双栅双极石墨烯场效应晶体管及其制作方法

摘要

本发明提供一种双栅双极石墨烯场效应晶体管及其制作方法，包括：提供半导体衬底； 在半导体衬底的正面形成石墨烯沟道层；在石墨烯沟道层上形成源电极及漏电极；去除源电极及漏电极外围的石墨烯沟道层；对石墨烯沟道层进行表面功能化处理或等离子体物理吸附；形成高k栅介质层；在源电极及漏电极之间的高k栅介质层上形成第一栅电极；在半导体衬底的背面形成第二栅电极。直接将石墨烯附着于所需的衬底上，无需进行繁琐的转移，避免了对石墨烯结构造成破坏和杂质污染；该方法制备的双栅双极石墨烯场效应晶体管具备更加优异的开断性能，更高的载流子迁移率以及更小的栅漏电流；工艺流程简单，成本经济，适合基于石墨烯场效应晶体管的大规模生产。

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件及制造领域，特别是涉及一种双栅双极石墨烯场效应晶体管及其 制作方法。

背景技术

自1960年MOSFET器件研制成功后，因其具有低功耗、可靠性高、尺寸易于缩小等优 点，成为微处理器与半导体存储器等先进集成电路中不可或缺的核心部分，并迅速蓬勃发展。 为了增加器件密度、响应速度以及芯片的功能，器件尺寸的按比例缩小是CMOS技术长期以 来的发展趋势。即根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍。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(Beyond Silicon)，其中最有希望的石墨烯应运而生。

石墨烯(Graphene)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，就在全世界激起了巨大的波澜。实验证明石墨烯不仅具有非常出色的力学性能、光学 性能和热学性能，还具有非常独特的电学性质。石墨烯是零带隙材料，有效质量为零，其载 流子迁移率高达2x10⁵cm²/V·s，远高于硅材料的1.6x10³cm²/V·s，并具有常温整数量子霍 尔效应等新奇的物理性质。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。

作为新型的半导体材料，石墨烯已经被应用于场效应晶体管中。石墨烯基场效应晶体管 (Graphene Field-Effect-Transistor，G-FET)，是利用石墨烯的半导体特性来制成的晶体管，其 中石墨烯被用于形成G-FET的沟道。此外，器件尺寸的按比例缩小使得传统栅氧材料SiO₂的厚度已经到达其物理极限，因此，选用高k(介电常数)材料来替代SiO₂作为栅介质已成 为微电子技术发展的必然趋势。

为制备高性能的G-FET，必须要在石墨烯表面生长高质量的超薄高k栅介质层。然而对 于普遍使用的高k栅介质层的生长方法-原子层沉积(ALD)，由于石墨烯表面缺乏悬挂键为其 生长提供成核中心，所以无法直接在石墨烯上生成均匀的薄层高K栅介质层，此课题一直是 国内外研究的热点。众多文献报道，在采用ALD生长高k栅介质层之前，先对石墨烯进行表 面功能化处理，例如NO₂分子功能化，O₃的功能化；此外还有在石墨烯表面旋涂一层高分子 聚合物薄膜，或形成一层金属氧化物薄膜作为成核层。然而这些处理方法会给石墨烯造成新 的、额外的缺陷或杂质，显著降低G-FET的性能(例如：载流子迁移率等)。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双栅双极石墨烯场效应晶体 管及其制作方法，用于解决现有技术中在制备高性能的G-FET过程中对石墨烯造成缺陷或杂 质污染，显著降低G-FET的性能的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双栅双极石墨烯场效应晶体管，所述 双栅双极石墨烯场效应晶体管包括：

半导体衬底；

石墨烯沟道层，位于所述半导体衬底的正面；

源电极及漏电极，间隔地分布于所述石墨烯沟道层上；

高k栅介质层，覆盖于所述半导体衬底正面、石墨烯沟道层、源电极及漏电极裸露的表 面上；

第一栅电极，位于所述源电极及漏电极之间的所述高k栅介质层上；

第二栅电极，位于所述半导体衬底的背面。

作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的一种优选方案，所述半导体衬底为6H-SiC 基片，所述半导体衬底包括Si层及位于所述Si层上的SiC层，所述石墨烯沟道层位于所述 SiC层的表面。

作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的一种优选方案，所述石墨烯沟道层为经过 表面功能化处理或等离子体物理吸附的石墨烯沟道层。

本发明还提供一种双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法，至少包括以下步骤：

提供半导体衬底，对所述半导体衬底进行清洗；

预刻蚀所述半导体衬底的正面，将预刻蚀后的所述半导体衬底进行退火处理，以在所述 半导体衬底的正面形成石墨烯沟道层；

在所述石墨烯沟道层上形成源电极及漏电极；

去除所述源电极及漏电极外围的所述石墨烯沟道层；

对所述石墨烯沟道层进行表面功能化处理或等离子体物理吸附；

形成高k栅介质层，所述高k栅介质层覆盖所述半导体衬底正面、石墨烯沟道层、源电 极及漏电极裸露的表面；

在所述源电极及漏电极之间的所述高k栅介质层上形成第一栅电极；

在所述半导体衬底的背面形成第二栅电极。

作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，所述半导体衬 底为6H-SiC基片，所述半导体衬底包括Si层及位于所述Si层上的SiC层。

作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，对所述半导体 衬底进行清洗的步骤包括：

利用含盐酸的过氧化氢溶液对所述半导体衬底进行酸性氧化超声波清洗；

利用去离子水对所述半导体衬底进行第一漂洗；

利用含胺的碱性过氧化氢溶液对所述半导体衬底进行碱性氧化超声波清洗；

利用去离子水对所述半导体衬底进行第二次漂洗；

将清洗后的所述半导体衬底烘干。

作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，利用双频容性 耦合等离子体对所述半导体衬底的正面进行预刻蚀；刻蚀气体为C₄F₈及Ar，刻蚀气体的流量 为C₄F₈：5～15sccm，Ar：0.1～1.0sccm；刻蚀时间为1～10分钟。

作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，刻蚀气体的流 量为C₄F₈：10sccm，Ar：0.5sccm；刻蚀时间为5分钟。

作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，在Ar气氛下对 预刻蚀后的所述半导体衬底进行退火处理，退火温度为700～1000℃；退火时间为15～25分钟。

作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，退火温度为800 ℃或950℃；退火时间为20分钟。

作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，利用氧等离子 体刻蚀去除所述源电极及漏电极外围的所述石墨烯沟道层。

作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，利用原子层沉 积工艺形成所述高k栅介质层。

如上所述，本发明提供一种双栅双极石墨烯场效应晶体管及其制作方法，具有以下有益 效果：在制造双栅双极石墨烯场效应晶体管的过程中，直接将石墨烯附着于所需的衬底上， 无需进行繁琐的转移，避免了对石墨烯结构造成破坏和杂质污染；设置第一栅电极与第二栅 电极同时调制石墨烯材料的电学性能，使得该方法制备的双栅双极石墨烯场效应晶体管具备 更加优异的开断性能，更高的载流子迁移率以及更小的栅漏电流；工艺流程简单，成本经济， 适合基于石墨烯场效应晶体管的大规模生产。

附图说明

图1显示为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的结构示意图。

图2显示为本发明双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的流程示意图。

图3至图10显示为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法在各步骤中所呈现 的结构示意图。

元件标号说明

1                      半导体衬底

11                     Si层

12                     SiC层

2                      石墨烯沟道层

3                      源电极

4                      漏电极

5                      高k栅介质层

6                      第一栅电极

7                      第二栅电极

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明 的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状 及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局 型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本实施例提供一种双栅双极石墨烯场效应晶体管，所述双栅双极石墨烯场 效应晶体管包括：半导体衬底1；石墨烯沟道层2，位于所述半导体衬底1的正面；源电极3 及漏电极4，间隔地分布于所述石墨烯沟道层2上；高k栅介质层5，覆盖于所述半导体衬底 1正面、石墨烯沟道层2、源电极3及漏电极4裸露的表面上；第一栅电极6，位于所述源电 极3及漏电极4之间的所述高k栅介质层5上；第二栅电极7，位于所述半导体衬底1的背 面。

作为示例，所述半导体衬底1为6H-SiC基片，所述半导体衬底1包括Si层11及位于所 述Si层11上的SiC层12。具体的，所述石墨烯沟道层2位于所述SiC层12的表面，更为具 体的，所述石墨烯沟道层2位于所述SiC层12的(0001)表面。

作为示例，所述源电极3及所述漏电极4的材料为Ti、Al、Au、Cu、Pt、TiN或TaN中 一种或者几种材料的组合；优选地，本实施例中，所述源电极3及所述漏电极4的材料相同， 均为Ti/Au，其中，所述Ti的厚度为5nm，Au的厚度为100nm。

作为示例，所述石墨烯沟道层2为经过表面功能化处理或等离子体物理吸附的石墨烯沟 道层。所述石墨烯沟道层2可以为利用DBD(介质阻挡放电)、DF-CCP(双频容性耦合等离 子体)等低温等离子体进行氧或碳氟等离子体放电进行表面功能化处理或进行等离子体物理 吸附的石墨烯沟道层。

作为示例，所述高k栅介质层5的材料可以为HfO₂,HfLaO,HfLaON,HfSiO,HfSiON, HfAlON,HfZrON,HfTaO,HfTaON中一种或几种材料的组合。所述高k栅介质层5的厚度为 3～7nm。

作为示例，所述高k栅介质层5将裸露的所述半导体衬底1正面、石墨烯沟道层2、源 电极3及漏电极4完全覆盖。

作为示例，所述第一栅电极6的材料为Ti、Al、Au、Cu、Pt、TiN或TaN中一种或者几 种材料的组合；优选地，本实施例中，所述第一栅电极6的材料为Ti/Au，其中，所述Ti的 厚度为5nm，Au的厚度为100nm。

作为示例，所述第二栅电极6位于所述Si层11远离所述SiC层12的表面。所述第二栅 电极7的材料为Ti、Al、Au、Cu、Pt、TiN或TaN中一种或者几种材料的组合；优选地，本 实施例中，所述第二栅电极7的材料为Ti/Au，其中，所述Ti的厚度为5nm，Au的厚度为 100nm。

所述双栅双极石墨烯场效应晶体管中同时设置所述第一栅电极6及所述第二栅电极7， 所述第一栅电极6及所述第二栅电极7同时调制石墨烯材料的电学性能，使得该方法制备的 双栅双极石墨烯场效应晶体管具备更加优异的开断性能，更高的载流子迁移率以及更小的栅 漏电流。

请参阅图2至图10，本发明还提供一种双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法，包括 步骤：

S1：提供半导体衬底1，对所述半导体衬底1进行清洗；

S2：预刻蚀所述半导体衬底1的正面，将预刻蚀后的所述半导体衬底1进行退火处理， 以在所述半导体衬底1的正面形成石墨烯沟道层2；

S3：在所述石墨烯沟道层2上形成源电极3及漏电极4；

S4：去除所述源电极3及漏电极4外围的所述石墨烯沟道层2；

S5：对所述石墨烯沟道层2进行表面功能化处理或等离子体物理吸附；

S6：形成高k栅介质层5，所述高k栅介质层5覆盖所述半导体衬底1正面、石墨烯沟 道层2、源电极3及漏电极4裸露的表面；

S7：在所述源电极3及漏电极4之间的所述高k栅介质层5上形成第一栅电极6；

S8：在所述半导体衬底1的背面形成第二栅电极7。

执行S1步骤，请参阅图2中的S1步骤及图3，提供半导体衬底1，对所述半导体衬底1 进行清洗。

作为示例，所述半导体衬底1为6H-SiC基片，所述半导体衬底1包括Si层11及位于所 述Si层11上的SiC层12。

作为示例，对所述半导体衬底1进行清洗的步骤包括：

S11：利用含盐酸的过氧化氢溶液对所述半导体衬底1进行酸性氧化超声波清洗；

S12：利用去离子水对所述半导体衬底1进行第一漂洗；

S13：利用含胺的碱性过氧化氢溶液对所述半导体衬底1进行碱性氧化超声波清洗；

S14：利用去离子水对所述半导体衬底1进行第二次漂洗；

S15：将清洗后的所述半导体衬底1使用N₂烘干。

将所述半导体衬底1进行清洗，可以有效地去除残留在所述半导体衬底1表面的油脂、 金属离子、水及灰尘等杂质，使得后续在所述半导体衬底1表面形成的石墨烯沟道层2的表 面形貌及晶格结构不受杂质的影响。

执行S2步骤，请参阅图1中的S2步骤及图4，预刻蚀所述半导体衬底1的正面，将预 刻蚀后的所述半导体衬底1进行退火处理，以在所述半导体衬底1的正面形成石墨烯沟道层 2。

作为示例，利用DF-CCP(双频容性耦合等离子体)对所述半导体衬底1的正面进行预 刻蚀；更为具体的，利用DF-CCP(双频容性耦合)等离子体对所述SiC层12的(0001)面 进行预刻蚀。刻蚀所使用的气体为C₄F₈及Ar，刻蚀气体的流量为C₄F₈：5～15sccm，Ar： 0.1～1.0sccm；刻蚀时间为1～10分钟；优选地，本实施例中，刻蚀气体的流量为C₄F₈：10sccm， Ar：0.5sccm；刻蚀时间为5分钟；刻蚀机台的高频(60MHz)功率为300W，低频(2MHz) 功率为150W，工作气压为30Pa。

作为示例，在Ar气氛下对预刻蚀后的所述半导体衬底1进行退火处理，退火温度为 700～1000℃；退火时间为15～25分钟。优选地，本实施例中，所述Ar气氛为：Ar6×10⁴Pa， 真空10Pa；退火温度为800℃或950℃；退火时间为20分钟。

作为示例，所述石墨烯沟道层2形成于所述SiC层12的表面，更为具体的，所述石墨烯 沟道层2形成于所述SiC层12的(0001)表面。形成的所述石墨烯沟道层2包括1～3石墨烯 薄膜。

该步骤得到所述石墨烯沟道层2，相较于现有技术中的通过热CVD(化学气相沉积)法， 加热SiC外延生长等制备的石墨烯沟道层具有更稳定的性能，且可以大大节约生产成本。同 时，所述石墨烯沟道层2直接形成于所需的所述半导体衬底1上，无需进行繁琐的转移，有 效地避免了由于转移所造成的石墨烯结构破坏和污染。

执行S3步骤，请参阅图1中的S3步骤及图5，在所述石墨烯沟道层2上形成源电极3 及漏电极4。

作为示例，在所述沟道层2上形成源电极3及漏电极4的步骤包括：

S31：采用电子束光刻工艺在所述石墨烯沟道层2的表面定义出源电极区域及漏电极区 域；

S32：利用电子束蒸发或溅射法在所述源电极区域及漏电极区域分别淀积金属层；

S33：将步骤S32得到的样品放入丙酮中，剥离去除多余的所述金属层，以在所述石墨烯 沟道层2上形成间隔分布的所述源电极3及漏电极4。

作为示例，所述源电极3及所述漏电极4的材料为Ti、Al、Au、Cu、Pt、TiN或TaN中 一种或者几种材料的组合；优选地，本实施例中，所述源电极3及所述漏电极4的材料相同， 均为Ti/Au，其中，所述Ti的厚度为5nm，Au的厚度为100nm。

执行S4步骤，请参阅图1中的S4步骤及图6，去除所述源电极3及漏电极4外围的所 述石墨烯沟道层2。

作为示例，所述源电极3所在的区域、所述漏电极4所在的区域、以及所述源电极3及 所述漏电极4之间的区域共同构成沟道区；该步骤中去除位于所述沟道区以外的所述石墨烯 沟道层2。

作为示例，可以利用氧等离子体刻蚀去除所述源电极3及漏电极4外围的所述石墨烯沟 道层2。

执行S5步骤，请参阅图1中的S5步骤及图7，对所述石墨烯沟道层2进行表面功能化 处理或等离子体物理吸附。

作为示例，可以利用DBD(介质层阻挡放电)、DF-CCP(双频容性耦合等离子体)等低 温等离子体进行氧或碳氟等离子体放电对所述石墨烯沟道层2进行表面功能化处理或进行等 离子体物理吸附，以在所述石墨烯沟道层2的表面形成悬挂键或成核中心，以便后续高k栅 介质层5在所述石墨烯沟道层2表面的生长。利用DBD(介质层阻挡放电)、DF-CCP(双频 容性耦合等离子体)等低温等离子体进行氧或碳氟等离子体放电对所述石墨烯沟道层2进行 表面功能化处理或进行等离子体物理吸附可以有效地解决现有工艺中对所述石墨烯沟道层2 进行表面处理带来的杂质和缺陷等问题。

执行S6步骤，请参阅图1中的S6步骤及图8，形成高k栅介质层5，所述高k栅介质层 5覆盖所述半导体衬底1正面、石墨烯沟道层2、源电极3及漏电极4裸露的表面。

作为示例，利用ALD(原子层沉积)工艺形成所述高k栅介质层。

作为示例，所述高k栅介质层5的材料可以为HfO₂,HfLaO,HfLaON,HfSiO,HfSiON, HfAlON,HfZrON,HfTaO,HfTaON中一种或几种材料的组合。所述高k栅介质层5的厚度为 3～7nm。

作为示例，所述高k栅介质层5将裸露的所述半导体衬底1正面、石墨烯沟道层2、源 电极3及漏电极4完全覆盖。

执行S7步骤，请参阅图1中的S7步骤及图9，在所述源电极3及漏电极4之间的所述 高k栅介质层5上形成第一栅电极6。

作为示例，在所述源电极3及漏电极4之间的所述高k栅介质层5上形成第一栅电极6 的步骤包括：

S71：采用电子束光刻工艺在所述高k栅介质层5的表面定义出第一栅电极区域；

S72：利用电子束蒸发或溅射法在所述第一栅电极区域淀积金属层；

S73：将步骤S72得到的样品放入丙酮中，剥离去除多余的所述金属层，以在所述源电极 3及漏电极4之间的所述高k栅介质层5上形成第一栅电极6。

作为示例，所述第一栅电极6的材料为Ti、Al、Au、Cu、Pt、TiN或TaN中一种或者几 种材料的组合；优选地，本实施例中，所述第一栅电极6的材料为Ti/Au，其中，所述Ti的 厚度为5nm，Au的厚度为100nm。

执行S8步骤，请参阅图1中的S8步骤及图10，在所述半导体衬底1的背面形成第二栅 电极7。

作为示例，利用电子束蒸发或溅射法在所述半导体衬底1的背面淀积金属层作为所述第 二栅电极7。

作为示例，所述第二栅电极7的材料为Ti、Al、Au、Cu、Pt、TiN或TaN中一种或者几 种材料的组合；优选地，本实施例中，所述第二栅电极7的材料为Ti/Au，其中，所述Ti的 厚度为5nm，Au的厚度为100nm。

在所述半导体衬底1的正面和背面同时制备所述第一栅电极6及所述第二栅电极7，所 述第一栅电极6及所述第二栅电极7同时调制石墨烯材料的电学性能，使得该方法制备的双 栅双极石墨烯场效应晶体管具备更加优异的开断性能，更高的载流子迁移率以及更小的栅漏 电流。

综上所述，本发明提供一种双栅双极石墨烯场效应晶体管及其制作方法，在制造双栅双 极石墨烯场效应晶体管的过程中，直接将石墨烯附着于所需的衬底上，无需进行繁琐的转移， 避免了对石墨烯结构造成破坏和杂质污染；设置第一栅电极与第二栅电极同时调制石墨烯材 料的电学性能，使得该方法制备的双栅双极石墨烯场效应晶体管具备更加优异的开断性能， 更高的载流子迁移率以及更小的栅漏电流；工艺流程简单，成本经济，适合基于石墨烯场效 应晶体管的大规模生产。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，例如，本发明 也可以采用三外延层或多外延层。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴 下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本 发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所 涵盖。