本發(fā)明涉及半導體制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯場效應(yīng)晶體管及其形成方法。

背景技術(shù)：

石墨烯是一種具有平面苯環(huán)結(jié)構(gòu)的新型二維納米材料，單層石墨烯厚度僅有約一個原子層厚度；由于其零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，室溫下電子遷移率能夠達到光速的三百分之一，電阻率比銅或銀更低，而且由于碳原子之間化學鍵的作用，石墨烯的機械強度比鋼還要高一百倍。正是由于石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來的這些優(yōu)良的性能，目前石墨烯已經(jīng)應(yīng)用于晶體管、透明電極、顯示屏、超級電容器、太陽能電池等領(lǐng)域，并取得了不錯的效果。

然而，由于單層石墨烯或雙層石墨烯本身不具備能隙，石墨烯的諸多優(yōu)點無法應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管中。而氫化(hydrogenated)的石墨烯與多層(三層及以上)石墨烯具備可調(diào)節(jié)的能隙，因此可直接應(yīng)用于常溫下場效應(yīng)晶體管的制造中。對于單層石墨烯或雙層石墨烯，在對其進行量子限制的情況下，也能產(chǎn)生能隙，如形成單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶，使其得以應(yīng)用于石墨烯場效應(yīng)晶體管。

目前在石墨烯場效應(yīng)晶體管的制作工藝中，石墨烯的制備方法主要包括微機械剝離法、化學剝離法、碳化硅外延生長法以及化學氣相沉積法。其中化學氣相沉積法包括：采用化學氣相沉積法將石墨烯生長在金屬襯底上，然后將石墨烯從金屬襯底上轉(zhuǎn)移至非金屬襯底上加以利用。微機械剝離法包括：采用微機械剝離法從高定向熱解石墨(highlyorientedpyrolyticgraphene,hopg)中獲得石墨烯，再轉(zhuǎn)移至非金屬襯底上。然而這兩種方法都存在有明顯的弊端，因為在石墨烯轉(zhuǎn)移的過程中不可避免會引入一些非理想因素，如褶皺、破洞、雜質(zhì)等，這些都會對器件的電學性能有影響，除此之外，轉(zhuǎn)移的石墨烯往往也難以與非金屬襯底形成良好的歐姆接觸。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提出一種石墨烯場效應(yīng)晶體管及其形成方法，簡化了石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備流程，且制備工藝易于控制。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提供一種石墨烯場效應(yīng)晶體管的形成方法，包括：提供基底，所述基底包括第一區(qū)域、第二區(qū)域以及位于第一區(qū)域和第二區(qū)域之間的第三區(qū)域；在所述基底上形成石墨材料層；處理所述石墨材料層，形成多層石墨烯層；從厚度方向去除所述第一區(qū)域和第二區(qū)域的多層石墨烯層的一部分，形成單層石墨烯層或雙層石墨烯層；在第三區(qū)域的多層石墨烯層表面上形成柵介質(zhì)層；去除所述第一區(qū)域和第二區(qū)域的單層石墨烯層或雙層石墨烯層的一部分，分別形成源區(qū)和漏區(qū)；在源區(qū)、漏區(qū)、及柵介質(zhì)層上分別形成電極。

可選地，所述石墨材料層為高定向熱解石墨；所述高定向熱解石墨的厚度范圍為至

可選地，所述處理所述石墨材料層，形成多層石墨烯層的方法包括采用原子層刻蝕方法進行刻蝕，形成所述多層石墨烯層的厚度范圍為至

可選地，從厚度方向去除所述第一區(qū)域和第二區(qū)域的多層石墨烯層的一部分，形成單層石墨烯層或雙層石墨烯層包括：在第三區(qū)域的所述多層石墨烯層上形成圖形化層，暴露出待刻蝕的第一區(qū)域和第二區(qū)域的多層石墨烯層；以所述圖形化層為掩模，采用原子層刻蝕方法刻蝕第一區(qū)域和第二區(qū)域的多層石墨烯層，形成單層石墨烯層或雙層石墨烯層；去除所述圖形化層。

可選地，所述形成的單層石墨烯層或雙層石墨烯層的厚度范圍為至

可選地，所述去除所述第一區(qū)域和第二區(qū)域的單層石墨烯層或雙層石墨烯層的一部分，分別形成源區(qū)和漏區(qū)的方法包括：沿垂直于溝道長度方向、分別去除所述第一區(qū)域的單層石墨烯層或雙層石墨烯層的一部分、以及第二區(qū)域的單層石墨烯層或雙層石墨烯層的一部分，形成位于第一區(qū)域和第二區(qū)域的單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶，分別作為源區(qū)和漏區(qū)。

可選地，形成的所述單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶沿垂直于晶 體管溝道長度方向的尺寸范圍為至

可選地，去除所述第一區(qū)域和第二區(qū)域的單層石墨烯層或雙層石墨烯層的一部分的方法包括采用原子層刻蝕方法。

可選地，所述原子層刻蝕方法包括采用干法刻蝕及濕法刻蝕步驟。

可選地，所述干法刻蝕的刻蝕氣體包括采用含有鋅、銅、鐵、鎘以及銀中的任意一種金屬離子的有機化合物的等離子體，或者氮氣、氟氣、氧氣及氯氣中的任意一種氣體。

可選地，所述濕法刻蝕包括采用鹽酸、氫氟酸、磷酸、硫酸、或者硝酸進行刻蝕。

可選地，所述原子層刻蝕方法是在拉曼光譜監(jiān)測下進行。

相應(yīng)地，本發(fā)明實施例還提供一種石墨烯場效應(yīng)晶體管，包括：基底，所述基底包括第一區(qū)域、第二區(qū)域以及位于第一區(qū)域和第二區(qū)域之間的第三區(qū)域；位于第一區(qū)域和第二區(qū)域的單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶，所述位于第一區(qū)域和第二區(qū)域的單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶構(gòu)成所述場效應(yīng)晶體管的源區(qū)和漏區(qū)，位于第三區(qū)域的多層石墨烯層；位于第三區(qū)域的多層石墨烯層表面的柵介質(zhì)層；位于源區(qū)、漏區(qū)、和柵介質(zhì)層上的電極。

可選地，所述單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶的厚度范圍為至所述單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶沿垂直于晶體管溝道長度方向的尺寸范圍為至

可選地，所述多層石墨烯層的厚度范圍為至

可選地，所述基底包括襯底以及位于襯底之上的襯層，所述襯層的材料為siox，其中x的值為0.5至3之間。

可選地，所述siox的厚度范圍是200nm至350nm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實施例的技術(shù)方案具有以下有益效果：

本發(fā)明實施例的形成方法中，通過在襯底上形成石墨材料層，采用石墨材料層制備形成石墨烯場效應(yīng)晶體管所需的多層石墨烯層與單層石墨烯層或 雙層石墨烯層，實現(xiàn)了石墨烯的原位生長，克服了在將石墨烯轉(zhuǎn)移襯底的過程中，引入的非理想因素對石墨烯場效應(yīng)晶體管性能的破壞；并且本發(fā)明實施例采用自上而下的石墨烯制備方法，簡化了制備流程，且制備工藝易于控制。

可選地，本發(fā)明實施例采用高定向熱解石墨作為石墨材料層，利用原子層刻蝕方法制取多層石墨烯層與單層石墨烯層或雙層石墨烯，具有形成的石墨烯平面較為平整,單一晶格區(qū)域較大,石墨烯層與層之間容易分離等優(yōu)點；克服了微機械剝離法由高定向熱解石墨制取多層石墨烯層與單層石墨烯層或雙層石墨烯層過程中面積及質(zhì)量的不可控，以及在傳遞轉(zhuǎn)移過程中石墨烯容易被損壞的缺點。

本發(fā)明實施例的石墨烯場效應(yīng)晶體管，將具有能隙的單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶作為源漏區(qū)，多層石墨烯層位于源漏區(qū)之間，使得位于源漏區(qū)之間且與單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶位于同一層的多層石墨烯層內(nèi)的單層石墨烯層或雙層石墨烯層作為溝道區(qū)。由于單層石墨烯層或雙層石墨烯具有載流子的彈道輸運能力，及很高的載流子遷移率，使得所形成的石墨烯場效應(yīng)晶體管具有很高的載流子遷移率。

附圖說明

圖1至圖9是本發(fā)明一實施例的石墨烯場效應(yīng)晶體管的形成方法的中間結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種石墨烯場效應(yīng)晶體管及其形成方法，下面結(jié)合附圖加以詳細的說明。

圖1至圖9是本發(fā)明一實施例的石墨烯場效應(yīng)晶體管的形成方法的中間結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。

參考圖1，提供基底100，所述基底100包括第一區(qū)域100a、第二區(qū)域100b以及位于第一區(qū)域100a和第二區(qū)域100b之間的第三區(qū)域100c；所述基底100包括襯底101以及襯層102，所述襯層102形成于襯底101上；在所述基底100上形成石墨材料層110。

在本發(fā)明實施例中，所述襯底101可以為硅襯底、硅鍺襯底、碳化硅襯底、絕緣體上硅襯底、絕緣體上鍺襯底或iii-v族化合物襯底，例如氮化鎵襯底或砷化鎵襯底等；所述襯底101還可以是由其他半導體材料形成的襯底；所述襯底101還可以選自具有外延層或外延層上硅結(jié)構(gòu)。本實施例中，所述襯底101為單晶硅襯底。

所述襯層102可以為siox，其中x的值為0.5至3之間。形成的siox襯層的厚度范圍為200nm至350nm。需要說明的是，所述襯層102用于在后續(xù)用拉曼光譜確定由高定向熱解石墨制得的石墨烯的層數(shù)時，使石墨烯的結(jié)構(gòu)可以被分辨出。本實施例中，所述襯層102的材料為sio2，形成所述sio2的厚度為300nm。

所述石墨材料層110的材料為高定向熱解石墨(hopg)。所述高定向熱解石墨的厚度范圍為至具體地，本實施例中所述高定向熱解石墨的厚度為

參考圖2，采用原子層刻蝕(atomiclayeretch,ale)方法處理所述高定向熱解石墨，對其進行單原子層的剝離，以得到多層石墨烯層120。

所述原子層刻蝕方法包括干法刻蝕及濕法刻蝕步驟：即先用干法刻蝕氣體濺射所述高定向熱解石墨的表面；再用濕法刻蝕的試劑對濺射后的高定向熱解石墨的表面進行處理，如此重復(fù)上述步驟，直至獲得層數(shù)均勻性較好以及缺陷較少的多層石墨烯層120。需要說明的是，所述多層石墨烯層120是由n層單層石墨烯層121組成，其中n大于等于3。

所述干法刻蝕的氣體包括采用含有鋅、銅、鐵、鎘以及銀中的任意一種金屬離子的有機化合物的等離子體，或者氮氣、氟氣、氧氣及氯氣中的任意一種氣體，刻蝕氣體的流量為1sccm至5000sccm，功率為100w至1000w，偏置電壓為0v至500v，頻率為2mhz至4ghz，刻蝕溫度為-140℃至200℃，壓強為1mtorr至1000torr，濺射時間為1s至100s。所述濕法刻蝕的試劑包括鹽酸、氫氟酸、磷酸、硫酸或硝酸中的一種或者其任意組合，所述濕法刻蝕試劑與h2o的體積比為1:1至1:1000，處理時間為1s至500s。形成的所述多層石墨烯層120的厚度范圍為至

本實施例中，所述干法刻蝕的氣體為氧氣，氣體的流量為20sccm，功率為500w，偏置電壓為200v，頻率為5mhz，刻蝕溫度為50℃，壓強為20torr，濺射時間為50s。所述濕法刻蝕采用鹽酸作為刻蝕劑，所述鹽酸溶液中h2o與hcl的體積比為200:1，處理時間為100s。形成的所述多層石墨烯層120的厚度為

在采用原子層刻蝕方法處理所述高定向熱解石墨的同時，還包括利用拉曼光譜對處理中的高定向熱解石墨的結(jié)構(gòu)進行鑒定，以確定刻蝕得到的多層石墨烯層120的層數(shù)，同時控制原子層刻蝕方法的循環(huán)次數(shù)。

參考圖3，在所述基底100的第三區(qū)域100c的多層石墨烯層120表面形成掩模層130，所述掩模層130為光刻膠層。所述第一區(qū)域100a和第二區(qū)域100b的多層石墨烯層120分別用于形成源區(qū)和漏區(qū)，所述第三區(qū)域100c的多層石墨烯層120用于形成溝道區(qū)。所述掩模層130用于在后續(xù)刻蝕的過程中，保護第三區(qū)域100c的多層石墨烯層120。

參考圖4，以所述掩模層130為掩模，采用原子層刻蝕方法刻蝕第一區(qū)域100a和第二區(qū)域100b的多層石墨烯層120，得到單層石墨烯層或雙層石墨烯層121。

所述原子層刻蝕方法包括干法刻蝕及濕法刻蝕步驟。所述干法刻蝕的氣體包括采用含有鋅、銅、鐵、鎘以及銀中的任意一種金屬離子的有機化合物的等離子體，或者氮氣、氟氣、氧氣及氯氣中的任意一種氣體，刻蝕氣體的流量為1sccm至5000sccm，功率為100w至1000w，偏置電壓為0v至500v，頻率為2mhz至4ghz，刻蝕溫度為-140℃至200℃，壓強為1mtorr至1000torr，濺射時間為1s至100s。所述濕法刻蝕的試劑包括鹽酸、氫氟酸、磷酸、硫酸或硝酸中的一種或者其任意組合，所述濕法刻蝕試劑與h2o的體積比為1:1至1:1000，處理時間為1s至500s。形成的所述單層石墨烯層或雙層石墨烯層121的厚度為至

本實施例中，所述干法刻蝕的氣體為氧氣，氣體的流量為20sccm，功率為500w，偏置電壓為200v，頻率為5mhz，刻蝕溫度為50℃，壓強為200torr，濺射時間為50s。所述濕法刻蝕采用鹽酸作為刻蝕劑，所述鹽酸溶液中 h2o與hcl的體積比為200:1，處理時間為100s。形成的所述單層石墨烯層121的厚度為

在采用原子層刻蝕方法處理所述多層石墨烯層120的同時，還同時利用拉曼光譜對處理中的多層石墨烯層120的層數(shù)進行鑒定，以確定得到的單層石墨烯層或雙層石墨烯層121的層數(shù)、及控制原子層刻蝕方法的循環(huán)次數(shù)。

圖5和圖6是圖4沿aa’(或bb’)方向的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

參考圖5，可以看出，經(jīng)過上述工藝后位于第一區(qū)域100a(或第二區(qū)域100b)的單層石墨烯層或雙層石墨烯層121在其沿垂直于溝道長度方向、即垂直于溝道區(qū)內(nèi)電子傳輸方向上的相對尺寸較大。需要說明的是，由于單層石墨烯層或雙層石墨烯層121本身不具備能隙，因此無法直接將其應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管的制造中。而近年來的研究成果表明，單層石墨烯層或雙層石墨烯在量子限制效應(yīng)(quantumconfinementeffects)的條件下，可實現(xiàn)能隙的打開，呈現(xiàn)半導體性。因此本實施例中需要對獲得的單層石墨烯層或雙層石墨烯層121進行量子限制，以實現(xiàn)其半導體性。對于位于第三區(qū)域100c的多層石墨烯層120而言，由于其本身具備能隙，因此可直接用作溝道區(qū)材料應(yīng)用于石墨烯場效應(yīng)晶體管的制造中。

參考圖6，圖6是去除第一區(qū)域100a及第二區(qū)域100b的單層石墨烯層或雙層石墨烯層121(如圖5所示)的一部分，對其進行了量子限制之后的結(jié)構(gòu)示意圖。

對位于第一區(qū)域100a及第二區(qū)域100b的單層石墨烯層或雙層石墨烯層121(如圖5所示)在其沿垂直于溝道長度方向、即垂直于溝道區(qū)內(nèi)電子傳輸方向上進行量子限制，以形成分別位于第一區(qū)域100a和第二區(qū)域100b的單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶(graphenenanoribbon)121a和121b，分別作為源區(qū)和漏區(qū)。

具體地，本實施例中采用光刻和原子層刻蝕的方法去除部分位于第一區(qū)域100a及第二區(qū)域100b的單層石墨烯層或雙層石墨烯層121，包括：在需要形成單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶121a和121b的區(qū)域形成圖形化的光刻膠層，所述圖形化的光刻膠層暴露出需要去除的單層石墨烯層或雙層 石墨烯層121區(qū)域，以所述圖形化的光刻膠層為掩模，采用原子層刻蝕方法刻蝕所述單層石墨烯層或雙層石墨烯層121，形成單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶121a和121b。所述單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶121a和121b沿垂直于晶體管溝道長度方向的尺寸范圍為至

所述原子層刻蝕方法包括干法刻蝕及濕法刻蝕步驟。本實施例中，所述干法刻蝕的氣體為氧氣，氣體的流量為20sccm，功率為500w，偏置電壓為200v，頻率為5mhz，刻蝕溫度為50℃，壓強為200torr，濺射時間為50s。所述濕法刻蝕采用鹽酸作為刻蝕劑，所述鹽酸溶液中h2o與hcl的體積比為200:1，處理時間為100s。形成的所述單層石墨烯納米帶121a及121b沿垂直于晶體管溝道長度方向的尺寸均為

參考圖7，分別形成源區(qū)和漏區(qū)的單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶121a及121b之后，位于源漏區(qū)之間，且與單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶121a及121b位于同一層的多層石墨烯層120內(nèi)的單層石墨烯層或雙層石墨烯層121c作為溝道區(qū)。由于單層石墨烯或雙層石墨烯具有載流子的彈道輸運能力，使得所形成的石墨烯場效應(yīng)晶體管具有很高的載流子遷移率。

參考圖8，形成源極的電極161和漏極的電極162。

本實施例中,所述源極的電極161和漏極的電極162的材料均為金。形成所述電極161和162的工藝步驟包括采用化學氣相沉積、電子束光刻以及深紫外光刻。首先采用化學氣相沉積方法在源區(qū)和漏區(qū)沉積電極材料層，再刻蝕所述電極材料層以形成所述電極161和162。具體地，在遠離源區(qū)和漏區(qū)的單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶121a和121b表面時，采用深紫外光刻對所述電極材料層進行刻蝕；在接近于源區(qū)和漏區(qū)的單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶121a和121b表面處，采用電子束光刻對剩余的所述電極材料層進行刻蝕，以避免刻蝕過程中對源區(qū)和漏區(qū)的單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶121a和121b造成的損壞。

然后，去除所述掩模層130。

參考圖9，在所述多層石墨烯層120表面形成柵介質(zhì)層150；在柵介質(zhì)層150表面形成柵極的電極163。

所述柵介質(zhì)層150的材料包括氧化硅和高介電常數(shù)材料,形成的所述柵介質(zhì)層150的厚度范圍為至本實施例中所述高介電常數(shù)材料為氧化鉿；形成所述氧化硅的工藝為化學氣相沉積，形成所述氧化硅的厚度為形成所述氧化鉿的工藝為原子層沉積，形成所述氧化鉿的厚度為

形成所述柵極的電極163的材料為銅或者金。本實施例中，形成柵極的電極163的材料為金，形成所述柵極的電極163的工藝步驟包括采用化學氣相沉積、電子束光刻以及深紫外光刻，具體形成方法與前述形成源極的電極161和漏極的電極162的方法類似，在此不再贅述。

相應(yīng)地，本實施例還提供一種石墨烯場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)。

繼續(xù)參考圖9，所述石墨烯場效應(yīng)晶體管包括：基底100，所述基底100包括第一區(qū)域100a、第二區(qū)域100b以及位于第一區(qū)域100a和第二區(qū)域100b之間的第三區(qū)域100c；單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶，包括分別位于所述第一區(qū)域100a和第二區(qū)域100b的單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶121a及121b，分別作為源區(qū)和漏區(qū)；位于所述第三區(qū)域100c的多層石墨烯層120，作為溝道區(qū)；柵介質(zhì)層150，位于第三區(qū)域100c的多層石墨烯層120表面；以及源極的電極161、漏極的電極162和柵極的電極163，分別位于源區(qū)、漏區(qū)、和柵介質(zhì)層150的表面。

所述基底100包括襯底101以及位于襯底101之上的襯層102。所述襯層102的材料為siox，其中x的值為0.5至3之間；所述siox的厚度范圍是200nm至350nm。本實施例中，所述襯層102的材料為sio2,所述sio2的厚度為300nm。

需要說明的是，所述作為源區(qū)和漏區(qū)的單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶121a及121b，是在沿垂直于晶體管溝道長度方向上經(jīng)過了量子限制的單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶，具有能隙，以此來滿足制備場效應(yīng)晶體管的材料具備半導體性的要求。所述單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶121a及121b的厚度范圍為至所述單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶121a及121b沿垂直于晶體管溝道長度方向上的尺寸范圍為至所述多層石墨烯層120的厚度范圍為至

在一個實施例中，所述單層石墨烯納米帶或雙層石墨烯納米帶121a及121b為單層石墨烯納米帶，厚度為所述單層石墨烯納米帶121a及121b沿垂直于晶體管溝道長度方向上的尺寸為所述多層石墨烯層120的厚度為

所述柵介質(zhì)層150的材料包括氧化硅和高介電常數(shù)材料，所述柵介質(zhì)層150的厚度范圍為至在一個實施例中，所述柵介質(zhì)層150的材料為氧化硅和氧化鉿，所述氧化硅的厚度為所述氧化鉿的厚度為

所述源極的電極161和漏極的電極162的材料為金，所述柵極的電極163的材料為銅或金。本實施例中，所述源極的電極161、漏極的電極162、柵極的電極163的材料均為金。

雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當以權(quán)利要求所限定的范圍為準。