CN107437505B - 制造石墨烯场效晶体管的方法 - Google Patents

制造石墨烯场效晶体管的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种制造独立双栅极石墨烯场效晶体管的方法，包括：在硅基板上形成硅化锗外延层；将碳离子注入所述硅基板；热退火以直接合成碳化硅沉淀物，其中，所述碳化硅的晶格与所述硅化锗的晶格对齐；在所述碳化硅表面选择性生长石墨烯；在所述石墨烯上形成一介电层并进行图案化，其中，所述图案化的图案宽度小于10nm；以及在所述石墨烯上形成源极与漏极，并在所述介电层上形成栅极；避免因转移石墨烯所导致的损害，并且由此制造的石墨烯场效晶体管能够维持石墨烯的高硬度、高导热系数、高电子迁移率、低电阻等优异特性，并达到小尺寸、高速度、低能耗、低产热的产品性能。

Description

制造石墨烯场效晶体管的方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯场效晶体管的制备方法，特别涉及一种独立双闸极石墨烯场效晶体管的制备方法。
背景技术
石墨烯的碳原子排列呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)，为单层二维晶体，几乎透明，且具有高硬度、高导热系数、高电子迁移率、低电阻等特性。石墨烯具有取代硅作为晶体管材料的潜力，使其达到小尺寸、高速度、低能耗、低产热等目的。
已知的制备石墨烯的主要方法包括：热分解法及化学气相沉积法(chemicalvapor deposition，CVD)。热分解法是以单晶碳化硅(SiC)为材料，价格昂贵，且此方法容易形成岛状分布的石墨烯，难以制备大面积且具单一厚度的石墨烯。
目前业界较常采用化学气相沉积法。化学气相沉积法是将金属基板(如镍)置于前驱物(如甲烷、乙烯等)氛围中，藉由高温退火将碳原子沉积于基板表面形成石墨烯，接着蚀刻去除金属基板而获得石墨烯片。化学气相沉积法能够获得较大面积的石墨烯，并可有效控石墨烯的生长；然而，由于与金属基板的交互作用，会导致石墨烯部分特性丧失，且连续性较差，易生成皱褶或裂痕。接着，必须将石墨烯转移至合适的基板上才能制备晶体管。
目前已知的制程为，在硅基板上形成二氧化硅层，在该二氧化硅层上形成催化金属层，在该催化金属层上形成石墨烯层，接着进行转移。为了在转移步骤中保护石墨烯层，在其上涂布聚合物。剥离硅基板及二氧化硅层，以化学蚀刻移除催化金属层，接着，以溶剂移除保护用聚合物，再以另一基板承接石墨烯，完成转移步骤。再进行后续晶体管制备程序。
在已知的制程中，转移步骤会损害与污染石墨烯结构，特别是对于在化学安定性高的金属上形成的石墨烯，由于两者的交互作用，转移步骤会使石墨烯的优异特性丧失，从而影响后续晶体管之性能。
已知的石墨烯场效晶体管结构请参照图1A至图1C。图1A为背部栅极(back-gate)场效晶体管1，依次包括背部栅极11、硅基板12、二氧化硅层13、石墨烯层14以及源极15、漏极16。图1B为顶部栅极(top-gate)场效晶体管2，具有石墨烯通道，其为片状剥离的石墨烯(exfoliated graphene)、或为金属上生长并转移至表面覆盖二氧化硅的硅晶圆上的石墨烯，依次包括：背部栅极21、硅基板22、二氧化硅层23、石墨烯层24、源极25、漏极26、顶部栅极28，以及位于顶部栅极28与石墨烯层24之间的二氧化硅层27。图1C为顶部栅极场效晶体管3，具有外延石墨烯通道(epitaxial-graphene channel)，依次包括：碳化硅层31、二氧化硅层33、石墨烯层34、源极35、漏极36、顶部栅极38，以及位于顶部栅极38与石墨烯层34之间的二氧化硅层37。
据此，对于石墨烯晶体管的制程仍有其需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制造独立双栅极石墨烯场效晶体管的方法，可在基板上直接形成石墨烯层，避免因转移步骤所导致的损害。
本发明的技术方案是一种制造独立双栅极石墨烯场效晶体管的方法，包括：
在硅基板上形成硅化锗外延层；
将碳离子注入所述硅化锗外延层中；
热退火以直接合成碳化硅沉淀物，其中，所述碳化硅的晶格与所述硅化锗的晶格一致；
在所述碳化硅表面选择性生长石墨烯；
在所述石墨烯上形成一介电层并进行图案化，其中，所述图案化的图案宽度小于10nm；以及
在所述石墨烯上形成源极与漏极，并在所述介电层上形成栅极。
进一步的，在所述硅化锗外延层形成后，进行光刻胶涂布及图案化。
进一步的，所述碳离子注入是在400℃-600℃的温度下进行。
进一步的，所述碳离子注入是在所述硅化锗外延层表面区域获得碳尖峰。
进一步的，所述碳化硅沉淀物为β-SiC。
进一步的，所述选择性生长石墨烯的步骤是形成单层或多层石墨烯。
进一步的，所述选择性生长石墨烯的步骤是形成分离生长的石墨烯带。
进一步的，所述石墨烯带具有超过300meV的能隙。
本发明提供的制造独立双栅极石墨烯场效晶体管的方法，可在基板上直接形成石墨烯层，避免因转移步骤所导致的损害；本发明的石墨烯场效晶体管能够维持石墨烯的高硬度、高导热系数、高电子迁移率、低电阻等优异特性，并达到小尺寸、高速度、低能耗、低产热的产品性能。
附图说明
图1A至1C为现有的石墨烯场效晶体管结构示意图。
图2为本发明一实施例所提供的独立双栅极石墨烯场效晶体管结构。
图3A至3F为本发明一实施例所提供的制备独立双栅极石墨烯场效晶体管结构的步骤示意图。
附图标记
4 石墨烯场效应晶体管
41 硅基板
42 硅化锗外延层
43 碳化硅层
44 石墨烯层
45 介电层
46 源极
47 漏极
48 金属栅极
49 碳离子注入区域
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的方法进行更详细的描述，其中列举了本发明的较佳实施例，应理解本发明领域的技术人员可以对此处描述的本发明进行修改，而仍然实现本发明的有益效果。因此，下列描述应该被理解为对于本领域技术人员的广泛认知，而并非作为对本发明的限制。
为了清楚的描述实际实施例的全部特征，在下列描述中，不详细描述众所周知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域普通技术人员来说仅仅是常规工作。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面的说明和申请专利范围，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图2所示，在本实施例中，本发明的独立双栅极石墨烯场效晶体管结构4包括：硅基板41(即背栅极)、硅化锗外延层42、碳化硅层43、石墨烯层44、介电层45、源极46、漏极47、以及金属栅极48(即前栅极)。
依据本发明的一实施例，制备双栅极石墨烯场效晶体管结构的步骤，请参考图3A至3F所示。
参照图3A，提供一硅基板41，例如硅晶圆。参照图3B，在所述硅基板41上形成一硅化锗(SiGe)外延层42，接着清洁该基板。根据需要，可对该基板进行光刻胶涂布及图案化步骤。
参照图3C，进行碳热离子注入步骤，在所述SiGe外延层42上形成碳离子注入区域49。在一实施例中，所述碳离子注入区域49的宽度为4nm-12nm；在较佳实施例中，该碳离子注入区域49的宽度为6nm-8nm。碳离子注入可在1KeV-100KeV，离子剂量1×1015离子/cm2至1×1018离子/cm2，在温度400℃-600℃下进行。接着，可去除光刻胶(photoresist strip)。进行快速热退火(rapid thermal annealing，RTA)步骤，条件为温度400℃-1200℃，处理1秒-1000秒，形成碳化硅沉淀物，所述碳化硅的晶格与所述硅化锗的晶格一致，在一实施例中，所述碳化硅沉淀物为β-SiC。
参照图3D，在所述碳离子注入区域49上选择性生长石墨烯层44。在实施例中，所述石墨烯层44是在600℃-1500℃下，以甲烷(CH4)为前驱物，并在氩气或氢气的氛围下形成。所述石墨烯层44可为单层或多层。所述石墨烯层44可为分离生长的石墨烯带，所述石墨烯带具有较大能隙，例如，所述能隙可超过300meV。
参照图3E，以原子层沉积(atomic layerdeposition，ALD)进行介电材料沉积，并进行图案化，以形成介电层45。所述介电层为高k介电层(high k dielectric layer)。
参照图3F，形成源极46、漏极47及金属栅极48(即前栅极)，所述源极46与所述漏极47是形成在所述石墨烯层44上并以所述介电层45分隔，所述金属栅极48形成在所述介电层45上，所述双栅极藉由栅极介电层与通道材料隔离。
依据本发明所述的独立双栅极石墨烯场效晶体管，可在基板上直接形成石墨烯层，避免因转移步骤所导致的损害。本发明的石墨烯场效晶体管能够维持石墨烯的高硬度、高导热系数、高电子迁移率、低电阻等优异特性，并达到小尺寸、高速度、低能耗、低产热的产品性能。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种制造独立双栅极石墨烯场效晶体管的方法，包括：
在硅基板上形成硅化锗外延层；
将碳离子注入所述硅化锗外延层中；
热退火以直接合成碳化硅沉淀物，其中，所述碳化硅的晶格与所述硅化锗的晶格一致；
在所述碳化硅表面选择性生长石墨烯；
在所述石墨烯上形成一介电层并进行图案化，其中，所述图案化的图案宽度小于10nm；以及
在所述石墨烯上形成源极与漏极，并在所述介电层上形成栅极。
2.如权利要求1所述的制造独立双栅极石墨烯场效晶体管的方法，其特征在于，在所述硅化锗外延层形成后，进行光刻胶涂布及图案化。
3.如权利要求1所述的制造独立双栅极石墨烯场效晶体管的方法，其特征在于，所述碳离子注入是在400℃-600℃的温度下进行。
4.如权利要求1所述的制造独立双栅极石墨烯场效晶体管的方法，其特征在于，所述碳离子注入是在所述硅化锗外延层表面区域获得碳尖峰。
5.如权利要求1所述的制造独立双栅极石墨烯场效晶体管的方法，其特征在于，所述碳化硅沉淀物为β-SiC。
6.如权利要求1所述的制造独立双栅极石墨烯场效晶体管的方法，其特征在于，所述选择性生长石墨烯的步骤是形成单层或多层石墨烯。
7.如权利要求1所述的制造独立双栅极石墨烯场效晶体管的方法，其特征在于，所述选择性生长石墨烯的步骤是形成分离生长的石墨烯带。
8.如权利要求7所述的制造独立双栅极石墨烯场效晶体管的方法，其特征在于，所述石墨烯带具有超过300meV的能隙。
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