CN221081903U - 一种碳基场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种碳基场效应晶体管，本实用新型包括：衬底层，作为背栅电极，并且所述衬底层为支撑材料层；氧化铪层，位于所述衬底层上表面，用作粘附增强层和疏水层；薄膜层，位于所述氧化铪层的上表面，并且所述薄膜层为半导体型碳纳米材料层；源电极和漏电极，位于薄膜层的上表面，并且源电极和漏电极与薄膜层之间存在功函数差时，源电极和漏电极之间的薄膜层中形成导电沟道；栅氧层，位于氧化铪层、源电极、漏电极和导电沟道的上表面，并使得源电极和漏电极的部分上表面露出。本实用新型能够增强碳纳米材料与衬底间的粘附性，并负向调节背栅电极与源电极之间的截止电压。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体设备技术领域，尤其涉及一种碳基场效应晶体管。
背景技术
近年来已有多种纳米材料用于制备场效应晶体管，如碳纳米管、硅纳米线等，其中，半导体型碳纳米材料具有高载流子迁移率、极低的本征电容、易于三维异质集成和超高热导率等一系列特性，是构建新一代快速、低功耗的互补金属氧化物半导体技术的理想沟道材料，能够极大提高场效应晶体管性能。
然而，由于半导体型碳纳米材料与衬底之间的粘附性通常较差，因此半导体型碳纳米材料在制备和使用场效应晶体管的过程中容易从衬底上脱落。同时，传统衬底(如硅和氧化硅等)普遍存在亲水现象，极易吸附水氧，导致场效应晶体管器件的沟道产生p型掺杂，从而使得背栅电极和源电极之间的截止电压(以下简称栅源截止电压)过正，增大了器件的功耗。此外，传统器件加工工艺会对碳基材料造成损伤，碳基器件的制作存在不稳定性。因此，亟需制备一种碳纳米材料不易脱落，并且栅源截止电压较小的碳基场效应晶体管。
实用新型内容
鉴于此，本实用新型实施例提供了一种碳基场效应晶体管，以解决碳纳米材料容易脱落、栅源截止电压过正的问题。
本实用新型的一个方面提供了一种碳基场效应晶体管，包括：
衬底层100，作为背栅电极，并且所述衬底层100为支撑材料层；
氧化铪层200，位于衬底层100上表面，用作粘附增强层和疏水层；
薄膜层300，位于氧化铪层200的上表面，并且薄膜层300为半导体型碳纳米材料层；
源电极410和漏电极420，位于薄膜层300的上表面，并且源电极410和漏电极420与薄膜层300之间存在功函数差时，源电极410和漏电极420之间的薄膜层中形成导电沟道310；
栅氧层500，位于氧化铪层200、导电沟道310、源电极410和漏电极420的上表面，并使得源电极410和漏电极420的部分上表面露出。
在本实用新型的一些实施例中，碳基场效应晶体管还包括：顶栅电极600，位于导电沟道310区域上方的栅氧层500的上表面。
在本实用新型的一些实施例中，氧化铪层200的厚度为20-100nm。
在本实用新型的一些实施例中，薄膜层300部分覆盖氧化铪层200。
在本实用新型的一些实施例中，源电极410和漏电极420的制备金属包括钯、金和钛中的一种或多种。
在本实用新型的一些实施例中，源电极410和漏电极420的厚度都在40nm以上。
在本实用新型的一些实施例中，源电极410和漏电极420的尺寸相同，并且源电极410和漏电极420呈现对称、有间隔的排布。
在本实用新型的一些实施例中，栅氧层500为厚度4-20nm的氧化铪薄膜层。
在本实用新型的一些实施例中，衬底层100和氧化铪层200的长和宽的尺寸相同。
在本实用新型的一些实施例中，顶栅电极600为电导率高于设定阈值的金属材料层。
本实用新型提供的碳基场效应晶体管，能够增强碳纳米材料与衬底层之间的粘附性，并且使得栅源截止电压负向偏移。
本实用新型的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本实用新型的实践而获知。本实用新型的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本实用新型实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本实用新型能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本实用新型的原理。为了便于示出和描述本实用新型的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本实用新型实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
图1为本实用新型一实施例中碳基场效应晶体管的结构示意图。
图2为本实用新型一实施例中双栅碳基场效应晶体管的结构示意图。
图3为本实用新型一实施例中碳纳米管在不同衬底上分布情况的扫描电镜对比图。
图4为本实用新型一实施例中碳纳米管在不同衬底上脱落情况的扫描电镜对比图。
图5为本实用新型一实施例中传统方法制备的氧化铪薄膜作为氧化铪层的碳基场效应晶体管与本实用新型的碳基场效应晶体管的疏水性测试结果散点图。
图6为本实用新型一实施例中传统方法制备的氧化铪薄膜作为氧化铪层的碳基场效应晶体管与本实用新型的碳基场效应晶体管的背栅测试曲线图。
说明书附图标记说明：100-衬底层；200-氧化铪层；300-薄膜层；410-源电极；420-漏电极；500-栅氧层；600-顶栅电极。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本实用新型做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
在下文中，将参考附图描述本实用新型的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
由于直接沉积在传统衬底(如硅片、氧化硅片等)上的碳纳米材料与传统衬底之间的粘附性较弱，因此在碳基场效应晶体管制备和工作的过程中碳纳米材料容易脱落，从而影响碳基场效应晶体管的性能。此外，传统衬底具有亲水性，容易对碳基场效应晶体管造成p型掺杂，导致栅源截止电压过正。
基于此，本实用新型实施例提供了一种碳基场效应晶体管，包括衬底层、氧化铪层、薄膜层、源电极、漏电极和栅氧层。本实用新型通过在衬底层上沉积氧化铪薄膜作为氧化铪层，增强了碳纳米材料对器件的粘附性，提高了背栅器件的栅控效率，并使得栅源截止电压调节到合适范围。
图1为本实用新型一实施例的碳基场效应晶体管的结构示意图，包括：
衬底层100，可作为背栅电极，并且所述衬底层100为支撑材料层；位于衬底层100上表面的、可用作粘附增强层和疏水层的氧化铪层200；位于氧化铪层200上表面的薄膜层300，并且薄膜层300为半导体型碳纳米材料层；位于薄膜层300的上表面的源电极410和漏电极420(即接触电极400)，并且源漏电极与薄膜层之间存在功函数差(即出现金属-半导体功函数差)时，源电极410和漏电极420之间的薄膜层300中形成导电沟道310；位于氧化铪层200、导电沟道310、源电极410和漏电极420的上表面的栅氧层500，并使得源电极410和漏电极420的部分上表面裸露。
作为示例，衬底层100为具有支撑作用的亲水性材料层。例如，可以选用硅、氧化硅、碳化硅、玻璃或蓝宝石等材料形成衬底层。衬底层通常采用直接获取的方式，无需制备。
在本实用新型的一些实施例中，氧化铪层200的厚度为20-100nm。
作为示例，氧化铪层200是利用四(二甲氨基)铪(TDMAH)和纯水分别作为铪源和氧源，在铪源和氧源的脉冲时间比为2:1-10:1的条件下，通过原子层沉积的方式在衬底层100的上表面沉积原子级氧化铪颗粒(粒径在1nm左右)获得20-100nm的第一氧化铪薄膜，将生成的第一氧化铪薄膜作为氧化铪层200，并且生成的第一氧化铪薄膜不宜太薄，以防漏电。
需要说明的是，本实用新型生成的氧化铪薄膜与现有技术中制备的氧化铪薄膜(铪源和氧源的脉冲时间比一般为1:2)不同，现有技术中氧化铪薄膜通常起到绝缘的作用，本实用新型生成的氧化铪薄膜能够使亲水衬底变为疏水衬底，同时负向偏移栅源截止电压。
在本实用新型的一些实施例中，衬底层100和氧化铪层200的长、宽的尺寸相同。
在本实用新型的一些实施例中，薄膜层300部分覆盖氧化铪层200。
薄膜层300是通过半导体型碳纳米材料沉积制成的。例如，在氧化铪层200的上表面通过电泳沉积法、干法转移法、湿法转移法、化学气相沉积法或电弧法等沉积半导体型碳纳米材料生成薄膜层300，薄膜层的厚度控制在1-5nm。
半导体型碳纳米材料包括：碳纳米管、碳纳米线和石墨烯等。
作为示例，从碳解决方案公司(Carbon Solutions Inc.)获取碳纳米管，利用聚[9-(1-辛基千基)-9H-咔唑]作为分散剂制备碳纳米管溶液，并利用碳纳米管溶液在氧化铪层200上形成薄膜层300。由于碳纳米管和氧化铪薄膜表面存在大量有机物基团，因此薄膜层300和氧化铪层200可通过分子间作用力(如氢键、硫键等)或生成共价键，使得薄膜层固定在碳基场效应晶体管器件上。
在本实用新型的一些实施例中，源电极410和漏电极420的尺寸相同，并且源电极410和漏电极420呈现对称、有间隔的排布。
在本实用新型的一些实施例中，源电极410和漏电极420的制备金属包括钯、金和钛中的一种或多种。
在本实用新型的一些实施例中，源电极410和漏电极420的厚度控制在40nm以上。
作为示例，可以利用电子束蒸镀的方式在薄膜层300上表面形成钯金属层，再在钯金属层的上表面通过电子束蒸镀的方式形成金金属层，从而获得源电极410或漏电极420，其中钯作为接触金属，金起到引线的作用。钯金属层和金金属层的厚度都在20nm以上，因此源电极和漏电极的厚度都在40nm以上；或者，可以通过电子束蒸镀的方式在薄膜层300的上表面依次形成钛金属层、钯金属层和金金属层。
作为示例，在氧化铪层上沉积半导体型碳纳米材料，形成预薄膜层(预薄膜层的长、宽尺寸和衬底层相同)；利用匀胶工艺和光刻显影工艺在预薄膜层上表面曝光出相应图形(预源电极和预漏电极的预设区域)，并使用电子束蒸镀的方式制备预源电极和预漏电极，去除多余光刻胶；再次利用匀胶工艺和光刻显影工艺曝光出相应图形，使用第一刻蚀气体对预薄膜层、预源电极和预漏电极进行干法刻蚀，并去除多余光刻胶，获得薄膜层300、源电极410和漏电极420；其中，第一刻蚀气体为氧气，刻蚀功率为40-80W，刻蚀时间为40-60s，第一刻蚀气体的流量为20标准毫升/分钟。
在本实用新型的一些实施例中，栅氧层500为厚度4-20nm的氧化铪薄膜层。
在氧化铪层200、导电沟道310和接触电极400的上表面通过原子层沉积获得的氧化铪薄膜作为栅氧层500，并使得源电极410和漏电极420的部分上表面裸露用于连接引线。
作为示例，采用原子层沉积的方式在整个晶圆的上表面沉积氧化铪得到厚度为4-20nm的第二氧化铪薄膜；经过匀胶工艺和光刻显影工艺曝光出相应图形(即源电极和漏电极的预设暴露区域)，利用第二刻蚀气体对第二氧化铪薄膜进行干法刻蚀，刻蚀出有源区，使得源电极410和漏电极420的部分上表面裸露，并去除多余光刻胶，获得栅氧层500。其中，第二刻蚀气体为Ar2、CF4和SF6组成的混合气，气体比例为1:5:2，刻蚀功率为180W，刻蚀时间为200s。
作为示例，干法刻蚀包括：感应耦合等离子体刻蚀(Inductively CoupledPlasma，ICP)、反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)和电子回旋共振(ElectronCyclotron Resonance，ECR)等离子体刻蚀等方式。
本实用新型的碳基场效应晶体管除背栅器件外，还可作为双栅器件，双栅碳基场效应晶体管的结构如图2所示。该双栅器件能够有效抑制短沟道效应，增强栅控能力。
在本实用新型的一些实施例中，碳基场效应晶体管还包括：顶栅电极600，位于导电沟道310区域上方的栅氧层500的上表面。
在本实用新型的一些实施例中，顶栅电极600为电导率高于设定阈值的金属材料层。
更具体地，顶栅电极600通常由导电稳定的金属制成的，厚度控制在20-200nm。例如，采用钛、钯、金及其合金中的一种或多种作为顶栅电极600的制备材料。
作为示例，顶栅电极600的制备步骤包括：利用匀胶工艺和光刻显影工艺在栅氧层500和接触电极400上表面曝光出相应图形(即顶栅电极的预设区域)，采用电子束蒸镀的方式在导电沟道区域上方的栅氧层的上表面依次沉积钛和金制备顶栅电极，并去除多余光刻胶。
作为示例，在匀胶过程中匀胶机在晶圆上表面旋涂厚度为1-2μm的光刻胶，光刻胶可选用LOR 3A或S1813型号；通过揭开-剥离(lift-off)工艺去除多余光刻胶，过程中可选用N-甲基吡咯烷酮基溶液(即remover PG溶液)、氢氟酸或缓冲刻蚀物氧化液等作为去胶剂去除光刻胶。
上述过程中提及的碳基场效应晶体管各部件的制备过程仅为示例，本实用新型并不限于此。例如，可用磁控溅射代替电子束蒸镀的方式。
在一具体实施例中，本实用新型的碳基场效应晶体管结构的衬底(包括衬底层，氧化硅片和氧化铪层，氧化铪薄膜)与传统氧化硅衬底(不包括氧化铪层)关于碳纳米材料粘附性的对比结果如下：
图3为相同扫描条件下，碳纳米管在不同衬底上分布情况的扫描电镜对比图。图3中(a)为氧化硅衬底上碳纳米管的密度，为35根/μm2；图3中(b)为本实用新型的碳基场效应晶体管的衬底上碳纳米管的密度，为38根/μm2。由图3可知，本实用新型的碳基场效应晶体管的薄膜层包括较多的碳纳米管。
图4为相同扫描条件下，碳纳米管在不同衬底上脱落情况的扫描电镜对比图。图4中(a)为氧化硅衬底上的碳基场效应晶体管的碳纳米管脱落情况，图4中(b)为本实用新型的碳基场效应晶体管的碳纳米管脱落情况。由图4可知，本实用新型的碳基场效应晶体管中的碳纳米管粘附性更高。
在一具体实施例中，本实用新型的碳基场效应晶体管与传统方法制备的氧化铪薄膜作为氧化铪层的碳基场效应晶体管的对比结果如下：
1、疏水性测试
传统方法制备的氧化铪薄膜作为氧化铪层的碳基场效应晶体管与本实用新型的碳基场效应晶体管的疏水性测试结果如图5所示，其中，一号样品为本实用新型在铪源和氧源的脉冲时间比为5:1时制备的氧化铪薄膜，二号样品为铪源和氧源的脉冲时间比为1:2时制备的氧化铪薄膜。亲疏水角测试结果显示一号样品的疏水性更强。
2、背栅测试情况
图6为利用一号样品和二号样品分别加工的碳基场效应晶体管的栅源截止电压Vgs(off)测试情况。测试条件为：源电极电压为0V，漏电极电压为-0.1V，背栅电极施加电压为-2-2V，速率为0.02V/s。图6中(a)为传统方法制备的氧化铪薄膜作为氧化铪层的碳基场效应晶体管进行背栅测试的结果，栅源截止电压在1.5V左右；图6中(b)为本实用新型的碳基场效应晶体管进行背栅测试的结果，栅源截止电压在0.5V附近。相比而言，本实用新型的碳基场效应晶体管的栅源截止电压在0V附近，具有更合适的栅源截止电压。
相比于现有技术，本实用新型提出的碳基场效应晶体管的技术方案具有以下优点：
1、传统的硅片或氧化硅等衬底与碳纳米材料之间仅存在少部分氢键，而本实用新型在衬底层上生长的氧化铪薄膜表面存在大量的有机物基团，如羟基、羰基等，有利于碳纳米材料键合，从而提高碳纳米材料在碳基场效应晶体管器件中的粘附性。
2、亲水性衬底容易吸附环境中的水氧，对沟道产生p型掺杂，从而导致器件栅源截止电压过正，相比于硅片、氧化硅片等衬底来说，本实用新型生成的氧化铪薄膜具有一定的疏水性，同时由于铪-氧键为极性键，在外加电场的作用下，由于偶极子的存在使得介质表面生成与施加电压符号相反的电荷，从而对碳基场效应晶体管器件的栅源截止电压进行负向调节，使其更接近0V，更容易关闭器件。
本实用新型中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型实施例可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种碳基场效应晶体管，其特征在于，包括：
衬底层，作为背栅电极，并且所述衬底层为支撑材料层；
氧化铪层，位于所述衬底层上表面，用作粘附增强层和疏水层；
薄膜层，位于所述氧化铪层的上表面，并且所述薄膜层为半导体型碳纳米材料层；
源电极和漏电极，位于薄膜层的上表面，并且源电极和漏电极与薄膜层之间存在功函数差时，源电极和漏电极之间的薄膜层中形成导电沟道；
栅氧层，位于氧化铪层、导电沟道、源电极和漏电极的上表面，并使得源电极和漏电极的部分上表面露出。
2.根据权利要求1所述的碳基场效应晶体管，其特征在于，所述碳基场效应晶体管还包括：顶栅电极，位于导电沟道区域上方的栅氧层的上表面。
3.根据权利要求1所述的碳基场效应晶体管，其特征在于，所述氧化铪层的厚度为20-100nm。
4.根据权利要求1所述的碳基场效应晶体管，其特征在于，所述薄膜层部分覆盖氧化铪层。
5.根据权利要求1所述的碳基场效应晶体管，其特征在于，所述源电极和漏电极的厚度都在40nm以上。
6.根据权利要求5所述的碳基场效应晶体管，其特征在于，所述源电极和漏电极的尺寸相同，并且所述源电极和漏电极呈现对称、有间隔的排布。
7.根据权利要求1所述的碳基场效应晶体管，其特征在于，所述栅氧层为厚度4-20nm的氧化铪薄膜层。
8.根据权利要求1所述的碳基场效应晶体管，其特征在于，所述衬底层和氧化铪层的长和宽的尺寸相同。
9.根据权利要求2所述的碳基场效应晶体管，其特征在于，所述顶栅电极为电导率高于设定阈值的金属材料层。
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|---|---|---|---|
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