專利名稱：類金剛石襯底上源漏掩埋型石墨烯晶體管器件和制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種適用于射頻通信的類金剛石襯底上源漏掩埋型石墨烯晶體管器件和制作方法。
背景技術(shù)：
自從2004年Novoselov等人報(bào)道關(guān)于成功制備單程石墨烯、并發(fā)現(xiàn)石墨烯中的電場(chǎng)效應(yīng)后，石墨烯就一直受到廣泛的關(guān)注和研究(參考=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遷移率和單元層厚度更是得到了半導(dǎo)體器件工程師的青睞。尤其是在高頻應(yīng)用上，石墨烯展示了巨大的潛力，世界各個(gè)研究組爭(zhēng)相報(bào)道石墨烯的高頻性能，石墨烯晶體管的截止頻率已經(jīng)達(dá)到100G 300G。在文獻(xiàn) Dual Gate Graphene FETs with fT of 50GHz.Y. -M. Lin. et al, IEEE Electron Device Letters 31,68 (2010)中，作者通過調(diào)節(jié)背柵電壓減小溝道電阻(Access resistance),在一定范圍提高了器件的截止頻率。在文獻(xiàn)Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics. C. R. Dean, et al. Nature Nanotechnology 5, 722-726 (2010)中， 作者首次在單晶氮化硼(h-BN)襯底上制作石墨烯晶體管，以克服石墨烯因襯底二氧化硅的聲子散色而造成的載流子遷移率下降。比傳統(tǒng)二氧化硅襯底得到高幾乎一個(gè)數(shù)量級(jí)的載流子遷移率。單晶氮化硼擁有原子級(jí)的光滑表面，幾乎沒有懸掛鍵和陷阱電荷，同時(shí)擁有高的光學(xué)聲子模式和大的禁帶寬度；因此被認(rèn)為比較理想的石墨烯襯底材料。在文獻(xiàn): High-frequency, scaled graphene transistors on diamond-like carbon. Y. Wu et al., Nature 472,74(2011)中，作者提供了在類金剛石非晶碳上制作石墨烯晶體管的方法，并且首次研究了低溫下石墨烯晶體管的性能，以及石墨烯晶體管尺寸縮小的潛力。
目前石墨烯晶體管面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)有1)石墨烯是一個(gè)零帶隙的材料，如何通過摻雜或者施加外偏壓，或者引入應(yīng)力等技術(shù)得到一定的帶隙。2)石墨烯和傳統(tǒng)的二氧化硅絕緣界面有比較強(qiáng)的聲子散射，嚴(yán)重的降低了石墨烯的載流子遷移率，如何生長(zhǎng)陷阱電荷少，懸掛鍵少，聲子散射弱的優(yōu)質(zhì)絕緣上下界面是提高石墨烯晶體管性能所面臨的重要問題。3)石墨烯和金屬之間的接觸電阻，以及源漏區(qū)和柵極之間的未被柵電極覆蓋的石墨烯電阻，制約著器件的高頻性能和尺寸縮小。如圖1A和圖1B所示，在長(zhǎng)溝道的情況下， 柵電極0026和源/漏極0010/0012之間的電容為Cgs，Cgd比較小，為了達(dá)到更高的截止頻率而減小柵電極長(zhǎng)度Lg時(shí)，若柵極和源漏極之間的距離為L(zhǎng)gd，Lgs也等比例縮小，Cgs, Cgd 卻反比例增大，這樣會(huì)嚴(yán)重制約截止頻率FT的提高。若Lgd，Lgs保持不變，未被柵電極覆蓋的柵源柵漏串之間石墨烯的串聯(lián)電阻Rgs—s，Rgd—s會(huì)和柵控的石墨烯電阻R可比擬，甚至前者大于后者。因此現(xiàn)有技術(shù)的石墨烯晶體管不能做到寄生電容和溝道電阻同時(shí)減小。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上面提到的幾個(gè)需解決的問題，本發(fā)明公開了一種類金剛石襯底上源漏掩埋型石墨烯晶體管器件結(jié)構(gòu)和制作方法，通過將石墨烯晶體管的源漏極掩埋在類金剛石非晶碳襯底中，使得即使柵極和源漏極之間的距離為0，甚至小于0，也能保持柵電極和源/漏電極之間的寄生電容不變，從而充分發(fā)掘出石墨烯晶體管尺寸縮小的潛力。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是
一種類金剛石襯底上源漏掩埋型石墨烯晶體管器件，依次至少包括襯底；位于襯底上的類金剛石非晶碳薄膜；掩埋在所述類金剛石非晶碳薄膜中的源/漏電極；至少覆蓋所述源電極和漏電極上方的單層或少數(shù)層石墨烯層；淀積于所述石墨烯層上的絕緣介質(zhì)層；位于所述絕緣介質(zhì)層上的金屬柵電極。
其中所述柵電極和所述源/漏電極分別位于所述石墨烯層的上下兩側(cè)，所述源/ 漏電極與所述柵電極之間的距離或大于零、或等于零、或小于零。
其中所述襯底的材料是平坦的、彎曲的、或者有應(yīng)變的；所述襯底的材料是以下半導(dǎo)體材料之一硅、多晶硅、硅鍺合金、鍺、II1-V族化合物、或I1-VI族化合物；或者所述襯底的材料是以下絕緣體材料之一塑料薄膜、玻璃、或二氧化硅；或者所述襯底的材料是以下金屬材料之一鐵、鋁、金、銀、或銅；所述襯底和所述類金剛石非晶碳薄膜之間還有作為應(yīng)力緩沖層的二氧化硅層，所述作為應(yīng)力緩沖層厚度為5nm 50nm ;所述類金剛石非晶碳薄膜sp3C-C鍵含量大于50%，sp2C = C鍵含量大于5%，H原子的含量小于25%，其他雜質(zhì)元素的含量小于20% ;薄膜壓應(yīng)力小于4GPa ;薄膜厚度為IOnm 200nm ;表面粗糙度小于5nm ;所述源/漏電極的金屬選自下述材料之一或者其中幾種的組合包括鈕，金，Ti,Ta, Mo，Al，W, Cu，Ni, Pt，Co在內(nèi)的金屬；或包括TaN，TiN, TiSiN在內(nèi)的金屬氮化物；或包括 WSi, NiSi, CoSi, PtSi在內(nèi)的硅化物；或透明金屬氧化物電極IZO，ITO ;或多晶硅；或多晶娃娃化物；所述源區(qū)和漏區(qū)掩埋的金屬電極長(zhǎng)度5nm Ium,寬度IOnm IOum,厚度Inm IOOnm ;所述源/漏電極與所述柵電極之間的距離的絕對(duì)數(shù)值不大于40nm ;所述石墨烯層的少數(shù)層為2 10層碳原子厚度；所述絕緣介質(zhì)層為選自以下材料之一或其組合構(gòu)成的復(fù)合一層或多層:A1203、Hf02、包括 HfSiOx，HfSiON, HfAlOx, HfTaOx, HfLaOx, HfAlSiOx，或 HfLaSiOx至少之一在內(nèi)的鉿基高K介質(zhì)材料、包括Zr02，La203, LaA103, Ti02，或Y203至少之一在內(nèi)的稀土基高K介質(zhì)材料、以及包括二氧化硅，SiON，或Si3N4至少之一在內(nèi)的絕緣介質(zhì)材料。
此外，本發(fā)明還提供了一種制作上述類金剛石襯底上源漏掩埋型石墨烯晶體管器件的方法，至少包括如下步驟在半導(dǎo)體襯底上淀積一層類金剛石非晶碳薄膜；在所述類金剛石非晶碳薄膜上光刻源區(qū)和漏區(qū)；濺射源漏層材料，然后通過CMP形成一個(gè)可暴露出所述源區(qū)和漏區(qū)的平面，形成源/漏電極，并清洗所述平面的表面；將單層或者少數(shù)層石墨烯轉(zhuǎn)移到清洗后的所述表面上；在所述石墨烯上淀積絕緣介質(zhì)層；濺射金屬層，光刻刻蝕形成金屬柵電極。
優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體襯底上還通過淀積或者熱氧化形成有一層二氧化硅作為應(yīng)力緩沖層，所述類金剛石非晶碳薄膜形成于所述應(yīng)力緩沖層上。
優(yōu)選地，在所述二氧化硅層上淀積類金剛石非晶碳薄膜的方法選自以下之一磁過濾(脈沖)陰極真空弧淀積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、濺射、脈沖激光濺射、離子束沉積、或質(zhì)量選擇離子束沉積；所述源區(qū)和漏區(qū)采用氧氣/氬氣等離子體刻蝕方法形成于所述類金剛石非晶碳薄膜上； 所述源漏層材料是可與石墨烯材料形成良好歐姆接觸或肖特基接觸的材料；所述轉(zhuǎn)移石墨烯的步驟包括先將石墨烯在銅箔上生長(zhǎng)好，在石墨烯上面旋涂上PMMA，然后在FeC13溶液中將所述銅箔溶解掉，形成上為PMMA下為石墨烯的兩層結(jié)構(gòu)， 然后將該兩層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到所述平面的表面上，再用丙酮溶液將PMMA溶解掉，所述單層或者少數(shù)層石墨烯就轉(zhuǎn)移到所述平面的表面上；所述絕緣介質(zhì)層通過原子層淀積方法淀積在所述石墨烯上。
優(yōu)選地，所述磁過濾(脈沖)陰極真空弧淀積方法生長(zhǎng)類金剛石非晶碳薄膜的步驟包括使用磁過濾脈沖陰極真空弧放電淀積系統(tǒng)，準(zhǔn)備高純度石墨靶材作為陰極，選擇性通入含雜質(zhì)元素或含H元素的氣體，通過陰極真空弧放電產(chǎn)生碳等離子體以及電子、中性原子和顆粒；在所述磁過濾脈沖陰極真空弧放電淀積系統(tǒng)內(nèi)的磁過濾管道的導(dǎo)引下，其中的中性原子和顆粒被過濾掉，同時(shí)在所述襯底/ 二氧化硅上通過所述導(dǎo)電支架加負(fù)偏壓使碳離子加速，離化的碳離子轟擊到所述襯底/二氧化硅上并在其上形成類金剛石非晶碳薄膜。
優(yōu)選地，所述石墨靶材的純度在99. 9%以上，所述磁過濾脈沖陰極真空弧放電淀積系統(tǒng)的真空室的氣壓控制在10-2 10-4Pa ;襯底負(fù)偏壓406在20V 200V范圍內(nèi)；襯底溫度控制在小于150°C。
優(yōu)選地，形成所述類金剛石非晶碳薄膜后還包括3 0分鐘 300分鐘的400°C的低溫退火。
優(yōu)選地，所述柵電極和所述源/漏電極分別位于所述石墨烯層的上下兩側(cè)，所述源/漏電極與所述柵電極之間的距離或大于零、或等于零、或小于零。
其中所述襯底的材料是平坦的、彎曲的、或者有應(yīng)變的；所述襯底的材料是以下半導(dǎo)體材料之一硅、多晶硅、硅鍺合金、鍺、II1-V族化合物、或I1-VI族化合物；或者所述襯底的材料是以下絕緣體材料之一塑料薄膜、玻璃、或二氧化硅；或者所述襯底的材料是以下金屬材料之一鐵、鋁、金、銀、或銅；所述襯底和所述類金剛石非晶碳薄膜之間還有作為應(yīng)力緩沖層的二氧化硅層，所述作為應(yīng)力緩沖層厚度為5nm 50nm ;所述類金剛石非晶碳薄膜sp3C-C鍵含量大于50%，sp2C = C鍵含量大于5%，H原子的含量小于25%，其他雜質(zhì)元素的含量小于20% ;薄膜壓應(yīng)力小于4GPa ;薄膜厚度為IOnm 200nm ;表面粗糙度小于5nm;所述源/漏電極的金屬選自下述材料之一或者其中幾種的組合包括鈕,金,Ti,Ta, Mo，Al，W, Cu，Ni, Pt，Co在內(nèi)的金屬；或包括TaN，TiN, TiSiN在內(nèi)的金屬氮化物；或包括 WSi, NiSi, CoSi, PtSi在內(nèi)的硅化物；或透明金屬氧化物電極IZO，ITO ;或多晶硅；或多晶娃娃化物；所述源區(qū)和漏區(qū)掩埋的金屬電極長(zhǎng)度5nm Ium,寬度IOnm IOum,厚度Inm IOOnm ;所述源/漏電極與所述柵電極之間的距離的絕對(duì)數(shù)值不大于40nm ;所述石墨烯層的少數(shù)層為2 10層碳原子厚度；所述絕緣介質(zhì)層為選自以下材料之一或其組合構(gòu)成的復(fù)合一層或多層:A1203、Hf02、包括 HfSiOx，HfSiON, HfAlOx, HfTaOx, HfLaOx, HfAlSiOx，或 HfLaSiOx至少之一在內(nèi)的鉿基高K介質(zhì)材料、包括Zr02，La203, LaA103, Ti02，或Y203至少之一在內(nèi)的稀土基高K介質(zhì)材料、以及包括二氧化硅，SiON，或Si3N4至少之一在內(nèi)的絕緣介質(zhì)材料。
本發(fā)明的類金剛石非晶碳襯底上的源漏掩埋型石墨烯晶體管，與傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)相比的主要優(yōu)勢(shì)1)用類金剛石取代傳統(tǒng)的SiO2作為絕緣襯底，襯底上作為導(dǎo)電溝道材料的石墨烯中的遷移率更高；2)將柵電極和源漏極分別置于石墨烯導(dǎo)電溝道的上下兩側(cè)，可以使柵極與源漏極之間的水平間距小，進(jìn)而使柵電極與源漏電極之間的寄生電容小，器件的溝道電阻小。
綜上可以顯著提高石墨烯晶體管高頻性能和工作效率，尤其是提高截止頻率:Ft;該器件結(jié)構(gòu)很有可能被廣泛應(yīng)用于面向高速無線通信的小尺寸高頻率的石墨烯晶體管和石墨稀集成電路中。


圖1A是傳統(tǒng)長(zhǎng)溝道石墨烯晶體管的器件結(jié)構(gòu)示意圖1B是傳統(tǒng)短溝道石墨烯晶體管的器件結(jié)構(gòu)示意圖1C是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中石墨烯晶體管的器件結(jié)構(gòu)示意圖1D是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中石墨烯晶體管的器件結(jié)構(gòu)俯視圖，其中柵極與源漏極之間的距離Lgd’和Lgs’大于O ;
圖1E是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中石墨烯晶體管的器件結(jié)構(gòu)俯視圖，·其中柵極與源漏極對(duì)準(zhǔn)，即Lgd’和Lgs’等于O ;
圖1F是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中石墨烯晶體管的器件結(jié)構(gòu)俯視圖，其中柵極部分覆蓋源漏極，即Lgd’和Lgs’小于O ;
圖2A 圖2G是本發(fā)明類金剛石襯底上源漏掩埋型石墨烯晶體管工藝流程示意圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的器件制造工藝流程圖4是淀積類金剛石非晶碳使用的磁過濾陰極真空弧淀積系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖并以具體實(shí)施方式
為例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知曉的是，本發(fā)明不限于所列出的具體實(shí)施方式
，只要符合本發(fā)明的精神，都應(yīng)該包括于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
本發(fā)明的基本原理如下類金剛石非晶碳(Diamond-like amorphous Carbon, 簡(jiǎn)記為DLC)薄膜是一種表面非常平坦的富Sp3成分的非晶碳存在形式(參考 Michael Moseler. et al.The Ultrasmoothness of Diamond-like Carbon Surfaces. Science3091545(2005))o類金剛石非晶碳化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，表面陷阱電荷和懸掛鍵少，而且能和石墨烯界面形成比較弱的π鍵，可以得到質(zhì)量比較好的界面和較高的載流子遷移率。 而且源漏掩埋型的器件結(jié)構(gòu)能夠大大減小柵極和源極漏極之間的寄生電容，相同尺寸的柵長(zhǎng)條件下溝道長(zhǎng)度更短，尤其是未被柵電極和源極漏電極覆蓋的石墨烯從理論上講可以減小到零，進(jìn)而大大減小了溝道的電阻，從而提高石墨烯晶體管和集成電路的高頻性能和器件效率。如圖1C，本發(fā)明將源漏極金屬掩埋在石墨烯下面，在同樣的柵長(zhǎng)Lg條件下，可以做到寄生電容和溝道電阻同時(shí)減小，同時(shí)器件的集成度和高頻性能得到提高；圖1D是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中石墨烯晶體管的器件結(jié)構(gòu)俯視圖，其中柵極與源漏極之間距離大于零，即相距；圖1E是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中石墨烯晶體管的器件結(jié)構(gòu)俯視圖，其中柵極與源漏極距離等于零，即對(duì)準(zhǔn)；圖1F是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中石墨烯晶體管的器件結(jié)構(gòu)俯視圖，其中柵極與源漏極距離小于零，即覆蓋。
下面結(jié)合圖3的器件制造工藝流程示意圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。
步驟301，請(qǐng)同時(shí)參見圖2A，首先提供襯底000;襯底材料的選擇范圍非常廣泛，可以是半導(dǎo)體材料，可選的包括硅，鍺，多晶硅，非晶硅，硅鍺合金，II1-V族，I1-VI族化合物半導(dǎo)體材料；也可以是絕緣體，如塑料薄膜，玻璃，二氧化硅，氮化硅等；也可以是金屬， 比如鐵，鋁，金，銀，銅等；襯底材料可以是平坦的，彎曲的，或者有應(yīng)變的。然后在襯底000 上淀積應(yīng)力緩沖層，在一實(shí)施例中，淀積或熱氧化二氧化硅002，此二氧化硅厚度范圍為 5nm lum，作為后面將要生長(zhǎng)的類金剛石非晶碳004的應(yīng)力緩沖層。
步驟302，同時(shí)參見圖2A，然后在應(yīng)力緩沖層二氧化硅002上淀積一層sp3含量高的類金剛石非晶碳薄膜004，生長(zhǎng)類金剛石非晶碳薄膜004的方法優(yōu)先選擇磁過濾(脈沖)陰極真空弧放電淀積(FCVA)方法，或者其他可選的方法等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 (PECVD)，派射(Sputtering)，脈沖激光派射(Pulsed laser deposition)，離子束沉積(Ion beam deposition),質(zhì)量選擇離子束沉積(Mass selected ion beam deposition)等。
下面詳述其中FCVA生長(zhǎng)類金剛石非晶碳004的方法。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中， 生長(zhǎng)類金剛石非晶碳004使用磁過濾脈沖陰極真空弧放電淀積(FCVA)系統(tǒng)410，如圖4所示；準(zhǔn)備高純度石墨靶材400作為陰極，石墨靶材的純度在99. 9%以上，選擇性通入含雜質(zhì)元素或含H元素的氣體，如硅烷(SiH4)，氨氣(NH3)，乙炔(C2H2)等，通過陰極真空弧放電產(chǎn)生碳等離子體以及電子、中性原子和顆粒。在磁過濾管道402的導(dǎo)引下，中性原子和顆粒被過濾掉，同時(shí)在襯底000/ 二氧化硅002上通過導(dǎo)電支架404加負(fù)偏壓使碳離子加速，幾乎100%離化的碳離子轟擊到襯底000/ 二氧化硅002上，從而在襯底000/ 二氧化硅002上形成類金剛石非晶碳薄膜004。其中碳離子能量通過在襯底上加一定的負(fù)偏壓406調(diào)節(jié)。 真空室408的氣壓控制在10-2 10-5Pa ;襯底負(fù)偏壓406在20V 300V范圍內(nèi)；襯底404 溫度控制在小于150°C。
由于用FCVA生長(zhǎng)的類金剛石非晶碳通常都具有大小范圍為2 SGPa的壓應(yīng)力， 因此可選的經(jīng)過30分鐘 300分鐘的400°C的低溫退火，以部分或者全部的釋放壓應(yīng)力，但仍然保持類金剛石的高絕緣性，光滑表面等性質(zhì)不變化。
制備所得的類金剛石非晶碳薄膜004中sp3C_C鍵含量大于50%，sp2C = C鍵含量大于5%，H原子的含量小于20%，摻雜元素的含量小于20%，可選的摻雜元素包括下述元素中的一種或者多種元素的組合B，N，0，F(xiàn)，Si，P，Cl，以及金屬元素；薄膜厚度在IOnm 500nm ;表面粗糙度(RMS)小于5nm,更優(yōu)地，RMS小于lnm。
因?yàn)楹罄m(xù)工藝的石墨烯是二維材料，若類金剛石非晶碳004薄膜表面不夠光滑或者表面不夠清潔，將會(huì)對(duì)石墨烯造成污染，褶皺，引入局部應(yīng)力，甚至嚴(yán)重降低石墨烯的載流子的遷移率。因此要保證類金剛石非晶碳薄膜004表面的光滑和清潔。
步驟303，請(qǐng)同時(shí)參見圖2B，在類金剛石非晶碳薄膜004上光刻并刻蝕源區(qū)006和漏區(qū)008 ;在一個(gè)具體實(shí)施例中，刻蝕源區(qū)006和漏區(qū)008是采用氧氣/氬氣等離子體刻蝕方法。
步驟304，請(qǐng)同時(shí)參見圖2C，然后濺射多層金屬，源漏金屬可選自任何可以和石墨烯材料形成良好歐姆接觸或肖特基接觸的材料，優(yōu)選容易和石墨烯形成良好的歐姆接觸的金屬種類，在一個(gè)具體實(shí)施例中，采用IE (palladium)和金(aurum)作為源漏金屬電極,首先濺射20nm的金，然后再濺射50nm的鈀；在其他實(shí)施例中，源漏金屬還可以選擇下述材料之一或者其中幾種的組合金屬Ti, Ta，Mo，Al，W，Cu，Ni，Pt，Co ;金屬氮化物TaN, TiN, TiSiN ;硅化物WSi, NiSi, CoSi, PtSi ;透明金屬氧化物電極IZO, ITO ;多晶硅，多晶硅硅化物等。
參考圖1D，源區(qū)012和漏區(qū)010掩埋的金屬電極在垂直于平面方向上(ζ軸)厚度可選的Inm IOOnm,在平行于導(dǎo)電溝道方向(χ軸)長(zhǎng)度可選的5nm Ium,在平行于平面垂直于導(dǎo)電溝道方向(y軸)寬度可選的在IOnm 10um。
然后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)得到掩埋在類金剛石非晶碳薄膜004中的源區(qū) 012和漏區(qū)010，并形成一個(gè)表面016，暴露出源區(qū)012和漏區(qū)010的金屬以便與后續(xù)工藝形成的石墨烯材料形成良好的歐姆接觸或者肖特基接觸，如圖2D所示。
步驟305，CMP之后一定要清洗表面016，因?yàn)楸砻?16的質(zhì)量直接影響著石墨烯的載流子遷移率和接觸電阻的大小。在一個(gè)具體實(shí)施例中使用丙酮乙醇溶液超聲清洗10 30分鐘。
請(qǐng)同時(shí)參見圖2E，然后將作為導(dǎo)電溝道材料的石墨烯018轉(zhuǎn)移到清潔后的表面 016上，石墨烯作為導(dǎo)電溝道材料可以是單層，或者少數(shù)層(一般2 10層)；石墨烯材料可選的是通過化學(xué)摻雜或者通過施加機(jī)械應(yīng)力引入帶隙，或未經(jīng)任何改變的零帶隙的石墨烯材料。
石墨烯可以是用機(jī)械剝離的方法獲得，但是這種方法效率低，不適合工業(yè)化 應(yīng)用。 或者SiC材料加熱得到的單層或者多層的石墨烯材料；石墨烯也可以是利用化學(xué)氣相沉積的方法生長(zhǎng)所得(請(qǐng)參考Li, X. S. et al. Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils. Science 324,1312-1314(2009))。
在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，采用化學(xué)氣相沉積方法將在銅箔上生長(zhǎng)的單層或少數(shù)層(通常情況下為2 10層碳原子厚度)石墨烯018轉(zhuǎn)移到清潔后的表面016上，請(qǐng)同時(shí)參見圖2E。石墨烯018在銅箔上生長(zhǎng)好后，首先在石墨烯018上面旋涂上PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，polymethylmethacrylate),然后在FeC13溶液中將銅箔溶解掉，形成了上為 PMMA下為石墨烯的兩層結(jié)構(gòu)020，然后將(PMMA/石墨烯)020轉(zhuǎn)移到表面016上，再用丙酮溶液將PMMA溶解掉，單層或者少數(shù)層石墨烯018就通過表面氫鍵吸附在表面016上而留在了類金剛石非晶碳004襯底上。這樣單層或者少數(shù)層石墨烯018與源區(qū)漏區(qū)金屬010/012 就可形成良好的歐姆接觸并且平整的吸附在類金剛石非晶碳004的表面016上。
參見圖2F，石墨烯至少覆蓋源區(qū)012和漏區(qū)010以及源漏區(qū)之間的導(dǎo)電溝道區(qū)域 028。
步驟306,參見圖2F,在一個(gè)實(shí)施例中，在石墨烯018上用原子層淀積(Atomic Layer Deposition, ALD)方法淀積Hf02/A1203高K絕緣介質(zhì)層022,首先淀積2nm的Al, Al自然氧化后再淀積15nm的Hf02。柵絕緣介質(zhì)可選的有鉿基高K介質(zhì)材料Hf02，HfSiOx, HfSiON, HfAlOx, HfTaOx, HfLaOx, HfAlSiOx, HfLaSiOx 等；稀土基高 K 介質(zhì)材料Zr02, La2O3, LaAlO3, TiO2, Y2O3 ;傳統(tǒng)絕緣介質(zhì)材料Si02，SiONx, Si3N4, Al2O3等；絕緣介質(zhì)材料可以選擇上述材料的一種或者多種絕緣介質(zhì)材料的復(fù)合多層結(jié)構(gòu)。
類金剛石非晶碳和絕緣介質(zhì)的質(zhì)量非常重要，因?yàn)樗鼈冎苯雍褪┙佑|，包括缺陷，平整度，陷阱電荷，雜質(zhì)原子，懸掛鍵，聲子散色等在內(nèi)的接觸界面的質(zhì)量直接影響著石墨烯中載流子的遷移率。
步驟307，然后濺射金屬層024，光刻并刻蝕金屬柵電極026，柵電極位于源漏兩個(gè)電極之間絕緣介質(zhì)022的上方，將柵電極的圖形轉(zhuǎn)移到金屬層024上，得到金屬柵電極026 ； 柵電極隔著上述柵絕緣介質(zhì)通過電場(chǎng)來調(diào)控導(dǎo)電溝道中的電荷輸運(yùn)。柵電極金屬可選的材料很廣泛，幾乎任何適用于現(xiàn)代集成電路的柵金屬都可以通過施加電壓來控制石墨烯中的載流子的電荷輸運(yùn)過程；源漏電極與柵電極的距離Lgd’和Lgs’可選的大于零，即相距(圖 1D)，或等于零，即自對(duì)準(zhǔn)(圖1E)，或小于零，即覆蓋(圖1F);相距與覆蓋的絕對(duì)數(shù)值不大于 40nmo
步驟308，步驟309及310，最后用與CMOS工藝兼容的方法做保護(hù)層，金屬通孔，互聯(lián)，封裝測(cè)試等后端工藝(BEOL)，因是本領(lǐng)域所周知的技術(shù)，故不再贅述。
這樣就完成了本實(shí)施例(圖2G)，一種在類金剛石非晶碳襯底上的源漏掩埋型石墨烯晶體管。結(jié)合圖2G及圖1D、1E、1F可見，本發(fā)明的晶體管源漏電極010/012分布在石墨烯導(dǎo)電溝道018的下側(cè)，柵電極位于石墨烯導(dǎo)電溝道018的上側(cè)，源漏電極與柵電極的距離Lgd’和Lgs’可大于零即相距(圖1D)，或等于零即自對(duì)準(zhǔn)(圖1E)，或小于零即覆蓋(圖 1F);相距與覆蓋的絕對(duì)數(shù)值不大于40nm。
與傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)相比本器件主要的優(yōu)勢(shì)1)用類金剛石取代傳統(tǒng)的SiO2作為絕緣襯底，襯底上作為導(dǎo)電溝道材料的石墨烯中的遷移率更高；2)將柵電極和源漏極分別置于石墨烯導(dǎo)電溝道的上下兩側(cè)，可以使柵極與源漏極之間的水平間距小，進(jìn)而使柵電極與源漏電極之間的寄生電容小，器件的溝道電阻小。
上述的兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)可以顯著提高石墨烯晶體管高頻性能和工作效率，尤其是提高截止頻率Ττ;該器件結(jié)構(gòu)在面向高速無線通信的小尺寸高頻率的石墨烯晶體管和石墨烯集成電路中應(yīng)用前景廣泛。
本公開的器件結(jié)構(gòu)和工藝方法不僅適用于石墨烯材料晶體管，而且適用于其他碳材料的晶體管如碳納米管晶體管，以及非晶硅，多晶硅，氧化物等薄膜晶體管。
應(yīng)該注意的是上述實(shí)施例是示例而非限制本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)計(jì)很多替代實(shí)施例而不脫離附后的權(quán)利要求書的范圍。
權(quán)利要求
1.一種類金剛石襯底上源漏掩埋型石墨烯晶體管器件，其特征是所述器件依次至少包括 襯底； 位于襯底上的類金剛石非晶碳薄膜； 掩埋在所述類金剛石非晶碳薄膜中的源/漏電極； 至少覆蓋所述源電極和漏電極上方的單層或少數(shù)層石墨烯層； 淀積于所述石墨烯層上的絕緣介質(zhì)層； 位于所述絕緣介質(zhì)層上的金屬柵電極。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征是 所述柵電極和所述源/漏電極分別位于所述石墨烯層的上下兩側(cè)，所述源/漏電極與所述柵電極之間的距離或大于零、或等于零、或小于零。
3.如權(quán)利要求1或2所述的器件，其特征是 所述襯底的材料是平坦的、彎曲的、或者有應(yīng)變的； 所述襯底的材料是以下半導(dǎo)體材料之一硅、多晶硅、硅鍺合金、鍺、II1-V族化合物、或I1-VI族化合物； 或者所述襯底的材料是以下絕緣體材料之一塑料薄膜、玻璃、或二氧化硅； 或者所述襯底的材料是以下金屬材料之一鐵、鋁、金、銀、或銅； 所述襯底和所述類金剛石非晶碳薄膜之間還有作為應(yīng)力緩沖層的二氧化硅層，所述作為應(yīng)力緩沖層厚度為5nm 50nm ； 所述類金剛石非晶碳薄膜sp3C-C鍵含量大于50 %，sp2C = C鍵含量大于5 %，H原子的含量小于25%，其他雜質(zhì)元素的含量小于20%;薄膜壓應(yīng)力小于4GPa ;薄膜厚度為IOnm 200nm ;表面粗糙度小于5nm ； 所述源/漏電極的金屬選自下述材料之一或者其中幾種的組合包括鈀，金，Ti，Ta，Mo，Al，W, Cu，Ni, Pt，Co在內(nèi)的金屬；或包括TaN，TiN, TiSiN在內(nèi)的金屬氮化物；或包括WSi, NiSi, CoSi, PtSi在內(nèi)的硅化物；或透明金屬氧化物電極IZO，ITO ;或多晶硅；或多晶硅硅化物； 所述源區(qū)和漏區(qū)掩埋的金屬電極長(zhǎng)度5nm Ium,寬度IOnm IOum,厚度Inm IOOnm ；所述源/漏電極與所述柵電極之間的距離的絕對(duì)數(shù)值不大于40nm ； 所述石墨烯層的少數(shù)層為2 10層碳原子厚度； 所述絕緣介質(zhì)層為選自以下材料之一或其組合構(gòu)成的復(fù)合一層或多層A1203、HfO2、包括 HfSiOx, HfSiON, HfAlOx, HfTaOx, HfLaOx, HfAlSiOx，或 HfLaSiOx 至少之一在內(nèi)的鉿基高 K介質(zhì)材料、包括ZrO2, La2O3, LaAlO3, TiO2,或Y2O3至少之一在內(nèi)的稀土基高K介質(zhì)材料、以及包括二氧化硅，SiON，或Si3N4至少之一在內(nèi)的絕緣介質(zhì)材料。
4.一種制作如權(quán)利要求1至3所述的類金剛石襯底上源漏掩埋型石墨烯晶體管器件的方法，其特征是至少包括如下步驟 在半導(dǎo)體襯底上淀積一層類金剛石非晶碳薄膜； 在所述類金剛石非晶碳薄膜上光刻源區(qū)和漏區(qū)； 濺射源漏層材料，然后通過CMP形成一個(gè)可暴露出所述源區(qū)和漏區(qū)的平面，形成源/漏電極，并清洗所述平面的表面；將單層或者少數(shù)層石墨烯轉(zhuǎn)移到清洗后的所述表面上； 在所述石墨烯上淀積絕緣介質(zhì)層； 濺射金屬層，光刻刻蝕形成金屬柵電極。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征是 所述半導(dǎo)體襯底上還通過淀積或者熱氧化形成有一層二氧化硅作為應(yīng)力緩沖層，所述類金剛石非晶碳薄膜形成于所述應(yīng)力緩沖層上。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征是 在所述二氧化硅層上淀積類金剛石非晶碳薄膜的方法選自以下之一磁過濾(脈沖)陰極真空弧淀積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、濺射、脈沖激光濺射、離子束沉積、或質(zhì)量選擇離子束沉積； 所述源區(qū)和漏區(qū)采用氧氣/氬氣等離子體刻蝕方法形成于所述類金剛石非晶碳薄膜上； 所述源漏層材料是可與石墨烯材料形成良好歐姆接觸或肖特基接觸的材料； 所述轉(zhuǎn)移石墨烯的步驟包括先將石墨烯在銅箔上生長(zhǎng)好，在石墨烯上面旋涂上PMMA,然后在FeCl3溶液中將所述銅箔溶解掉，形成上為PMMA下為石墨烯的兩層結(jié)構(gòu)，然后將該兩層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到所述平面的表面上，再用丙酮溶液將PMMA溶解掉，所述單層或者少數(shù)層石墨烯就轉(zhuǎn)移到所述平面的表面上； 所述絕緣介質(zhì)層通過原子層淀積方法淀積在所述石墨烯上。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是所述磁過濾(脈沖)陰極真空弧淀積方法生長(zhǎng)類金剛石非晶碳薄膜的步驟包括 使用磁過濾脈沖陰極真空弧放電淀積系統(tǒng)，準(zhǔn)備高純度石墨靶材作為陰極，選擇性通入含雜質(zhì)元素或含H元素的氣體，通過陰極真空弧放電產(chǎn)生碳等離子體以及電子、中性原子和顆粒；在所述磁過濾脈沖陰極真空弧放電淀積系統(tǒng)內(nèi)的磁過濾管道的導(dǎo)引下，其中的中性原子和顆粒被過濾掉，同時(shí)在所述襯底/ 二氧化硅上通過所述導(dǎo)電支架加負(fù)偏壓使碳離子加速，離化的碳離子轟擊到所述襯底/二氧化硅上并在其上形成類金剛石非晶碳薄膜。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征是所述石墨靶材的純度在99.9%以上，所述磁過濾脈沖陰極真空弧放電淀積系統(tǒng)的真空室的氣壓控制在10-2 10-4Pa ;襯底負(fù)偏壓406在20V 200V范圍內(nèi)；襯底溫度控制在小于150°C。
9.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征是形成所述類金剛石非晶碳薄膜后還包括30分鐘 300分鐘的400°C的低溫退火。
10.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征是所述柵電極和所述源/漏電極分別位于所述石墨烯層的上下兩側(cè)，所述源/漏電極與所述柵電極之間的距離或大于零、或等于零、或小于零。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征是 所述襯底的材料是平坦的、彎曲的、或者有應(yīng)變的； 所述襯底的材料是以下半導(dǎo)體材料之一硅、多晶硅、硅鍺合金、鍺、II1-V族化合物、或I1-VI族化合物； 或者所述襯底的材料是以下絕緣體材料之一塑料薄膜、玻璃、或二氧化硅；或者所述襯底的材料是以下金屬材料之一鐵、鋁、金、銀、或銅； 所述襯底和所述類金剛石非晶碳薄膜之間還有作為應(yīng)力緩沖層的二氧化硅層，所述作為應(yīng)力緩沖層厚度為5nm 50nm ； 所述類金剛石非晶碳薄膜sp3C-C鍵含量大于50%，sp2C = C鍵含量大于5%，H原子的含量小于25%，其他雜質(zhì)元素的含量小于20%;薄膜壓應(yīng)力小于4GPa ;薄膜厚度為IOnm 200nm ;表面粗糙度小于5nm ； 所述源/漏電極的金屬選自下述材料之一或者其中幾種的組合包括鈀，金，Ti，Ta，Mo，Al，W，Cu，Ni, Pt，Co在內(nèi)的金屬；或包括TaN，TiN, TiSiN在內(nèi)的金屬氮化物；或包括WSi, NiSi, CoSi, PtSi在內(nèi)的硅化物；或透明金屬氧化物電極IZO，ITO ;或多晶硅；或多晶硅硅化物； 所述源區(qū)和漏區(qū)掩埋的金屬電極長(zhǎng)度5nm Ium,寬度IOnm IOum,厚度Inm IOOnm ； 所述源/漏電極與所述柵電極之間的距離的絕對(duì)數(shù)值不大于40nm ； 所述石墨烯層的少數(shù)層為2 10層碳原子厚度； 所述絕緣介質(zhì)層為選自以下材料之一或其組合構(gòu)成的復(fù)合一層或多層A1203、HfO2、包括 HfSiOx, HfSiON, HfAlOx, HfTaOx, HfLaOx, HfAlSiOx，或 HfLaSiOx 至少之一在內(nèi)的鉿基高 K介質(zhì)材料、包括ZrO2, La2O3, LaAlO3, TiO2,或Y2O3至少之一在內(nèi)的稀土基高K介質(zhì)材料、以及包括二氧化硅，SiON，或Si3N4至少之一在內(nèi)的絕緣介質(zhì)材料。
全文摘要
一種適用于射頻通信的類金剛石襯底上源漏掩埋型石墨烯晶體管器件和制作方法。首先通過磁過濾陰極真空弧系統(tǒng)在襯底上淀積一層表面光滑且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的類金剛石非晶碳，在類金剛石非晶碳絕緣層上刻蝕出源漏區(qū)溝槽并填充電極金屬，平坦化處理和清洗襯底表面后，將化學(xué)氣相沉積方法生長(zhǎng)的石墨烯轉(zhuǎn)移到清潔襯底上，用原子層淀積方法生長(zhǎng)柵絕緣介質(zhì)并濺射柵電極金屬。反應(yīng)離子刻蝕形成金屬柵，然后淀積低K絕緣介質(zhì)保護(hù)器件。本發(fā)明的石墨烯晶體管的載流子遷移率高；源漏掩埋型結(jié)構(gòu)能夠減小未被柵極覆蓋區(qū)域的石墨烯長(zhǎng)度，減小柵源柵漏電容和溝道電阻，提高石墨烯晶體管的高頻性能和效率。本發(fā)明有可能被廣泛應(yīng)用到小尺寸高頻率的石墨烯集成電路中。
文檔編號(hào)H01L29/08GK103000669SQ201110266848
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月9日
發(fā)明者馬小龍, 殷華湘 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子研究所