CN103745994A - 采用石墨烯的场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用石墨烯的场效应晶体管及其制备方法。所述采用石墨烯的场效应晶体管包括：衬底、金属源极、金属漏极、石墨烯沟道层、底栅、顶栅、以及顶栅电极。在制备底栅和顶栅的步骤中利用原子层沉积工艺并借助其侧向导入前驱体的特性，在所述石墨烯沟道层的两个表面同时形成底栅和顶栅，所述底栅设置在所述石墨烯沟道层、衬底、金属源极和金属漏极限定而成的空间内，并与所述石墨烯沟道层的表面贴合，所述顶栅设置在与石墨烯沟道层设置底栅的表面相对的另一表面上。本发明的优点在于，巧妙了的利用了原子层沉积工艺的侧向导入前驱体的特性，在已经生长了石墨烯沟道层的前提下，仍然可以采用简单的工艺同时获得底栅和顶栅。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件领域，尤其涉及一种采用石墨烯的场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。利用尺寸不断减小的硅基半导体材料（硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽）来延长摩尔定律的发展道路已逐渐接近终点。随着微电子领域器件尺寸的不断减小，硅材料逐渐接近其加工的极限。
为延长摩尔定律的寿命，国际半导体工业界纷纷提出超越硅技术，其中最有希望的石墨烯应运而生。石墨烯作为一种新型的二维六方蜂巢结构碳原子晶体，自从2004年被发现以来，在全世界引起了广泛的关注。
石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，在二维平面上每个碳原子以sp2杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个σ键，剩余的一个p电子轨邀垂直于石墨烯平面，与周围原子形成π键，碳原子问相互围成正六边形的平面蜂窝形结构，这样在同一原子面上只有两种空间位置相异的原子。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，还具有独特的电学性质。石墨烯是零带隙材料，其电子的有效质量为零，其理论电子迁移率高达200000 cm2/Vs，实验测得迁移率也超过15000 cm2/Vs，是商业硅片中电子迁移率的10倍，并具有常温整数量子霍尔效应等新奇的物理性质，是作为场效应管的沟道的理想材料，正是其优异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，并有可能完全取代硅成为新一代的主流半导体材料。
现有的方法制备石墨烯双栅场效应管，无法同时制备底栅和顶栅的介质层，工艺步骤的繁琐势必会对石墨烯电学性能产生不利影响。因此，如何高效、可控地在石墨烯上下表面同时制备栅介质是现有技术亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用石墨烯的场效应晶体管及其制备方法，能够高效、可控地在石墨烯上下表面同时制备栅介质。
为了解决上述问题，本发明提供了一种采用石墨烯的场效应晶体管，包括：衬底；金属源极和金属漏极，所述金属源极和金属漏极设置在所述衬底表面，两者之间具有一间隙；石墨烯沟道层，所述石墨烯沟道层搭接在金属源极和金属漏极之间的间隙处；底栅，所述底栅设置在所述石墨烯沟道层、衬底、金属源极和金属漏极限定而成的空间内，并与所述石墨烯沟道层的表面贴合；顶栅，设置在与石墨烯沟道层设置底栅的表面相对的另一表面上；顶栅电极，设置在顶栅表面上。
可选的，所述顶栅和底栅采用高介电常数材料。
可选的，所述顶栅和底栅的材料各自独立地选自于Al2O3、HfO2、La2O5，AlN中的任意一种。
可选的，所述金属源极、金属漏极以及顶栅电极的材料各自独立地选自于Ti、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Co及其合金中的任意一种。
本发明进一步提供了一种采用石墨烯的场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：提供衬底；在所述衬底表面形成金属源极和金属漏极，所述金属源极和金属漏极之间具有一间隙；在所述金属源极和金属漏极之间的间隙处形成搭接的石墨烯沟道层；对所述石墨烯沟道层、金属源极和金属漏极实施退火，以使石墨烯沟道层和金属源极、以及石墨烯沟道层和金属漏极之间形成欧姆接触；图形化石墨烯沟道层，仅保留在所述金属源极和金属漏极之间的搭接部分，作为场效应晶体管的导电沟道；功能化石墨烯沟道层；利用原子层沉积工艺并借助其侧向导入前驱体的特性，在所述石墨烯沟道层的两个表面同时形成底栅和顶栅，所述底栅设置在所述石墨烯沟道层、衬底、金属源极和金属漏极限定而成的空间内，并与所述石墨烯沟道层的表面贴合，所述顶栅设置在与石墨烯沟道层设置底栅的表面相对的另一表面上；在所述顶栅的表面形成顶栅电极。
可选的，所述形成金属源极和金属漏极的工艺，以及形成顶栅电极的工艺进一步是采用反转胶剥离方法形成的。
可选的，所述退火步骤进一步是在真空环境或惰性气氛保护下，将所述石墨烯沟道层、金属源极和金属漏极加热至300-500℃之间，并保温5分钟至60分钟，从而使石墨烯沟道层和金属源极、以及石墨烯沟道层和金属漏极之间形成欧姆接触。
可选的，所述功能化石墨烯沟道层的步骤的功能化方法具体选自于有机物旋涂、金属沉积、等离子体处理中的任意一种。
本发明的优点在于，巧妙了的利用了原子层沉积工艺的侧向导入前驱体的特性，在已经生长了石墨烯沟道层的前提下，仍然可以在石墨烯沟道层一侧的狭小空间内获得底栅，并且底栅和顶栅在同一步骤中形成，工艺相对简单。
附图说明
附图1是本发明具体实施方式的步骤流程图。
附图2A至附图2F是附图1所示步骤的工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的采用石墨烯的场效应晶体管及其制备方法的具体实施方式做详细说明。
附图1所示是本发明具体实施方式的步骤流程图，包括：步骤S10，提供衬底；步骤S11，在所述衬底表面形成金属源极和金属漏极，所述金属源极和金属漏极之间具有一间隙；步骤S12，在所述金属源极和金属漏极之间的间隙处形成搭接的石墨烯沟道层；步骤S13，对所述石墨烯沟道层、金属源极和金属漏极实施退火，以使石墨烯沟道层和金属源极、以及石墨烯沟道层和金属漏极之间形成欧姆接触；步骤S14，图形化石墨烯沟道层，仅保留在所述金属源极和金属漏极之间的搭接部分，作为场效应晶体管的导电沟道；步骤S15，功能化石墨烯沟道层；步骤S16，利用原子层沉积工艺并借助其侧向导入前驱体的特性，在所述石墨烯沟道层的两个表面同时形成底栅和顶栅，所述底栅设置在所述石墨烯沟道层、衬底、金属源极和金属漏极限定而成的空间内，并与所述石墨烯沟道层的表面贴合，所述顶栅设置在与石墨烯设置底栅的表面相对的另一表面上；步骤S17，在所述顶栅的表面形成顶栅电极。
附图2A至附图2F所示是上述步骤的工艺示意图。
附图2A所示，参考步骤S10，提供衬底200。所述衬底200可以是包括单晶硅衬底在内的任意一种常见的半导体衬底。
附图2B所示，参考步骤S11，在所述衬底200表面形成金属源极211和金属漏极212，所述金属源极211和金属漏极212之间具有一间隙。所述形成金属源极211和金属漏极212的工艺例如可以采用反转胶剥离方法形成的，即在衬底200的表面首先利用光刻胶或者其他类似的材料形成一层反转层（未图示），该反转层的图形与金属源极211和金属漏极212的图形是相反的；再在该反转图形的间隙处形成金属层，该金属层即对应于金属源极211和金属漏极212；最后将反转层除去即获得具有预定图形的金属源极211和金属漏极212。所述金属源极211和金属漏极212的材料各自独立地选自于Ti、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Co及其合金中的任意一种。
附图2C所示，参考步骤S12，在所述金属源极211和金属漏极212之间的间隙处形成搭接的石墨烯沟道层220。所述形成石墨烯沟道层220可以采用转移的方法，将预先形成在金属衬底等其它衬底上的石墨烯层通过粘贴等方式转移到衬底200表面。
参考步骤S13，对所述石墨烯沟道层220、金属源极211和金属漏极212实施退火，以使石墨烯沟道层220和金属源极211、以及石墨烯沟道层220和金属漏极212之间形成欧姆接触。本步骤进一步是在真空环境或惰性气氛保护下，将所述石墨烯沟道层220、金属源极211和金属漏极212加热至300-500℃之间，并保温5分钟至60分钟，从而使石墨烯沟道层220和金属源极211、以及石墨烯沟道层220和金属漏极212之间形成欧姆接触。具体的退火气体、温度以及时间可以根据材料的实际情况做出调整。本步骤进一步加强了石墨烯沟道层220与金属源极211和金属漏极212之间结合的机械强度，有利于后续工艺的顺利实施。
附图2D所示，参考步骤S14，图形化石墨烯沟道层220，仅保留在所述金属源极211和金属漏极212之间的搭接部分，作为场效应晶体管的导电沟道。本步骤的图形化可以采用等离子体干法刻蚀工艺，并采用O2、Ar、H2等离子体中的任一种。
参考步骤S15，功能化石墨烯沟道层220。本步骤的功能化方法具体选自于有机物旋涂、金属沉积、等离子体处理中的任意一种。由于石墨烯是表面化学惰性的，没有悬挂键，ALD的金属源前驱体无法化学吸附在石墨烯表面，所以一般的ALD方法无法直接在石墨烯表面生长出栅介质，而需要将石墨烯表面功能化。功能化的方法包括旋涂有机过渡层、沉积一层金属并将其氧化、等离子体处理等。其中旋涂的有机过渡层可选用光刻胶，通过甩胶台旋涂；金属沉积可选用电子束蒸发或者射频溅射法，氧化方式可选用热氧化；等离子体包括O、H、NH3等，处理石墨烯表面，使其出现缺陷（即产生悬挂键）。
附图2E所示，参考步骤S16，利用原子层沉积工艺并借助其侧向导入前驱体的特性，在所述石墨烯沟道层220的两个表面同时形成底栅231和顶栅232，所述底栅231设置在所述石墨烯沟道层220、衬底200、金属源极211和金属漏极212限定而成的空间内，并与所述石墨烯沟道层220的表面贴合，所述顶栅232设置在与石墨烯沟道层220设置底栅的表面相对的另一表面上。所谓侧向导入前驱体的特性是原子层沉积工艺的一种特有性质，可以通过石墨烯沟道层220的侧面将形成底栅的材料导入至石墨烯沟道层220和衬底200之间的狭小空间内。本步骤巧妙了的利用了原子层沉积工艺的侧向导入前驱体的特性，在已经生长了石墨烯沟道层220的前提下，仍然可以在石墨烯沟道层220、衬底200、金属源极211和金属漏极212限定而成的狭小空间内获得底栅231。并且底栅231和顶栅232在同一步骤中形成，工艺相对简单。
所述底栅231和顶栅232宜采用高介电常数材料，例如可以各自独立地选自于Al2O3、HfO2、La2O5，AlN中的任意一种。
附图2F所示，参考步骤S16，在所述顶栅232的表面形成顶栅电极240。形成所述顶栅电极240的工艺例如可以采用反转胶剥离方法。所述顶栅电极240的材料可以选自于Ti、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Co及其合金中的任意一种。
上述步骤实施完毕后，获得的场效应晶体管如图2F所示，包括衬底200、金属源极211、金属漏极212、石墨烯沟道层220、底栅231、顶栅232、以及顶栅电极240。所述金属源极211和金属漏极212设置在所述衬底200表面，两者之间具有一间隙。所述石墨烯沟道层220搭接在金属源极211和金属漏极212之间的间隙处。所述底栅231设置在所述石墨烯沟道层220、衬底200、金属源极211和金属漏极212限定而成的空间内，并与所述石墨烯沟道层220的表面贴合，顶栅232置在与石墨烯沟道层220设置底栅231的表面相对的另一表面上。顶栅电极240设置在顶栅232的表面上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种采用石墨烯的场效应晶体管，其特征在于，包括：
衬底；
金属源极和金属漏极，所述金属源极和金属漏极设置在所述衬底表面，两者之间具有一间隙；
石墨烯沟道层，所述石墨烯沟道层搭接在金属源极和金属漏极之间的间隙处；
底栅，所述底栅设置在所述石墨烯沟道层、衬底、金属源极和金属漏极限定而成的空间内，并与所述石墨烯沟道层的表面贴合；
顶栅，设置在与石墨烯沟道层设置底栅的表面相对的另一表面上；
顶栅电极，设置在顶栅表面上。
2.根据权利要求1所述的采用石墨烯的场效应晶体管，其特征在于，所述顶栅和底栅采用高介电常数材料。
3.根据权利要求1所述的采用石墨烯的场效应晶体管，其特征在于，所述顶栅和底栅的材料各自独立地选自于Al2O3、HfO2、La2O5，AlN中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的采用石墨烯的场效应晶体管，其特征在于，所述金属源极、金属漏极以及顶栅电极的材料各自独立地选自于Ti、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Co及其合金中的任意一种。
5.一种采用石墨烯的场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供衬底；
在所述衬底表面形成金属源极和金属漏极，所述金属源极和金属漏极之间具有一间隙；
在所述金属源极和金属漏极之间的间隙处形成搭接的石墨烯沟道层；
对所述石墨烯沟道层、金属源极和金属漏极实施退火，以使石墨烯沟道层和金属源极、以及石墨烯沟道层和金属漏极之间形成欧姆接触；
图形化石墨烯沟道层，仅保留在所述金属源极和金属漏极之间的搭接部分，作为场效应晶体管的导电沟道；
功能化石墨烯沟道层；
利用原子层沉积工艺并借助其侧向导入前驱体的特性，在所述石墨烯沟道层的两个表面同时形成底栅和顶栅，所述底栅设置在所述石墨烯沟道层、衬底、金属源极和金属漏极限定而成的空间内，并与所述石墨烯沟道层的表面贴合，所述顶栅设置在与石墨烯沟道层设置底栅的表面相对的另一表面上；
在所述顶栅的表面形成顶栅电极。
6.根据权利要求5所述的采用石墨烯的场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述形成金属源极和金属漏极的工艺，以及形成顶栅电极的工艺进一步是采用反转胶剥离方法形成的。
7.根据权利要求5所述的采用石墨烯的场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述退火步骤进一步是在真空环境或惰性气氛保护下，将所述石墨烯沟道层、金属源极和金属漏极加热至300-500℃之间，并保温5分钟至60分钟，从而使石墨烯沟道层和金属源极、以及石墨烯沟道层和金属漏极之间形成欧姆接触。
8.根据权利要求5所述的采用石墨烯的场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述功能化石墨烯沟道层的步骤的功能化方法具体选自于有机物旋涂、金属沉积、等离子体处理中的任意一种。
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