一种适用于射频通信的类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件和制作方法。首先通过磁过滤阴极真空弧系统在衬底上淀积一层表面光滑且化学性质稳定的类金刚石非晶碳，在类金刚石非晶碳绝缘层上刻蚀出源漏区沟槽并填充电极金属，平坦化处理和清洗衬底表面后，将化学气相沉积方法生长的石墨烯转移到清洁衬底上，用原子层淀积方法生长栅绝缘介质并溅射栅电极金属。反应离子刻蚀形成金属栅，然后淀积低K绝缘介质保护器件。本发明专利技术的石墨烯晶体管的载流子迁移率高；源漏掩埋型结构能够减小未被栅极覆盖区域的石墨烯长度，减小栅源栅漏电容和沟道电阻，提高石墨烯晶体管的高频性能和效率。本发明专利技术有可能被广泛应用到小尺寸高频率的石墨烯集成电路中。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体
，尤其是一种适用于射频通信的。
技术介绍
自从2004年Novoselov等人报道关于成功制备单程石墨烯、并发现石墨烯中的电场效应后，石墨烯就一直受到广泛的关注和研究(参考=Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films K. S. Novoselov, et al. Science 22 October 2004 306 (5696)，666-669.)。石墨烯以其非常高的迁移率和单元层厚度更是得到了半导体器件工程师的青睐。尤其是在高频应用上，石墨烯展示了巨大的潜力，世界各个研究组争相报道石墨烯的高频性能，石墨烯晶体管的截止频率已经达到100G 300G。在文献 Dual Gate Graphene FETs with fT of 50GHz.Y. -M. Lin. et al, IEEE Electron Device Letters 31,68 (2010)中，作者通过调节背栅电压减小沟道电阻(Access resistance),在一定范围提高了器件的截止频率。在文献Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics. C. R. Dean, et al. Nature Nanotechnology 5, 722-726 (2010)中， 作者首次在单晶氮化硼(h-BN)衬底上制作石墨烯晶体管，以克服石墨烯因衬底二氧化硅的声子散色而造成的载流子迁移率下降。比传统二氧化硅衬底得到高几乎一个数量级的载流子迁移率。单晶氮化硼拥有原子级的光滑表面，几乎没有悬挂键和陷阱电荷，同时拥有高的光学声子模式和大的禁带宽度；因此被认为比较理想的石墨烯衬底材料。在文献: High-frequency, scaled graphene transistors on diamond-like carbon. Y. Wu et al., Nature 472,74(2011)中，作者提供了在类金刚石非晶碳上制作石墨烯晶体管的方法，并且首次研究了低温下石墨烯晶体管的性能，以及石墨烯晶体管尺寸缩小的潜力。 目前石墨烯晶体管面临的主要技术难点有1)石墨烯是一个零带隙的材料，如何通过掺杂或者施加外偏压，或者引入应力等技术得到一定的带隙。2)石墨烯和传统的二氧化硅绝缘界面有比较强的声子散射，严重的降低了石墨烯的载流子迁移率，如何生长陷阱电荷少，悬挂键少，声子散射弱的优质绝缘上下界面是提高石墨烯晶体管性能所面临的重要问题。3)石墨烯和金属之间的接触电阻，以及源漏区和栅极之间的未被栅电极覆盖的石墨烯电阻，制约着器件的高频性能和尺寸缩小。如图1A和图1B所示，在长沟道的情况下， 栅电极0026和源/漏极0010/0012之间的电容为Cgs，Cgd比较小，为了达到更高的截止频率而减小栅电极长度Lg时，若栅极和源漏极之间的距离为Lgd，Lgs也等比例缩小，Cgs, Cgd 却反比例增大，这样会严重制约截止频率FT的提高。若Lgd，Lgs保持不变，未被栅电极覆盖的栅源栅漏串之间石墨烯的串联电阻Rgs—s，Rgd—s会和栅控的石墨烯电阻R可比拟，甚至前者大于后者。因此现有技术的石墨烯晶体管不能做到寄生电容和沟道电阻同时减小。
技术实现思路
针对上面提到的几个需解决的问题，本专利技术公开了一种类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件结构和制作方法，通过将石墨烯晶体管的源漏极掩埋在类金刚石非晶碳衬底中，使得即使栅极和源漏极之间的距离为0，甚至小于0，也能保持栅电极和源/漏电极之间的寄生电容不变，从而充分发掘出石墨烯晶体管尺寸缩小的潜力。实现本专利技术目的的技术方案是一种类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件，依次至少包括衬底；位于衬底上的类金刚石非晶碳薄膜；掩埋在所述类金刚石非晶碳薄膜中的源/漏电极；至少覆盖所述源电极和漏电极上方的单层或少数层石墨烯层；淀积于所述石墨烯层上的绝缘介质层；位于所述绝缘介质层上的金属栅电极。其中所述栅电极和所述源/漏电极分别位于所述石墨烯层的上下两侧，所述源/ 漏电极与所述栅电极之间的距离或大于零、或等于零、或小于零。其中所述衬底的材料是平坦的、弯曲的、或者有应变的；所述衬底的材料是以下半导体材料之一硅、多晶硅、硅锗合金、锗、II1-V族化合物、或I1-VI族化合物；或者所述衬底的材料是以下绝缘体材料之一塑料薄膜、玻璃、或二氧化硅；或者所述衬底的材料是以下金属材料之一铁、铝、金、银、或铜；所述衬底和所述类金刚石非晶碳薄膜之间还有作为应力缓冲层的二氧化硅层，所述作为应力缓冲层厚度为5nm 50nm ;所述类金刚石非晶碳薄膜sp3C-C键含量大于50%，sp2C = C键含量大于5%，H原子的含量小于25%，其他杂质元素的含量小于20% ;薄膜压应力小于4GPa ;薄膜厚度为IOnm 200nm ;表面粗糙度小于5nm ;所述源/漏电极的金属选自下述材料之一或者其中几种的组合包括钮，金，Ti,Ta, Mo，Al，W, Cu，Ni, Pt，Co在内的金属；或包括TaN，TiN, TiSiN在内的金属氮化物；或包括 WSi, NiSi, CoSi, PtSi在内的硅化物；或透明金属氧化物电极IZO，ITO ;或多晶硅；或多晶娃娃化物；所述源区和漏区掩埋的金属电极长度5nm Ium,宽度IOnm IOum,厚度Inm IOOnm ;所述源/漏电极与所述栅电极之间的距离的绝对数值不大于40nm ;所述石墨烯层的少数层为2 10层碳原子厚度；所述绝缘介质层为选自以下材料之一或其组合构成的复合一层或多层:A1203、Hf02、包括 HfSiOx，HfSiON, HfAlOx, HfTaOx, HfLaOx, HfAlSiOx，或 HfLaSiOx至少之一在内的铪基高K介质材料、包括Zr02，La203, LaA103, Ti02，或Y203至少之一在内的稀土基高K介质材料、以及包括二氧化硅，SiON，或Si3N4至少之一在内的绝缘介质材料。此外，本专利技术还提供了一种制作上述类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件的方法，至少包括如下步骤在半导体衬底上淀积一层类金刚石非晶碳薄膜；在所述类金刚石非晶碳薄膜上光刻源区和漏区；溅射源漏层材料，然后通过CMP形成一个可暴露出所述源区和漏区的平面，形成源/漏电极，并清洗所述平面的表面；将单层或者少数层石墨烯转移到清洗后的所述表面上；在所述石墨烯上淀积绝缘介质层；溅射金属层，光刻刻蚀形成金属栅电极。优选地，所述半导体衬底上还通过淀积或者热氧化形成有一层二氧化硅作为应力缓冲层，所述类金刚石非晶碳薄膜形成于所述应力缓冲层上。优选地，在所述二氧化硅层上淀积类金刚石非晶碳薄膜的方法选自以下之一磁过滤(脉冲)阴极真空弧淀积、等离子体增强化学气相沉积、溅射、脉冲激光溅射、离子束沉积、或质量选择离子束沉积；所述源区和漏区采用氧气/氩气等离子体刻蚀方法形成于所述类金刚石非晶碳薄膜上； 所述源漏层材料是可与石墨烯材料形成良好欧姆接触或肖特基接触的材料；所述转移石墨烯的步骤包括先将石墨烯在铜箔上生长好，在石墨烯上面旋涂上PMMA，然后在FeC13溶液中将所本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件，其特征是：所述器件依次至少包括：衬底；位于衬底上的类金刚石非晶碳薄膜；掩埋在所述类金刚石非晶碳薄膜中的源/漏电极；至少覆盖所述源电极和漏电极上方的单层或少数层石墨烯层；淀积于所述石墨烯层上的绝缘介质层；位于所述绝缘介质层上的金属栅电极。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：马小龙，殷华湘，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：
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