一种空气隙石墨烯晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术属于碳基集成电路制造技术领域，具体为一种空气隙石墨烯晶体管及其制备方法。先在硅衬底上生长栅电极、栅介质，并形成源、漏图形，再将石墨烯转移到已经形成的源、漏图形上，从而实现石墨烯与栅介质的隔离。利用空气隙将石墨烯和栅介质隔离开，可以免去石墨烯上的缓冲层生长工艺，最大程度地保留石墨烯中载流子的高迁移率，降低石墨烯表面特性的退化，从而进一步提高石墨烯器件的电学特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种石墨烯晶体管及其制备方法，特别涉及一种新型的空气隙石墨烯 晶体管及其制备方法，属于碳基集成电路制造

技术介绍
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。硅 材料的加工极限一般认为是10纳米线宽，硅基集成电路在11纳米后无法突破其物理局限 包括电流传输损耗，量子效应，热效应等，因此很难生产出性能稳定、集成度更高的产品。随 着半导体技术的不断发展，硅基集成电路器件尺寸距离其物理极限越来越近。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ρ电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围原子的P电子一起形成一个离域 大η键，碳原子间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。石墨烯具有零禁带特性，即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由 程和相干长度也可以达到微米级，同时，石墨烯还具有远比硅高的载流子迁移率，所以它 是一种性能优异的半导体材料，并且由于其独特的二维结构，相较纳米碳管而言石墨烯更 容易实现大面积平面器件，因而得到了科学界的广泛关注，被认为是下一代集成电路中有 望延续摩尔定律的重要材料。作为新型的半导体材料，石墨烯已经被应用于MOS晶体管中。 2010年2月，IBM公司在2寸硅片上开发出了频率高达100GHz、栅极长度为240纳米的石 墨烯晶体管。目前，石墨烯晶体管主要还面临两个问题1)石墨烯的带隙宽度为零；2)由于石 墨烯表面除边缘外基本上是化学惰性的，所以无法使用原子层淀积方法在石墨烯表面直接 淀积栅介质。现在实验上为了使用原子层淀积方法在石墨烯表面淀积栅介质，需要在石墨 烯表面预先生成一层缓冲层，利用缓冲层表面的反应位来引导原子层淀积的初始反应。但 是与缓冲层有关的电离杂质散射或是与氧化物界面有关的声子散射都会严重降低石墨烯 中的载流子迁移率，使得石墨烯晶体管的电学特性发生退化。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种新型的石墨烯晶体管及其制造方法，以避 免淀积栅介质前的缓冲层的预淀积，保证石墨中载流子的高迁移率，提高石墨烯晶体管的 电学特性。为达到本专利技术的上述目的，本专利技术提出了一种空气隙石墨烯晶体管，具体包括 一个半导体衬底；位于所述半导体衬底上的第一绝缘体层； 位于所述第一绝缘体层之上的栅电极；位于所述栅电极之上的第二绝缘体层； 位于所述第二绝缘体层之上的源、漏电极； 位于所述源、漏电极之上的石墨烯层。进一步地，所述的石墨烯层与所述第二绝缘体层、所述栅电极通过空气隙相隔离。 所述的第一绝缘体层为二氧化硅或者为氮化硅，其厚度范围为200-400纳米。所述的第二 绝缘体层材料为二氧化硅、氮化硅，或者为Ta2Op Pr203> HfO2, Al2O3或^O2等高k栅介质材 料，其厚度范围为3-20纳米。同时，本专利技术还提出了上述空气隙石墨烯晶体管的制造方法，包括 提供一个半导体衬底；形成第一层绝缘薄膜； 形成第一层金属； 形成第二层绝缘薄膜； 形成第二层金属； 光刻形成源、漏电极图形； 提供一个硅衬底； 在所述硅衬底上形成一层镍薄膜； 在所述镍薄膜上形成石墨烯层；刻蚀所述镍薄膜，并将形成的石墨烯层转移到形成有源、漏电极图形的半导体衬底上。进一步地，所述的第一层绝缘薄膜材料为二氧化硅或者为氮化硅，其厚度范围为 200-400纳米。所述的第一层金属为Pt、Al、Au、Pd等金属材料，其厚度范围为60-90纳米。 所述的第二层绝缘薄膜材料为二氧化硅、氮化硅，或者为Ta205、Pr203> HfO2, Al2O3或^O2等 高k栅介质材料，其厚度范围为3-20纳米。所述的第二层金属为Pt、Al、Ru、TiN或TaN等 金属材料，其厚度范围为60-90纳米。采用空气隙将石墨烯与栅介质和栅电极相隔离，石墨烯沟道可以被视为是“悬置” 的，其与栅介质和栅电极之间没有直接的接触。避免了以往工艺中由于与缓冲层有关的电 离杂质散射或是与氧化物界面有关的声子散射对于载流子迁移率的影响，最大程度地保留 了石墨烯中载流子的高迁移率，降低了石墨烯表面特性的退化，从而可以提高石墨烯器件 的电学特性。由于空气相对介电常数非常小(大约为1)，空气隙在晶体管工作时充当栅介质的 一部分，由此栅介质的总介电常数很小，所以可以大大减小栅电容，使得高频石墨烯晶体管 的截止频率得到进一步提高。附图说明图1为本专利技术提供的空气隙石墨烯晶体管的一个实施例的截面图。图2至图8为本专利技术提供的背栅空气隙石墨烯晶体管的实施例的制备工艺流程 图。图9至图12为本专利技术提供的正栅空气隙石墨烯晶体管的实施例的制备工艺流程 图。具体实施例方式下面将参照附图对本专利技术的示例性实施方式作详细说明。在图中，为了方便说明， 放大了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。参考图是本专利技术的理想化实施例的 示意图，本专利技术所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，而是包括所 得到的形状，比如制造引起的偏差。图中的表示是示意性的，但这不应该被认为是限制本发 明的范围。同时在下面的描述中，所使用的术语衬底可以理解为包括正在工艺加工中的半 导体衬底，可能包括在其上所制备的其它薄膜层。图1为本专利技术提供的空气隙石墨烯晶体管的一个实施例，它是沿该器件沟道长度 方向的截面图。如图1所示，本专利技术的第一个实施例为背栅空气隙石墨烯晶体管，包括硅衬 底101、绝缘体层102、栅电极103、栅介质层104、源电极105、漏电极106和石墨烯层107， 石墨烯层107通过空气隙110与栅介质层105、栅电极103相隔离。在本实施例中，绝缘体 102采用二氧化硅，栅电极103采用金属钼(Pt)，栅介质104采用Al2O3，源电极105、漏电极 106采用金属钌(Ru)。本专利技术所公开的背栅空气隙石墨烯晶体管可以通过很多方法制造，以下所述的是 本专利技术所公开的如图1所示的背栅空气隙石墨烯晶体管的制造方法的一个实施例。尽管这些图并不是完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映 了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。首先，利用热氧化方法在清洗过的硅衬底201上生长一层300纳米厚的二氧化硅 薄膜202，如图2所示。接下来，利用物理气相沉积(PVD)方法在二氧化硅薄膜202上淀积淀积一层60-90 纳米厚的Pt薄膜203，Pt薄膜203作为器件的背栅，如图3所示。然后继续利用PVD方法 在Pt薄膜203上淀积一层10纳米厚的Al2O3薄膜204，如图4所示。接下来，在Al2O3薄膜204上淀积一层Ru金属，并掩膜、曝光、刻蚀Ru金属层形成 器件的源电极20 和漏电极20 ，没有电极的部分将作为空气隙部分401，如图5所示。接下来，利用PVD方法在另一块硅衬底501上生长一层约400纳米厚的镍薄膜 502，如图6所示，然后通入氩气在1000°C温度下进行退火。接着利用化学气相沉积(CVD) 方法在镍薄膜502上生长石墨烯层206，如图7所示。生长石墨烯层的具体工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空气隙石墨烯晶体管，其特征在于包括：一个半导体衬底；位于所述半导体衬底上的第一绝缘体层；位于所述第一绝缘体层之上的栅电极；位于所述栅电极之上的第二绝缘体层；位于所述第二绝缘体层之上的源、漏电极；位于所述源、漏电极之上的石墨烯层；所述的石墨烯层与所述第二绝缘体层、所述栅电极通过空气隙相隔离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙清清，江婷婷，王鹏飞，张卫，江安全，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[]