CN107634097B - 一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法，所述制作方法包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成石墨烯层；对所述石墨烯层的NMOS区域进行N型离子注入以形成N型石墨烯沟道层；对所述石墨烯层的PMOS区域进行P型离子注入以形成P型石墨烯沟道层；使用原子层刻蚀法移除所述N型石墨烯沟道层中的部分石墨烯层，以形成具有第一厚度的N型石墨烯沟道层和具有第二厚度的P型石墨烯沟道层，所述第一厚度小于所述第二厚度。根据本发明提出的石墨烯场效应晶体管的制作方法，可控制导电沟道中石墨烯层的厚度，从而平衡N型和P型石墨烯沟道层的载流子迁移率。

Description

一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，具体而言涉及一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法。

背景技术

随着摩尔(Moore)定律的不断延展与纵深，使得硅基集成电路的器件尺寸离物理极限越来越近，国际半导体工艺界纷纷提出超越硅(Beyond Silicon)技术，其中具有较大开发潜力的石墨烯应运而生。

石墨烯(Graphene)是一种单层蜂窝晶体点阵上的碳原子组成的二维晶体，单层石墨烯的厚度约为0.35纳米，十层以下的石墨均被看作为石墨烯。石墨烯不仅具有非常出色的力学性能和热稳定性，还具有超导电学性质。石墨烯的理论载流子迁移率可以高达2×10⁵cm²/Vs，是目前硅材料载流子迁移率的10倍左右，并具有常温量子霍尔效应等物理性质，因此，石墨烯被认为有可能取代硅成为新一代的主流半导体材料。

石墨烯场效应晶体管是利用石墨烯的半导体特性来制成的晶体管。其中，石墨烯用于形成导电沟道，通过控制栅端电压，其可以调制沟道的电流大小，也即调制源极和漏极之间的电流大小。实际应用中，由于衬底和沉积在石墨烯上的栅介质层等的影响，N型和P型石墨烯沟道层的载流子迁移率存在差异，这会对器件的性能产生不利影响。因此，需要提出一种方法，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体器件的制造方法，包括：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成石墨烯层；

对所述石墨烯层的NMOS区域进行N型离子注入以形成N型石墨烯沟道层；

对所述石墨烯层的PMOS区域进行P型离子注入以形成P型石墨烯沟道层；

使用原子层刻蚀法移除所述N型石墨烯沟道层中的部分石墨烯层，以形成具有第一厚度的N型石墨烯沟道层和具有第二厚度的P型石墨烯沟道层，所述第一厚度小于所述第二厚度。

示例性地，还包括在所述N型石墨烯沟道层和所述P型石墨烯沟道层上形成栅极结构的步骤。

示例性地，还包括以所述栅极结构为掩膜刻蚀去除露出的所述石墨烯层，定义导电沟道的步骤。

示例性地，还包括在所述石墨烯沟道层露出的侧面上形成源极及漏极的步骤。

示例性地，所述栅极结构包括栅介质层，栅电极层和栅极侧墙。

示例性地，所述栅极结构为多晶硅栅+氧化物介质层栅极结构或高K金属栅极结构。

示例性地，所述半导体衬底与所述石墨烯层之间还形成有SiC层。

示例性地，所述石墨烯层外延形成于所述SiC层上。

示例性地，所述原子层刻蚀法包括：

在石墨烯层的N型石墨烯沟道层上沉积金属层的步骤；

以及溶解所述金属层，同时去除其下方的部分石墨烯层的步骤。

示例性地，所述金属层的沉积方法为溅射法。

示例性地，所述金属层为锌层或铝层。

示例性地，溶解所述金属层所用的溶液为可与该金属层反应并产生气体的酸溶液或碱溶液。

示例性地，所述溶液包括HCl溶液。

示例性地，多次重复进行所述使用原子层刻蚀法移除N型石墨烯沟道层中的石墨烯层的步骤，以得到具有目标厚度的石墨烯层。

本发明还提供一种石墨烯场效应晶体管，其特征在于，包括：

半导体衬底；

位于所述半导体衬底上的N型石墨烯沟道层及P型石墨烯沟道层，所述N型石墨烯沟道层的厚度小于所述P型石墨烯沟道层的厚度。

示例性地，所述石墨烯场效应晶体管还包括位于所述N型石墨烯沟道层和所述P型石墨烯沟道层上的栅极结构。

示例性地，所述栅极结构包括栅介质层，栅电极层和栅极侧墙。

示例性地，所述栅极结构为多晶硅栅+氧化物介质层栅极结构或高K金属栅极结构。

示例性地，所述石墨烯场效应晶体管还包括位于所述N型石墨烯沟道层露出的侧面上的源极、漏极，以及位于所述P型石墨烯沟道层露出的侧面上的源极、漏极。

示例性地，所述半导体衬底与所述石墨烯层之间还形成有SiC层。

根据本发明提出的石墨烯场效应晶体管的制作方法，可控制导电沟道中石墨烯层的厚度，从而平衡N型和P型石墨烯沟道层的载流子迁移率。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为根据本发明的方法依次实施的步骤的流程图。

图2A-图2L为根据本发明的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图；

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

石墨烯因其优异的载流子传输特性而被应用于形成场效应晶体管的导电沟道。但在实际应用中，由于衬底和沉积在石墨烯上的栅介质层等的影响，N型和P型石墨烯沟道层的载流子迁移率存在差异，这会对器件的性能产生不利影响。

为了解决上述问题，本发明提供了一种石墨烯场效应晶体管的制作方法，所述方法包括：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成石墨烯层；

对所述石墨烯层的NMOS区域进行N型离子注入以形成N型石墨烯沟道层；

对所述石墨烯层的PMOS区域进行P型离子注入以形成P型石墨烯沟道层；

使用原子层刻蚀法移除所述N型石墨烯沟道层中的部分石墨烯层，以形成具有第一厚度的N型石墨烯沟道层和具有第二厚度的P型石墨烯沟道层，所述第一厚度小于所述第二厚度。

所述方法还包括在所述N型石墨烯沟道层和所述P型石墨烯沟道层上形成栅极结构的步骤。还包括以所述栅极结构为掩膜刻蚀去除露出的所述石墨烯层，定义导电沟道的步骤。还包括在所述石墨烯沟道层露出的侧面上形成源极及漏极的步骤。

所述栅极结构包括栅介质层，栅电极层和栅极侧墙。所述栅极结构为多晶硅栅+氧化物介质层栅极结构或高K金属栅极结构。

所述半导体衬底与所述石墨烯层之间还形成有SiC层。所述石墨烯层外延形成于所述SiC层上。

所述原子层刻蚀法包括：在石墨烯层的N型石墨烯沟道层上沉积金属层的步骤；以及溶解所述金属层，同时去除其下方的部分石墨烯层的步骤。所述金属层的沉积方法为溅射法。所述金属层为锌层或铝层。溶解所述金属层所用的溶液为可与该金属层反应并产生气体的酸溶液或碱溶液。所述溶液包括HCl溶液。

多次重复进行所述使用原子层刻蚀法移除N型石墨烯沟道层中的石墨烯层的步骤，以得到具有目标厚度的石墨烯层。

本发明还提供一种石墨烯场效应晶体管，包括：

半导体衬底；

位于所述半导体衬底上的N型石墨烯沟道层及P型石墨烯沟道层，所述N型石墨烯沟道层的厚度小于所述P型石墨烯沟道层的厚度。

所述石墨烯场效应晶体管还包括位于所述N型石墨烯沟道层和所述P型石墨烯沟道层上的栅极结构。所述栅极结构包括栅介质层，栅电极层和栅极侧墙。所述栅极结构为多晶硅栅+氧化物介质层栅极结构或高K金属栅极结构。

所述石墨烯场效应晶体管还包括位于所述N型石墨烯沟道层露出的侧面上的源极、漏极，以及位于所述P型石墨烯沟道层露出的侧面上的源极、漏极。

所述半导体衬底与所述石墨烯层之间还形成有SiC层。

根据本发明提出的石墨烯场效应晶体管的制作方法，可控制导电沟道中石墨烯层的厚度，从而平衡N型和P型石墨烯沟道层的载流子迁移率。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构及/或步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

[示例性实施例一]

下面将参照图1以及图2A～图2L对本发明一实施方式的石墨烯场效应晶体管的制作方法做详细描述。

首先，执行步骤101，如图2A所示，提供半导体衬底201，在所述半导体衬底201上形成石墨烯层203。

其中，所述半导体衬底201的构成材料可以采用未掺杂的单晶硅、掺杂有杂质的单晶硅、绝缘体上硅(SOI)等。作为示例，在本实施例中，半导体衬底201选用单晶硅材料构成。在Si衬底201上形成SiC层202，其形成方法包括液相外延生长法、离子注入法、分子束外延法、化学气相沉积等。示例性地，在本实施例中，通过CVD法在Si衬底上外延形成SiC层，具体步骤包括：对Si衬底进行标准清洗以去除样品表面有机残余物及离子污染物；将清洗后的Si衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10^-6Torr级别；升温至生长温度1150℃-1300℃，通入C₃H₈和SiH₄，进行SiC层的生长，时间为36-60min，然后在H₂保护下逐步降温至室温，完成SiC层的生长。

接着，在SiC层202上形成石墨烯层203。石墨烯层203的生长方法可以采用机械剥离法、石墨烯氧化物化学还原法、外延生长法，以及化学气相沉积法等。示例性地，本实施例中所用方法为外延生长法，具体包括下述步骤：

将半导体衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗，每次时间10min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999％)吹干；将半导体衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10^-5Torr，以去除反应室内的残留气体；向反应室内通入高纯Ar，温度150℃，保持10min，然后抽真空至10^-5Torr，排出衬底表面吸附气体。向反应室内通入H₂进行衬底表面预处理，气体流量1sccm，反应室真空度0.1Torr，衬底温度1000℃，处理时间1min；向反应室中通入H₂和CH₄，保持H₂和CH₄的流量比为10∶1，H₂流量20sccm，CH₄流量2sccm，气压维持在0.1atm，温度1200℃，升温时间20min，保持时间50min；保持H₂和CH₄流量及气压不变，自然降温，完成石墨烯层的生长。温度降至100℃以下，关闭CH₄、H₂，通入Ar，打开反应室，取出样品。

接着，执行步骤102，如图2B所示，在石墨烯层203上形成掩膜，并对其上NMOS区域进行N型离子注入。示例性地，在石墨烯表面旋涂光刻胶，以光刻胶层204为掩膜对石墨烯层203的NMOS区域进行N型掺杂离子注入。N型掺杂离子可包括氮、氟或锰等。掺杂浓度可以为1×10^-20cm^-2至1×10^-5cm^-2。

接着，执行步骤104，如图2C所示，在石墨烯层203及光刻胶层204表面沉积金属层205。为了在顶层石墨烯中形成缺陷以便在后续步骤中将其移除，示例性地，选用溅射法沉积金属层。本实施例中溅射沉积的金属层为Zn层，溅射过程中腔室压强为5×10^-5mmHg，溅射压强5×10^-3-1.0×10^-2mmHg，电流为100±2mA。最终形成的金属层厚度为2-20nm，本实施例中为5nm。需要注意的是，还可以使用其他金属进行溅射沉积，例如Al等。

如图2D所示，剥离光刻胶层204以及沉积在光刻胶层204上的金属层205，并执行步骤103，以余下的金属层作为掩膜执行P型掺杂离子注入，如图2E所示。P型掺杂离子可包括氧、金和铋等。掺杂浓度可以为1×10^-20cm^-2至1×10^-5cm^-2。

接着，使用酸溶液或碱溶液处理样品，去除金属层205及金属层205下方的部分石墨烯层，如图2F所示。本实施例中，选用浓度为0.1m的HCl溶液处理样品，反应时间为3-5min。在此过程中，顶层石墨烯中溅射形成的孔洞，金属的氧化电势，反应溢出的气体等因素共同作用，移除部分石墨烯层。可多次进行所述在石墨烯层上沉积金属层205以及溶解该金属层的步骤，以得到具有目标厚度的石墨烯层。另外，所述原子层刻蚀法还可被用于在石墨烯层上定义其他图案。

接着，在所述N型石墨烯沟道层和P型石墨烯沟道层上形成栅极结构。首先，如图2G所示，在所述N型石墨烯沟道层和P型石墨烯沟道层上沉积栅介质层206。本实施例中采用氧化硅作为栅介质层。接着，如图2H所示，在栅介质层206上形成栅电极层207，例如多晶硅栅。如图2G所示，刻蚀所述栅电极层207，并在其两侧形成侧墙氧化层208，以形成最终的栅极结构。值得注意的是，除了多晶硅栅+氧化物介质层栅极结构以外，本发明还可采用HKMG(high-k绝缘层+金属栅极)工艺制作高K金属栅极结构，例如采用原子层沉积(ALD)法形成Al₂O₃作为栅介质层，再在栅介质层上形成栅电极层，所述栅电极层材料可以包括镍(Ni)或其他金属材料。

接着，如图2K所示，以所述栅极结构为掩膜刻蚀去除露出的所述石墨烯层，定义导电沟道。本实施例采用离子束刻蚀系统刻蚀掉有效区域外的石墨烯层。示例性地，离子能级为20kev，离子束电流为1pA-10pA，刻蚀时间1μs-100μs，真空度为10^-6Torr。

接着，如图2L所示，在石墨烯沟道两侧形成源极和漏极209。源极和漏极209的具体材料不是限制性的，例如，其可以为Pd、TiN、Pt或Cu等。示例性地，在石墨烯沟道两侧各淀积一层Cr/Au材料，一侧作为源极、另一侧作为漏极，具体地，采用电子束曝光系统写出源极漏极图形，沉积金属，并剥离去胶，形成源、漏金属电极。

至此，完成了根据本发明示例性实施例一的方法实施的工艺步骤。可以理解的是，本实施例半导体器件制作方法不仅包括上述步骤，在上述步骤之前、之中或之后还可包括其他需要的步骤，其都包括在本实施制作方法的范围内。

与现有工艺相比，根据本发明提出的石墨烯场效应晶体管的制作方法，可控制导电沟道中石墨烯层的厚度，从而平衡N型和P型石墨烯沟道层的载流子迁移率。

[示例性实施例二]

如图2L所示，本发明提供的石墨烯场效应晶体管包括：半导体衬底201；P型石墨烯沟道层203a；N型石墨烯沟道层203b；源极及漏极209；栅极结构206、207、208，所述N型石墨烯沟道层203a的厚度小于所述P型石墨烯沟道层的厚度203b。

其中，所述半导体衬底201的构成材料可以采用未掺杂的单晶硅、掺杂有杂质的单晶硅、绝缘体上硅(SOI)等。作为示例，在本实施例中，半导体衬底选用单晶硅材料构成。在Si衬底201上形成有SiC层202，其形成方法包括液相外延生长法、离子注入法、分子束外延法、化学气相沉积等。示例性地，在本实施例中，所述SiC层202通过CVD法在Si衬底上外延形成。

所述石墨烯层203形成于所述衬底201上。示例性地，所述石墨烯层203通过外延生长法生长于SiC层202上，即在高温下加热SiC，使得SiC表面的Si原子被蒸发而脱离表面，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。通过在石墨烯层203中分别进行P型离子注入及N型离子注入，可得到N型石墨烯沟道层203a及P型石墨烯沟道层203b。使用原子层刻蚀法移除N型石墨烯沟道层203a中的一层或多层石墨烯，可以控制导电沟道中石墨烯层的厚度，从而平衡N型和P型石墨烯沟道层的载流子迁移率。

所述栅极结构包括栅介质层206，栅电极层207和栅极侧墙208。本实施例中采用传统的多晶硅栅+氧化物介质层栅极结构，其方法为本领域技术人员熟知的技术,在此不再赘述。值得注意的是，除了多晶硅栅+氧化物介质层栅极结构以外，本发明还可采用高K金属栅极结构。

与现有工艺相比，根据本发明提出的石墨烯场效应晶体管，可控制导电沟道中石墨烯层的厚度，从而平衡N型和P型石墨烯沟道层的载流子迁移率。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (19)

1.一种石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成石墨烯层；

对所述石墨烯层的NMOS区域进行N型离子注入以形成N型石墨烯沟道层；

对所述石墨烯层的PMOS区域进行P型离子注入以形成P型石墨烯沟道层；

使用原子层刻蚀法移除所述N型石墨烯沟道层中的部分石墨烯层，以形成具有第一厚度的N型石墨烯沟道层和具有第二厚度的P型石墨烯沟道层，所述第一厚度小于所述第二厚度，其中，所述原子层刻蚀法包括在石墨烯层的N型石墨烯沟道层上沉积金属层的步骤，以及溶解所述金属层、同时去除其下方的部分石墨烯层的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述N型石墨烯沟道层和所述P型石墨烯沟道层上形成栅极结构的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括以所述栅极结构为掩膜刻蚀去除露出的所述石墨烯层，定义导电沟道的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括在所述石墨烯沟道层露出的侧面上形成源极及漏极的步骤。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述栅极结构包括栅介质层，栅电极层和栅极侧墙。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述栅极结构为多晶硅栅+氧化物介质层栅极结构或高K金属栅极结构。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体衬底与所述石墨烯层之间还形成有SiC层。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述石墨烯层外延形成于所述SiC层上。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述金属层的沉积方法为溅射法。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属层为锌层或铝层。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，溶解所述金属层所用的溶液为可与该金属层反应并产生气体的酸溶液或碱溶液。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述溶液包括HCl溶液。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多次重复进行所述使用原子层刻蚀法移除N型石墨烯沟道层中的石墨烯层的步骤，以得到具有目标厚度的石墨烯层。

14.一种采用权利要求1-13之一所述方法制备的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，包括：

半导体衬底；

位于所述半导体衬底上的N型石墨烯沟道层及P型石墨烯沟道层，所述N型石墨烯沟道层的厚度小于所述P型石墨烯沟道层的厚度。

15.根据权利要求14所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯场效应晶体管还包括位于所述N型石墨烯沟道层和所述P型石墨烯沟道层上的栅极结构。

16.根据权利要求15所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述栅极结构包括栅介质层，栅电极层和栅极侧墙。

17.根据权利要求16所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述栅极结构为多晶硅栅+氧化物介质层栅极结构或高K金属栅极结构。

18.根据权利要求14所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯场效应晶体管还包括位于所述N型石墨烯沟道层露出的侧面上的源极、漏极，以及位于所述P型石墨烯沟道层露出的侧面上的源极、漏极。

19.根据权利要求14所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述半导体衬底与所述石墨烯层之间还形成有SiC层。

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