质，通过原子层沉积得到，所述高K介质为Si3N4、Al2O3、HfO2、TiO2或Y2O3中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述栅介质的沉积步骤中，需要预先淀积缓冲层，以得到均匀致密的栅介质。
9.根据权利要求8所述的石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述缓冲层采用电子束蒸发或热蒸发的Al自然氧化成Al2O3或有机种子层聚乙烯基乙醇PVA或苯并环丁烯BCB有机介质层。
10.一种根据权利要求1至9任一项所述的制造方法制备的石墨烯场效应晶体管。
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