CN102479819A - 场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种场效应晶体管及其制备方法。该场效应晶体管包括绝缘衬底、石墨烯沟道区、顶栅区、源接触电极和漏接触电极，其中：石墨烯沟道区，形成于绝缘衬底的上方；顶栅区，形成于石墨烯沟道区的上方；源接触电极和漏接触电极，形成于绝缘衬底的上方，石墨烯沟道区的两侧，源接触电极和漏接触电极分别与石墨烯沟道区相接触。由于石墨烯材料具有巨大的载流子迁移率，因此，利用石墨烯作为沟道区材料的晶体管可以大幅度提高场效应晶体管的速度。

Description

场效应晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

由单层到少数几层碳原子构成、具有二维蜂窝状结构的石墨烯(Graphene)最早是由英国曼彻斯特大学的天文物理学教授Andre Geim领导的研究组于2004年发现并制备的，该成果发表在《Science》【306，666-669(2004)】，它是世界上已知最薄的物质，他的荷载流子显示固有的巨大的迁移率，悬浮石墨烯在低温下有很高的本征载流子迁移率，超过200000cm²/Vs(见《Solid State communication》【146，351(2008)】)，被认为是最有希望替代硅半导体延续摩尔定律的新型材料。

在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷：采用Si作为沟道材料的场效应晶体管不能满足在对其速度越来越高，尺寸越来越小的需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种场效应晶体管及其制备方法，以提高新型晶体管中本征载流子的迁移率。

(二)技术方案

本发明公开了一种场效应晶体管，包括：绝缘衬底；石墨烯沟道区，形成于绝缘衬底的上方；顶栅区，形成于石墨烯沟道区的上方；源接触电极和漏接触电极，形成于绝缘衬底的上方，石墨烯沟道区的两侧，源接触电极和漏接触电极分别与石墨烯沟道区接触。

此外，本发明还公开了一种场效应晶体管的制备方法，包括：制备绝缘衬底；用微机械的方法制备石墨烯，并将石墨烯转移至绝缘衬底上，形成石墨烯沟道区；在石墨烯沟道区上制备栅介质层；在绝缘衬底上，石墨烯沟道区的两侧制备与石墨烯沟道区接触的源/漏接触电极；在栅介质层上方制备栅电极层。

(三)有益效果

由于石墨烯材料具有巨大的载流子迁移率，因此，利用石墨烯作为沟道区材料的场效应晶体管可以大幅度提高场效应晶体管的速度。

附图说明

图1为本发明实施例场效应晶体管的示意图；

图2为本发明实施例场效应晶体管制备方法中形成二氧化硅绝缘层后的样品结构示意图；

图3为本发明实施例场效应晶体管制备方法中形成石墨烯沟道区后的样品结构示意图；

图4为本发明实施例场效应晶体管制备方法中形成栅介质后的样品结构示意图；

图5为本发明实施例场效应晶体管制备方法中匀胶后的结构示意图；

图6为本发明实施例场效应晶体管制备方法中曝光显影后的结构图；

图7为本发明实施例场效应晶体管制备方法中将预设部分的栅介质刻蚀后的样品结构示意图；

图8为本发明实施例场效应晶体管制备方法中蒸镀完金属后的结构图示意图；

图9为本发明实施例场效应晶体管制备方法中剥离掉沟道区上面的金属形成源漏接触电极后的样品结构示意图；

图10为本发明实施例场效应晶体管制备方法中形成顶栅电极后的样品结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明公开了一种场效应晶体管，包括：绝缘衬底；石墨烯沟道区，形成于绝缘衬底的上方；顶栅区，形成于石墨烯沟道区的上方；源接触电极和漏接触电极，形成于绝缘衬底的上方，石墨烯沟道区的两侧，源接触电极和漏接触电极分别与石墨烯沟道区接触。

由于石墨烯材料具有巨大的载流子迁移率，因此，利用石墨烯作为沟道区材料的晶体管可以大幅度提高场效应晶体管的速度。

在进一步的实施例中，石墨烯沟道区包括：单层石墨烯，单层石墨烯厚度介于0.35nm到0.8nm之间；或双层石墨烯，双层石墨烯厚度介于0.8nm到1.2nm之间；或者多层的石墨烯，多层石墨烯厚度介于1.2nm到1.8nm之间。石墨烯为采用微机械剥离的方式制备，并转移至绝缘衬底的。优选地，石墨烯为使用胶带从高定向热解石墨上剥离，并转移至绝缘衬底的。

图1为本发明实施例场效应晶体管的示意图。如图1所示，场效应晶体管由n型或者p型硅片101、氧化硅102、石墨烯103、顶栅介质104、源漏接触电极105以及顶栅电极106构成。具体的说就是在硅片上热生长一层10nm到500nm厚的二氧化硅，然后再把已经做好的石墨烯材料转移到二氧化硅上，最后利用微电子领域中的光刻、蒸镀以及lift-off等工艺制备出源漏金属接触和顶栅电极。氧化硅硅片作为衬底支撑和器件隔离绝缘材料，石墨烯作为此场效应晶体管的导电沟道，源漏接触电极直接与石墨烯沟道接触，顶栅介质直接覆盖在石墨烯沟道上面，顶栅电极覆盖在顶栅介质上面，而形成的场效应晶体管。通过在顶栅上加不同的电压可以调节石墨烯沟道中载流子的浓度和分布，从而形成一种场效应晶体管的结构。

本发明还提供的上述场效应晶体管器件的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，准备高掺杂的n型或者p型硅衬底样品；

步骤2，把步骤1)样品拿到高温合金炉中，热生长10nm到500nm的二氧化硅，如图2所示；

步骤3，使用Scotch胶带从HOPG(高定向热解石墨)上剥离下实验中所要用的石墨烯材料；

步骤4，用Scotch胶带把步骤3)制得的石墨烯转移到步骤2)中制得的二氧化硅衬底上，如图3所示；

步骤5，利用原子层沉积(Atomic Layer Deposition，简称ALD)或化学气象沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)技术沉积一层5nm到300nm厚度的高K栅介质，例如三氧化二铝、二氧化铪、二氧化钛等，如图4所示；

步骤6，把步骤4)制得的样品放到85℃的热板上烘5min；

步骤7，把样品放到匀胶机上使用3000rpm的转速，匀正胶1min；

步骤8，再次把样品放到85℃的热板上烘烤4.5min；如图5所示，其中107为光刻胶。

步骤9，把样品放到光刻机上，曝光4s，曝光的目的是把光照射到的光刻胶部分变性，在显影的时候，变性的光刻胶就被溶掉了，没有变性的就继续保留；

步骤10，在正胶显影液中显影1min，然后放进定影液中定影1min中；得到图6所示图形。

步骤11，使用湿法刻蚀或者干法刻蚀把高K绝缘顶栅介质在源漏电极上面的部分刻蚀干净，其中优选地采用缓冲氧化蚀刻剂(Buffere OxideEtch，简称BOE)浸泡预设时间，如图7所示；

步骤12，把样品转移到电子束蒸镀机中，依次蒸镀5nm的Cr和50nm的金，如图8所示；

步骤13，蒸镀结束后，把样品依次放进丙酮、酒精和去离子水里，最后用氮气枪吹干即制得源漏接触电极，如图9所示。在步骤10后，暴露出来源漏接触区域，其它部分包括栅极区域都还是用光刻胶覆盖着，当蒸镀金属的时候，所有区域都有铬金，但是经过步骤13后，丙酮把光刻胶溶掉的同时，栅极区域顶部的铬金就被剥离掉了，剩下源漏接触区域的铬金。

步骤14，再重复步骤6)到10)，和步骤12)到13)即制得顶栅电极，如图10所示，至此，场效应晶体管制备完成。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种场效应晶体管，其特征在于，包括绝缘衬底、石墨烯沟道区、顶栅区、源接触电极和漏接触电极，其中：

石墨烯沟道区，形成于所述绝缘衬底的上方；

顶栅区，形成于所述石墨烯沟道区的上方；

源接触电极和漏接触电极，形成于所述绝缘衬底的上方，所述石墨烯沟道区的两侧，所述源接触电极和漏接触电极分别与所述石墨烯沟道区相接触。

2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯沟道区包括：厚度介于0.35nm到0.8nm之间的单层石墨烯；或厚度介于0.8nm到1.2nm之间的双层石墨烯；或厚度介于1.2nm到1.8nm之间的多层石墨烯。

3.根据权利要求2所述的场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯为采用微机械剥离的方式制备，并转移至所述绝缘衬底的。

4.根据权利要求3所述的场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯为使用胶带从高定向热解石墨上剥离，并转移至所述绝缘衬底的。

5.根据权利要求1至4所述的场效应晶体管，其特征在于，

所述绝缘衬底包括：n型或p型硅片；在所述n型或p型硅片上热氧化形成的二氧化硅层；

所述顶栅区包括：高介电常数K栅介质，形成于所述石墨烯沟道区的上方；金属栅电极，形成于所述高K栅介质的上方。

6.一种场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：

制备绝缘衬底；

用微机械剥离的方法制备石墨烯，并将所述石墨烯转移至所述绝缘衬底上，形成石墨烯沟道区；

在所述石墨烯沟道区上制备栅介质层；

在所述绝缘衬底上，所述石墨烯沟道区的两侧制备与所述石墨烯沟道区接触的源/漏接触电极；

在所述栅介质层上方制备栅电极层。

7.根据权利要求6所述的场效应晶体管制备方法，其特征在于，所述石墨烯沟道区包括：厚度介于0.35nm到0.8nm之间的单层石墨烯；或厚度介于0.8nm到1.2nm之间的双层石墨烯；或厚度介于1.2nm到1.8nm之间的多层石墨烯。

8.根据权利要求7所述的场效应晶体管制备方法，其特征在于，所述石墨烯为使用胶带从高定向热解石墨上剥离，并转移至所述绝缘衬底的。

9.根据权利要求8所述的场效应晶体管制备方法，其特征在于，所述制备绝缘衬底包括：

将高掺杂的n型或者p型硅片置入高温合金炉中；

加热，在所述硅片上方热生长10nm到500nm厚的二氧化硅层。

10.根据权利要求9所述的场效应晶体管制备方法，其特征在于，所述栅介质层为高K栅介质层，所述在绝缘衬底上、石墨烯沟道区的两侧制备与所述石墨烯沟道区接触的源漏接触电极包括：

将已形成石墨烯沟道区的绝缘衬底样品在85℃的热板上烘5分钟；

将样品在3000rpm的转速在匀胶机上，匀正胶1分钟；

将样品在85℃的热板上烘烤4分30秒；

将样品在光刻机上曝光4秒；

将样品在正胶显影液中显影50秒；

将样品在缓冲氧化蚀刻剂溶液中浸泡，至预设位置的高K栅介质层被刻蚀；

在样品上依次蒸镀预设厚度的铬和金，或者镍和金，或者钛钯金；

将样品依次放到丙酮、酒精和去离子水中，剥离蒸镀在沟道区顶部的铬和金，或者镍和金，或者钛钯金，得到源漏接触电极。

11.根据权利要求10所述的场效应晶体管制备方法，其特征在于，所述在高K栅介质层上方制备栅电极层包括：

将样品在85℃的热板上烘5分钟；

将样品在3000rpm的转速在匀胶机上，匀正胶1分钟；

将样品在85℃的热板上烘烤4分钟30秒；

将样品在光学光刻机上曝光4秒，或者使用电子束直写技术曝光；

将样品在正胶显影液中显影50秒；

将样品转移到电子束蒸镀机腔中，依次蒸镀规定厚度的铬和金，或者镍和金，或者钛钯金；

将蒸镀完成的样品依次放到丙酮、酒精和去离子水中，剥离蒸镀在源漏区域上部的所述铬和金，或者镍和金，或者钛钯金，得到顶栅电极。

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