石墨烯场效应管及其形成方法
【专利摘要】本发明公开了一种石墨烯场效应管及其形成方法，该场效应管包括：衬底；底层源极接触、底层漏极接触和栅金属层，底层源极接触、底层漏极接触和栅金属层位于衬底之上，底层源极接触和底层漏极接触分别位于栅金属层的左右两侧，底层源极接触、底层漏极接触和栅金属层的材料相同且厚度相同；栅介质层，栅介质层位于栅金属层之上，栅介质层与栅金属层的接触界面为粗糙面；石墨烯薄膜，石墨烯薄膜位于底层源极接触、底层漏极接触和栅介质层之上；和顶层源极接触和顶层漏极接触，顶层源极接触位于石墨烯薄膜之上并且与底层源极接触位置相对应，顶层漏极接触位于石墨烯薄膜之上并且与底层漏极接触位置相对应。本发明具有迁移率高、栅控能力良好的优点。
【专利说明】石墨烯场效应管及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明属半导体器件领域，具体涉及一种石墨烯场效应管及其形成方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯场效应管可以为顶栅或埋栅结构。顶栅结构的石墨烯场效应管中栅介质直接生长在石墨烯薄膜上，埋栅结构的石墨烯场效应管中石墨烯薄膜转移至经化学机械抛光的栅结构上，此两种方法中石墨烯薄膜都与栅介质层紧密贴合。所以，石墨烯的载流子迁移率受限于栅介质层引入的库伦散射和表面极化声子散射。研究表明:完全悬空的石墨烯具有极高的迁移率，但完全悬空是难以实现的。
【发明内容】
[0003]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种石墨烯场效应管。本发明的另一目的在于提出一种石墨烯场效应管的形成方法。
[0004]为了实现上述目的，根据本发明一个方面的实施例的石墨烯场效应管，包括:衬底；底层源极接触、底层漏极接触和栅金属层，所述底层源极接触、所述底层漏极接触和所述栅金属层位于所述衬底之上，所述底层源极接触和所述底层漏极接触分别位于所述栅金属层的左右两侧，所述底层源极接触、所述底层漏极接触和所述栅金属层的材料相同且厚度相同；栅介质层，所述栅介质层位于所述栅金属层之上，所述栅介质层与所述栅金属层的接触界面为粗糙面；石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜位于所述底层源极接触、底层漏极接触和所述栅介质层之上；和顶层源极接触和顶层漏极接触，所述顶层源极接触位于所述石墨烯薄膜之上并且与所述底层源极接触位置相对应，所述顶层漏极接触位于所述石墨烯薄膜之上并且与所述底层漏极接触位置相对应。
[0005]根据本发明实施例的石墨烯场效应管中，石墨烯薄膜被栅结构表面的凸点撑起，是一种折中的、半悬空的方案。该方案一方面减少了石墨烯和栅结构表面贴合、提高了载流子迁移率，另一方面使石墨烯具有一定栅控能力，可用作场效应管器件。因此本发明实施例的石墨烯场效应管具有迁移率高、栅控能力良好的优点。
[0006]另外，根据本发明实施例的石墨烯场效应管还可以具有如下附加技术特征:
[0007]在本发明的一个实施例中，所述衬底为顶部表面为粗糙表面的二氧化硅。
[0008]在本发明的一个实施例中，所述底层源极接触、所述底层漏极接触和所述栅金属层的材料为Ti。
[0009]在本发明的一个实施例中，所述顶层源极接触和所述顶层漏极接触的材料为Ti/Au。
[0010]在本发明的一个实施例中，所述栅介质层的材料为HfSiON、HfO2或Al2O3。
[0011]为了实现上述目的，根据本发明另一个方面的实施例的石墨烯场效应管的形成方法，包括以下步骤:提供衬底；在所述衬底之上形成底层源极接触、底层漏极接触和栅金属层，所述底层源极接触和所述底层漏极接触分别位于所述栅金属层的左右两侧，所述底层源极接触、所述底层漏极接触和所述栅金属层的材料相同且厚度相同；在所述栅金属层之上形成栅介质层，所述栅介质层与所述栅金属层的接触界面为粗糙面；在所述底层源极接触、底层漏极接触和所述栅介质层之上形成石墨烯薄膜；和在所述石墨烯薄膜之上形成顶层源极接触和顶层漏极接触，所述顶层源极接触与所述底层源极接触位置相对应，所述顶层漏极接触与所述底层漏极接触位置相对应。
[0012]根据本发明实施例的石墨烯场效应管的形成方法中，形成的石墨烯薄膜被栅结构表面的凸点撑起，是一种折中的、半悬空的方案。该方案一方面减少了石墨烯和栅结构表面贴合、提高了载流子迁移率，另一方面使石墨烯具有一定栅控能力，可用作场效应管器件。因此本发明实施例的方法形成的石墨烯场效应管具有迁移率高、栅控能力良好的优点。
[0013]另外，根据本发明实施例的石墨烯场效应管的形成方法还可以具有如下附加技术特征:
[0014]在本发明的一个实施例中，所述衬底为顶部表面为粗糙表面的二氧化硅。
[0015]在本发明的一个实施例中，所述底层源极接触、所述底层漏极接触和所述栅金属层的材料为Ti。
[0016]在本发明的一个实施例中，所述顶层源极接触和所述顶层漏极接触的材料为Ti/Au。
[0017]在本发明的一个实施例中，所述栅介质层的材料为HfSiON、HfO2或Al2O3。
[0018]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0020]图1是根据本发明实施例的石墨烯场效应管的结构示意图；
[0021]图2是根据本发明实施例的石墨烯场效应管的形成方法的流程图。
【具体实施方式】
[0022]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0023]如图1所示，根据本发明实施例的石墨烯场效应管，可以包括:衬底10、底层源极接触20a、底层漏极接触30a、棚金属层40、棚介质层50、石墨纟布薄I吴60、顶层源极接触20b和顶层漏极接触30b。底层源极接触20a、底层漏极接触30a和栅金属层40位于衬底10之上。底层源极接触20a和底层漏极接触30a分别似于棚金属层40的左右两侧。底层源极接触20a、底层漏极接触30a和栅金属层40的材料相同且厚度相等。栅介质层50位于栅金属层40之上，栅介质层50与栅金属层40的接触界面为粗糙面。石墨烯薄膜60位于底层源极接触20a、底层漏极接触30a和栅介质层50之上。顶层源极接触20b位于石墨烯薄膜60之上并且与底层源极接触20a位置相对应。顶层漏极接触30b位于石墨烯薄膜60之上并且与底层漏极接触30a位置相对应。
[0024]根据本发明实施例的石墨烯场效应管中，石墨烯薄膜60被栅结构表面的凸点撑起，是一种折中的、半悬空的方案。该方案一方面减少了石墨烯和栅结构表面贴合、提高了载流子迁移率，另一方面使石墨烯具有一定栅控能力，可用作场效应管器件。因此本发明实施例的石墨烯场效应管具有迁移率高、栅控能力良好的优点。
[0025]在本发明的一个实施例中，衬底10的顶部表面可以为粗糙表面。具有一定粗糙度表面的衬底可以通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)等工艺形成。该实施例中衬底顶部具有粗糙表面，在其上生长的栅结构顶部也随之为粗糙表面。有利于提高石墨烯薄膜中的迁移率。
[0026]在本发明的一个实施例中，底层源极接触20a、底层漏极接触30a和栅金属层40的材料可以为Ti。
[0027]在本发明的一个实施例中，顶层源极接触20b和顶层漏极接触30b的材料可以为Ti/Au。
[0028]需要说明的是，底层源极接触20a和顶层源极接触20b共同形成了石墨烯场效应管的源极，底层漏极接触30a和顶层漏极接触30b共同形成了石墨烯场效应管的漏极。
[0029]在本发明的一个实施例中，栅介质层50的材料可以为HfSi0N、Hf02或Al2O3等等。
[0030]如图2所示，根据本发明实施例的石墨烯场效应管的形成方法可以包括以下步骤:
[0031]S1.提供衬底。
[0032]S2.在衬底之上形成底层源极接触、底层漏极接触和栅金属层，底层源极接触和底层漏极接触分别位于栅金属层的左右两侧，底层源极接触、底层漏极接触和栅金属层的材料相同且厚度相等。
[0033]S3.在栅金属层之上形成栅介质层，栅介质层与栅金属层的接触界面为粗糙面。
[0034]S4.在底层源极接触、底层漏极接触和栅介质层之上形成石墨烯薄膜。
[0035]S5.在石墨烯薄膜之上形成顶层源极接触和顶层漏极接触，顶层源极接触与底层源极接触位置相对应，顶层漏极接触与底层漏极接触位置相对应。
[0036]根据本发明实施例的石墨烯场效应管的形成方法中，形成的石墨烯薄膜被栅结构表面的凸点撑起，是一种折中的、半悬空的方案。该方案一方面减少了石墨烯和栅结构表面贴合、提高了载流子迁移率，另一方面使石墨烯具有一定栅控能力，可用作场效应管器件。因此本发明实施例的方法形成的石墨烯场效应管具有迁移率高、栅控能力良好的优点。
[0037]在本发明的一个实施例中，衬底的顶部表面可以为粗糙表面。具有一定粗糙度表面的衬底可以通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)等工艺形成。该实施例中衬底顶部具有粗糙表面，在其上生长的栅结构顶部也随之为粗糙表面。有利于提高石墨烯薄膜中的迁移率。
[0038]在本发明的一个实施例中，底层源极接触、底层漏极接触和栅金属层的材料可以为Ti。
[0039]在本发明的一个实施例中，顶层源极接触和顶层漏极接触的材料可以为Ti/Au。
[0040]需要说明的是，底层源极接触和顶层源极接触共同形成了石墨烯场效应管的源极，底层漏极接触和顶层漏极接触共同形成了石墨烯场效应管的漏极。[0041]在本发明的一个实施例中，栅介质层的材料可以为HfSiON、HfO2或Al2O3等等。
[0042]为使本领域技术人员更好地理解，下面再举一个具体实施例对本发明进行详细说明。
[0043]A.提供直径4英寸的硅晶圆，预先进行清洁干燥等预处理，然后氧化，在其表面形成SiO2作为衬底。
[0044]B.在该衬底上沉积IOOnm厚的Ti金属，经过光刻刻蚀等工艺，形成图形化的底层源极接触、底层漏极接触和栅金属层。栅金属层的顶表面并不做打磨光滑处理，保持其粗糙度。
[0045]C.对底层源极接触和底层漏极接触的顶表面进行掩膜，仅在栅金属层的顶表面沉积5.4nm厚的HfSiON以形成栅介质层。然后去除底层源极接触和底层漏极接触的顶表面的掩膜层。
[0046]D.另行采用CVD在金属衬底上生长石墨烯薄膜，然后将石墨烯薄膜转移至成形好的衬底之上。
[0047]E.在石墨烯薄膜之上沉积Ti/Au合金，其厚度为3nm/35nm，然后加工形成图形化的顶层源极接触和顶层漏极接触。其中，顶层源极接触与底层源极接触位置相对应，顶层漏极接触与底层漏极接触位置相对应。
[0048]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时
针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0049]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0050]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0051]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0052]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
[0053]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【权利要求】
1.一种石墨烯场效应管，其特征在于，包括: 衬底； 底层源极接触、底层漏极接触和栅金属层，所述底层源极接触、所述底层漏极接触和所述栅金属层位于所述衬底之上，所述底层源极接触和所述底层漏极接触分别位于所述栅金属层的左右两侧，所述底层源极接触、所述底层漏极接触和所述栅金属层的材料相同且厚度相冋； 栅介质层，所述栅介质层位于所述栅金属层之上，所述栅介质层与所述栅金属层的接触界面为粗糙面； 石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜位于所述底层源极接触、底层漏极接触和所述栅介质层之上；和 顶层源极接触和顶层漏极接触，所述顶层源极接触位于所述石墨烯薄膜之上并且与所述底层源极接触位置相对应，所述顶层漏极接触位于所述石墨烯薄膜之上并且与所述底层漏极接触位置相对应。
2.如权利要求1所述的石墨烯场效应管，其特征在于，所述衬底的顶部表面为粗糙表面。
3.如权利要求1或2所述的石墨烯场效应管，其特征在于，所述底层源极接触、所述底层漏极接触和所述栅金属层的材料为Ti。
4.如权利要求1-3所述的石墨烯场效应管，其特征在于，所述顶层源极接触和所述顶层漏极接触的材料为Ti/Au。
5.如权利要求1-4所述的石墨烯场效应管，其特征在于，所述栅介质层的材料为HfSiON、HfO2 或 Al2O3。
6.一种石墨烯场效应管的形成方法，其特征在于，包括以下步骤: 提供衬底； 在所述衬底之上形成底层源极接触、底层漏极接触和栅金属层，所述底层源极接触和所述底层漏极接触分别位于所述栅金属层的左右两侧，所述底层源极接触、所述底层漏极接触和所述栅金属层的材料相同且厚度相同； 在所述栅金属层之上形成栅介质层，所述栅介质层与所述栅金属层的接触界面为粗糙面； 在所述底层源极接触、底层漏极接触和所述栅介质层之上形成石墨烯薄膜；和在所述石墨烯薄膜之上形成顶层源极接触和顶层漏极接触，所述顶层源极接触与所述底层源极接触位置相对应，所述顶层漏极接触与所述底层漏极接触位置相对应。
7.如权利要求6所述的石墨烯场效应管的形成方法，其特征在于，所述衬底的顶部表面为粗糙表面。
8.如权利要求6或7所述的石墨烯场效应管的形成方法，其特征在于，所述底层源极接触、所述底层漏极接触和所述栅金属层的材料为Ti。
9.如权利要求6-8所述的石墨烯场效应管的形成方法，其特征在于，所述顶层源极接触和所述顶层漏极接触的材料为Ti/Au。
10.如权利要求6-9所述的石墨烯场效应管的形成方法，其特征在于，所述栅介质层的材料为 HfSiON、HfO2 或 A1203。
【文档编号】H01L29/78GK103579350SQ201310503580
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】吴华强, 吕宏鸣, 钱鹤 申请人:清华大学