JP2014204122A - グラフェン系の電界効果トランジスタ - Google Patents
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Abstract
Description
(i)効率的かつ均一にALD成長の種となる(seed)。
(ii)下位のグラフェン構造を維持する。
(iii)望ましい誘電体特性(例えば低いリーク電流と高い静電容量)を達成する。
a)グラフェン層、
b)前記グラフェン層の上位の(overlay)グラフェン酸化物層、
c)前記グラフェン酸化物層の上位のhigh−k誘電体層
を備えた半導体デバイスに関する。
これは、ALDにより確実にhigh−k誘電体層の非常に高い共形性(conformality)が得られると共に厚さを極めて良好に制御できるので好都合である。
これは、薄いhigh−k誘電体層によりFETのスイッチング速度が大きくなるので好都合である。例えば、前記high−k誘電体層の厚さは、2nmから10nmまたは2nmから5nmであってもよい。
a)グラフェン層の上にグラフェン酸化物層を設ける工程、
b)high−k金属酸化物層を形成するように、(high−k金属酸化物のための)金属前駆体(プリカーサ)のALDパルスと酸素前駆体のALDパルスとに交互に前記グラフェン酸化物層を曝露する工程
を含む半導体デバイスを製造する方法に関する。
またこの方法は、工程a)の前に、基板の上にグラフェン層を設ける工程を含んでもよい。グラフェン酸化物層が存在することによる1つの利点は、ALDにより、品質の優れたhigh−k金属酸化物層の成長が可能となることである。
i.第1グラフェン層と第2グラフェン層を含むグラフェン二重層を基板の上に設け、これにより基板−二重グラフェン層スタックを形成する工程、
ii.前記第2グラフェン層からグラフェン酸化物層を形成するように、第2グラフェン層を反応性酸素種に曝露する工程
を含んでもよい。
この方法には、以下の第2の一般的実施形態と比較して、第1グラフェン層の上にグラフェン酸化物層を転写する追加の工程が必要ないという利点がある。
i.第1グラフェン層を基板の上に設ける工程、
ii.前記第2グラフェン層からグラフェン酸化物層を形成するように、第2グラフェン層を反応性酸素種に曝露する工程、
iii.前記第1グラフェン層の上に前記グラフェン酸化物層を設ける工程
を含んでもよい。
本明細書で使用する場合、別段の定めがない限り、グラフェン酸化物層という用語は、ある程度酸化したグラフェンの単一層(単原子層・単分子層(monolayer))を指す。本発明で使用する好ましいグラフェン酸化物層は、5%から50%の酸素被覆率を有する。好ましくは、複数の酸素原子の大部分がグラフェン酸化物層のグラフェンの2つの炭素に結合し、これによりエポキシ結合が形成される。50%の酸素被覆率が、飽和値に相当する。飽和値では、各炭素原子が1つの酸素に結合し且つ各酸素が2つの炭素原子に結合する。
グラフェン酸化物(またはエポキシド)(3)は、面内シグマ結合を有し且つ面外酸素エポキシド(C−O−C)(1)官能基を有する2次元グラフェン平面高分子(plane macromolecule)(12)からなる。酸素エポキシド官能基(1)はすべて、炭素原子を含む平面(12)の同じ側に存在する。底面斜視図(bottom perspective view)において、炭素原子がすべて1つの面(12)内に存在し、酸素エポキシ基(1)が前記面(12)の一方に突出していることは明らかである。
図2を参照する。
試料AとBの両方を同じ基板(4)の上に形成した。
マイクロ機械的剥離により、90nmの熱成長SiO2膜で覆われたnドープSi基板(4)の上に単一層グラフェン(SLG)のフレーク(2)を堆積させ、これにより試料Bを形成した。
マイクロ機械的剥離により、90nmの熱成長SiO2膜で覆われたnドープSi基板(4)の上に単一層グラフェン(SLG)のフレーク(2)を堆積させた。
次に、化学気相成長(CVD)により、銅薄膜の上に大きいグラフェン膜を成長させた。次に、この膜を銅ホイルから分離すると共に、標準のポリメチルメタクリレート(PMMA)転写法により、SiO2に支持されたグラフェンフレーク(2)の上に転写した。これにより、基板二層(substrate-double-layer)グラフェンスタック(試料A)を形成した。
各プラズマ曝露/アニール工程の後、試料Aと試料Bの抵抗を測定した。図2では、AとBの抵抗とプラズマ曝露パルスの数を比較している。試料Aの抵抗は比較的一定であった。一方、試料Bの抵抗は指数関数的に増加して1011Ωとなった。試料B(CVDグラフェン)は、酸化の際に高抵抗(絶縁体)に変化した。試料A(剥離された単一層グラフェン(SLG)とCVDグラフェンのスタック)について観察された抵抗がほぼ一定であることは、一旦上層(CVDグラフェン)が酸化を経ると、下位の(underlying)(金属製)SLGが正常(intact)を維持することを示す。
グラフェンのラマンスペクトルで最も議論される特徴は、2700cm−1付近のいわゆる2Dピークである。これは、2フォノン谷間ラマン散乱(two-phonon intervalley Raman scattering)プロセスに起因する。単一層グラフェンの場合、2Dピークは、可視光を用いた励起のための単一の価電子エネルギバンドと伝導エネルギバンドの存在に起因して、単一ピークからなる。これにより、ブリルアンゾーンのK対称点で、単一の2フォノン散乱プロセスのみが可能となる。図3では、酸素プラズマへの曝露後の試料Aと試料Bの規格化2Dピーク(I2D/IG)を比較している。酸化処理に起因して、試料Bの2Dピークは広くなり(110cm−1)、その強度は大きく低下する(約0.2)。一方、試料Aの2Dピークの形状、位置(約2675cm−1)、FWHM(約36cm−1)および強度(約1.4)は、一旦上層(CVDグラフェン)が酸化を経ると、下位のグラフェン層は正常を維持することを示す。
トリメチルアルミニウム(TMA)のパルスと水のパルスを交互に使用して、試料1の酸素リッチな表面の上に、ALDにより150℃で30nmのAl2O3層を堆積させた。次に、電子ビームリソグラフィ(1nm/50nm Cr/pd)によりトップゲート電極を製造することにより、デュアルゲートFETの製造を完了した。図4は、グラフェン2−グラフェン酸化物3スタックを有するデュアルゲートFETの概略図を示す。グラフェン2はチャネルであり、グラフェン酸化物3の上にALD−Al2O3が成長している。
この電界効果トランジスタは、グラフェン層2とグラフェン酸化物層3を保持する基板4を備える。さらに、電界効果トランジスタは、グラフェン酸化物層3の上にhigh−k誘電体層8を備える。また、それらの間には、チャネルを画定するソース5とドレイン6が存在する。high−k誘電体層8の上には、上部電極7が存在する。
3つのエネルギ領域を定義する。0.1未満のバンドギャップの場合、グラフェン酸化物は金属(M)である。これは、約10%以下の酸素被覆率に対応する。0.1から1のバンドギャップの場合、グラフェン酸化物は半導体(SC)である。これは、10%から20%の酸素被覆率に対応する。1eVから3eVのバンドギャップの場合、グラフェン酸化物は絶縁体(I)である。これは、20%から50%の酸素被覆率に対応する。本明細書で、酸素被覆率は、グラフェン酸化物層の酸素原子数をグラフェン酸化物層の炭素原子数で割った値に100%を乗じた値として定義される。酸素エポキシ基が飽和したグラフェン層からなるグラフェン酸化物層には、50%の酸素被覆率が対応する。
Claims (15)
- a)グラフェン層(2)、
b)前記グラフェン層(2)の上位のグラフェン酸化物層(3)、
c)前記グラフェン酸化物層(3)の上位のhigh−k誘電体層(8)
を備えた半導体デバイス(1)。 - 前記high−k誘電体層(8)は、少なくとも1つのALD工程を含む方法により得られる
請求項1に記載のデバイス。 - 前記high−k誘電体層(8)は、2nm以上45nm未満、好ましくは30nm未満、より好ましくは20nm未満、さらに好ましくは10nm未満、最も好ましくは5nm未満の厚さを有する
請求項1または2に記載のデバイス。 - 前記デバイスは、チャネル(2)を有する電界効果トランジスタであり、
グラフェン層(2)がチャネル(2)として機能する
請求項1から3のいずれか1項に記載のデバイス。 - グラフェン酸化物層(3)は、10%から50%、好ましくは12%から50%、より好ましくは15%から50%、さらに好ましくは20%から50%、最も好ましくは25%から50%の酸素被覆率を有し、
ここで酸素被覆率は、グラフェン酸化物層(3)の酸素原子数をグラフェン酸化物層(3)の炭素原子数で割った値に100%を乗じた値である
請求項1から4のいずれか1項に記載のデバイス。 - 前記グラフェン酸化物層(3)は、1010Ω/スクウェアより大きい抵抗率を有する
請求項1から5のいずれか1項に記載のデバイス。 - 前記グラフェン酸化物層(3)は、1eVから3eVの光学バンドギャップを有する
請求項1から6のいずれか1項に記載のデバイス。 - 前記グラフェン酸化物層は、複数の酸素原子と炭素原子を含み、
複数の酸素原子の大部分が、グラフェン酸化物層(3)の2つの炭素に結合し、これによりエポキシ結合を形成する
請求項1から7のいずれか1項に記載のデバイス。 - a)グラフェン層(2)の上にグラフェン酸化物層(3)を設ける工程、
b)high−k金属酸化物(8)を形成するように、high−k金属酸化物のための金属前駆体のALDパルスと、酸素前駆体のALDパルスとに、交互に前記グラフェン酸化物層(3)を曝露する工程
を含む、半導体デバイスを製造する方法。 - 工程a)は、
i.第1グラフェン層(2)と第2グラフェン層を含むグラフェン二重層を基板(4)の上に設け、これにより基板−二重グラフェン層スタックを形成する工程、
ii.前記第2グラフェン層からグラフェン酸化物層(3)を形成するように、第2グラフェン層を反応性酸素種に曝露する工程、
または、
i.第1グラフェン層(2)を基板(4)の上に設ける工程、
ii.前記第2グラフェン層からグラフェン酸化物層(3)を形成するように、第2グラフェン層を反応性酸素種に曝露する工程、
iii.前記第1グラフェン層(2)の上に前記グラフェン酸化物層(3)を設ける工程、
のいずれか一方を含む
請求項9に記載の方法。 - 第2グラフェン層を反応性酸素種に曝露する工程は、
第2グラフェン層をプラズマ、好ましくは分子酸素プラズマ、より好ましくは分子酸素RFプラズマに曝露する工程を含む
請求項10に記載の方法。 - 前記第2グラフェン層を曝露する工程は、第1電極と第2電極(13)を有するプラズマ反応器チャンバ(10)内で実施し、
前記第1電極から第2電極(13)に向けて、前記反応性酸素種を加速し、
前記第2グラフェン層を、基板(4)の上に設けると共に、前記第2グラフェン層が前記第2電極(13)に面し且つ前記基板が前記第1電極に面するように前記第1電極と第2電極(13)の間に配置する
請求項11に記載の方法。 - high−k金属酸化物のための金属前駆体は、アルミニウム含有前駆体またはハフニウム含有前駆体である
請求項9から12のいずれか1項に記載の方法。 - 酸素前駆体はH2Oである
請求項9から13のいずれか1項に記載の方法。 - 工程a)の後であって工程b)の前に、弱く結合した酸素種を脱離させるのに
充分高い温度でデバイスをアニールする
請求項9から14のいずれか1項に記載の方法。
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