专利名称：类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件和制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种适用于射频通信的类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件和制作方法。
背景技术：
自从2004年Novoselov等人报道关于成功制备单程石墨烯、并发现石墨烯中的电场效应后，石墨烯就一直受到广泛的关注和研究(参考=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迁移率和单元层厚度更是得到了半导体器件工程师的青睐。尤其是在高频应用上，石墨烯展示了巨大的潜力，世界各个研究组争相报道石墨烯的高频性能，石墨烯晶体管的截止频率已经达到100G 300G。在文献 Dual Gate Graphene FETs with fT of 50GHz.Y. -M. Lin. et al, IEEE Electron Device Letters 31,68 (2010)中，作者通过调节背栅电压减小沟道电阻(Access resistance),在一定范围提高了器件的截止频率。在文献Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics. C. R. Dean, et al. Nature Nanotechnology 5, 722-726 (2010)中， 作者首次在单晶氮化硼(h-BN)衬底上制作石墨烯晶体管，以克服石墨烯因衬底二氧化硅的声子散色而造成的载流子迁移率下降。比传统二氧化硅衬底得到高几乎一个数量级的载流子迁移率。单晶氮化硼拥有原子级的光滑表面，几乎没有悬挂键和陷阱电荷，同时拥有高的光学声子模式和大的禁带宽度；因此被认为比较理想的石墨烯衬底材料。在文献: High-frequency, scaled graphene transistors on diamond-like carbon. Y. Wu et al., Nature 472,74(2011)中，作者提供了在类金刚石非晶碳上制作石墨烯晶体管的方法，并且首次研究了低温下石墨烯晶体管的性能，以及石墨烯晶体管尺寸缩小的潜力。
目前石墨烯晶体管面临的主要技术难点有1)石墨烯是一个零带隙的材料，如何通过掺杂或者施加外偏压，或者引入应力等技术得到一定的带隙。2)石墨烯和传统的二氧化硅绝缘界面有比较强的声子散射，严重的降低了石墨烯的载流子迁移率，如何生长陷阱电荷少，悬挂键少，声子散射弱的优质绝缘上下界面是提高石墨烯晶体管性能所面临的重要问题。3)石墨烯和金属之间的接触电阻，以及源漏区和栅极之间的未被栅电极覆盖的石墨烯电阻，制约着器件的高频性能和尺寸缩小。如图1A和图1B所示，在长沟道的情况下， 栅电极0026和源/漏极0010/0012之间的电容为Cgs，Cgd比较小，为了达到更高的截止频率而减小栅电极长度Lg时，若栅极和源漏极之间的距离为Lgd，Lgs也等比例缩小，Cgs, Cgd 却反比例增大，这样会严重制约截止频率FT的提高。若Lgd，Lgs保持不变，未被栅电极覆盖的栅源栅漏串之间石墨烯的串联电阻Rgs—s，Rgd—s会和栅控的石墨烯电阻R可比拟，甚至前者大于后者。因此现有技术的石墨烯晶体管不能做到寄生电容和沟道电阻同时减小。发明内容
针对上面提到的几个需解决的问题，本发明公开了一种类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件结构和制作方法，通过将石墨烯晶体管的源漏极掩埋在类金刚石非晶碳衬底中，使得即使栅极和源漏极之间的距离为0，甚至小于0，也能保持栅电极和源/漏电极之间的寄生电容不变，从而充分发掘出石墨烯晶体管尺寸缩小的潜力。
实现本发明目的的技术方案是
一种类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件，依次至少包括衬底；位于衬底上的类金刚石非晶碳薄膜；掩埋在所述类金刚石非晶碳薄膜中的源/漏电极；至少覆盖所述源电极和漏电极上方的单层或少数层石墨烯层；淀积于所述石墨烯层上的绝缘介质层；位于所述绝缘介质层上的金属栅电极。
其中所述栅电极和所述源/漏电极分别位于所述石墨烯层的上下两侧，所述源/ 漏电极与所述栅电极之间的距离或大于零、或等于零、或小于零。
其中所述衬底的材料是平坦的、弯曲的、或者有应变的；所述衬底的材料是以下半导体材料之一硅、多晶硅、硅锗合金、锗、II1-V族化合物、或I1-VI族化合物；或者所述衬底的材料是以下绝缘体材料之一塑料薄膜、玻璃、或二氧化硅；或者所述衬底的材料是以下金属材料之一铁、铝、金、银、或铜；所述衬底和所述类金刚石非晶碳薄膜之间还有作为应力缓冲层的二氧化硅层，所述作为应力缓冲层厚度为5nm 50nm ;所述类金刚石非晶碳薄膜sp3C-C键含量大于50%，sp2C = C键含量大于5%，H原子的含量小于25%，其他杂质元素的含量小于20% ;薄膜压应力小于4GPa ;薄膜厚度为IOnm 200nm ;表面粗糙度小于5nm ;所述源/漏电极的金属选自下述材料之一或者其中几种的组合包括钮，金，Ti,Ta, Mo，Al，W, Cu，Ni, Pt，Co在内的金属；或包括TaN，TiN, TiSiN在内的金属氮化物；或包括 WSi, NiSi, CoSi, PtSi在内的硅化物；或透明金属氧化物电极IZO，ITO ;或多晶硅；或多晶娃娃化物；所述源区和漏区掩埋的金属电极长度5nm Ium,宽度IOnm IOum,厚度Inm IOOnm ;所述源/漏电极与所述栅电极之间的距离的绝对数值不大于40nm ;所述石墨烯层的少数层为2 10层碳原子厚度；所述绝缘介质层为选自以下材料之一或其组合构成的复合一层或多层:A1203、Hf02、包括 HfSiOx，HfSiON, HfAlOx, HfTaOx, HfLaOx, HfAlSiOx，或 HfLaSiOx至少之一在内的铪基高K介质材料、包括Zr02，La203, LaA103, Ti02，或Y203至少之一在内的稀土基高K介质材料、以及包括二氧化硅，SiON，或Si3N4至少之一在内的绝缘介质材料。
此外，本发明还提供了一种制作上述类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件的方法，至少包括如下步骤在半导体衬底上淀积一层类金刚石非晶碳薄膜；在所述类金刚石非晶碳薄膜上光刻源区和漏区；溅射源漏层材料，然后通过CMP形成一个可暴露出所述源区和漏区的平面，形成源/漏电极，并清洗所述平面的表面；将单层或者少数层石墨烯转移到清洗后的所述表面上；在所述石墨烯上淀积绝缘介质层；溅射金属层，光刻刻蚀形成金属栅电极。
优选地，所述半导体衬底上还通过淀积或者热氧化形成有一层二氧化硅作为应力缓冲层，所述类金刚石非晶碳薄膜形成于所述应力缓冲层上。
优选地，在所述二氧化硅层上淀积类金刚石非晶碳薄膜的方法选自以下之一磁过滤(脉冲)阴极真空弧淀积、等离子体增强化学气相沉积、溅射、脉冲激光溅射、离子束沉积、或质量选择离子束沉积；所述源区和漏区采用氧气/氩气等离子体刻蚀方法形成于所述类金刚石非晶碳薄膜上； 所述源漏层材料是可与石墨烯材料形成良好欧姆接触或肖特基接触的材料；所述转移石墨烯的步骤包括先将石墨烯在铜箔上生长好，在石墨烯上面旋涂上PMMA，然后在FeC13溶液中将所述铜箔溶解掉，形成上为PMMA下为石墨烯的两层结构， 然后将该两层结构转移到所述平面的表面上，再用丙酮溶液将PMMA溶解掉，所述单层或者少数层石墨烯就转移到所述平面的表面上；所述绝缘介质层通过原子层淀积方法淀积在所述石墨烯上。
优选地，所述磁过滤(脉冲)阴极真空弧淀积方法生长类金刚石非晶碳薄膜的步骤包括使用磁过滤脉冲阴极真空弧放电淀积系统，准备高纯度石墨靶材作为阴极，选择性通入含杂质元素或含H元素的气体，通过阴极真空弧放电产生碳等离子体以及电子、中性原子和颗粒；在所述磁过滤脉冲阴极真空弧放电淀积系统内的磁过滤管道的导引下，其中的中性原子和颗粒被过滤掉，同时在所述衬底/ 二氧化硅上通过所述导电支架加负偏压使碳离子加速，离化的碳离子轰击到所述衬底/二氧化硅上并在其上形成类金刚石非晶碳薄膜。
优选地，所述石墨靶材的纯度在99. 9%以上，所述磁过滤脉冲阴极真空弧放电淀积系统的真空室的气压控制在10-2 10-4Pa ;衬底负偏压406在20V 200V范围内；衬底温度控制在小于150°C。
优选地，形成所述类金刚石非晶碳薄膜后还包括3 0分钟 300分钟的400°C的低温退火。
优选地，所述栅电极和所述源/漏电极分别位于所述石墨烯层的上下两侧，所述源/漏电极与所述栅电极之间的距离或大于零、或等于零、或小于零。
其中所述衬底的材料是平坦的、弯曲的、或者有应变的；所述衬底的材料是以下半导体材料之一硅、多晶硅、硅锗合金、锗、II1-V族化合物、或I1-VI族化合物；或者所述衬底的材料是以下绝缘体材料之一塑料薄膜、玻璃、或二氧化硅；或者所述衬底的材料是以下金属材料之一铁、铝、金、银、或铜；所述衬底和所述类金刚石非晶碳薄膜之间还有作为应力缓冲层的二氧化硅层，所述作为应力缓冲层厚度为5nm 50nm ;所述类金刚石非晶碳薄膜sp3C-C键含量大于50%，sp2C = C键含量大于5%，H原子的含量小于25%，其他杂质元素的含量小于20% ;薄膜压应力小于4GPa ;薄膜厚度为IOnm 200nm ;表面粗糙度小于5nm;所述源/漏电极的金属选自下述材料之一或者其中几种的组合包括钮,金,Ti,Ta, Mo，Al，W, Cu，Ni, Pt，Co在内的金属；或包括TaN，TiN, TiSiN在内的金属氮化物；或包括 WSi, NiSi, CoSi, PtSi在内的硅化物；或透明金属氧化物电极IZO，ITO ;或多晶硅；或多晶娃娃化物；所述源区和漏区掩埋的金属电极长度5nm Ium,宽度IOnm IOum,厚度Inm IOOnm ;所述源/漏电极与所述栅电极之间的距离的绝对数值不大于40nm ;所述石墨烯层的少数层为2 10层碳原子厚度；所述绝缘介质层为选自以下材料之一或其组合构成的复合一层或多层:A1203、Hf02、包括 HfSiOx，HfSiON, HfAlOx, HfTaOx, HfLaOx, HfAlSiOx，或 HfLaSiOx至少之一在内的铪基高K介质材料、包括Zr02，La203, LaA103, Ti02，或Y203至少之一在内的稀土基高K介质材料、以及包括二氧化硅，SiON，或Si3N4至少之一在内的绝缘介质材料。
本发明的类金刚石非晶碳衬底上的源漏掩埋型石墨烯晶体管，与传统的器件结构相比的主要优势1)用类金刚石取代传统的SiO2作为绝缘衬底，衬底上作为导电沟道材料的石墨烯中的迁移率更高；2)将栅电极和源漏极分别置于石墨烯导电沟道的上下两侧，可以使栅极与源漏极之间的水平间距小，进而使栅电极与源漏电极之间的寄生电容小，器件的沟道电阻小。
综上可以显著提高石墨烯晶体管高频性能和工作效率，尤其是提高截止频率:Ft;该器件结构很有可能被广泛应用于面向高速无线通信的小尺寸高频率的石墨烯晶体管和石墨稀集成电路中。
图1A是传统长沟道石墨烯晶体管的器件结构示意图1B是传统短沟道石墨烯晶体管的器件结构示意图1C是本发明一个实施例中石墨烯晶体管的器件结构示意图1D是本发明一个实施例中石墨烯晶体管的器件结构俯视图，其中栅极与源漏极之间的距离Lgd’和Lgs’大于O ;
图1E是本发明一个实施例中石墨烯晶体管的器件结构俯视图，·其中栅极与源漏极对准，即Lgd’和Lgs’等于O ;
图1F是本发明一个实施例中石墨烯晶体管的器件结构俯视图，其中栅极部分覆盖源漏极，即Lgd’和Lgs’小于O ;
图2A 图2G是本发明类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管工艺流程示意图3是本发明一个实施例中的器件制造工艺流程图4是淀积类金刚石非晶碳使用的磁过滤阴极真空弧淀积系统示意图。
具体实施方式
以下结合附图并以具体实施方式
为例，对本发明进行详细说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式
，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。
本发明的基本原理如下类金刚石非晶碳(Diamond-like amorphous Carbon, 简记为DLC)薄膜是一种表面非常平坦的富Sp3成分的非晶碳存在形式(参考 Michael Moseler. et al.The Ultrasmoothness of Diamond-like Carbon Surfaces. Science3091545(2005))o类金刚石非晶碳化学性质稳定，表面陷阱电荷和悬挂键少，而且能和石墨烯界面形成比较弱的π键，可以得到质量比较好的界面和较高的载流子迁移率。 而且源漏掩埋型的器件结构能够大大减小栅极和源极漏极之间的寄生电容，相同尺寸的栅长条件下沟道长度更短，尤其是未被栅电极和源极漏电极覆盖的石墨烯从理论上讲可以减小到零，进而大大减小了沟道的电阻，从而提高石墨烯晶体管和集成电路的高频性能和器件效率。如图1C，本发明将源漏极金属掩埋在石墨烯下面，在同样的栅长Lg条件下，可以做到寄生电容和沟道电阻同时减小，同时器件的集成度和高频性能得到提高；图1D是本发明一个实施例中石墨烯晶体管的器件结构俯视图，其中栅极与源漏极之间距离大于零，即相距；图1E是本发明一个实施例中石墨烯晶体管的器件结构俯视图，其中栅极与源漏极距离等于零，即对准；图1F是本发明一个实施例中石墨烯晶体管的器件结构俯视图，其中栅极与源漏极距离小于零，即覆盖。
下面结合图3的器件制造工艺流程示意图对本发明做进一步详述。
步骤301，请同时参见图2A，首先提供衬底000;衬底材料的选择范围非常广泛，可以是半导体材料，可选的包括硅，锗，多晶硅，非晶硅，硅锗合金，II1-V族，I1-VI族化合物半导体材料；也可以是绝缘体，如塑料薄膜，玻璃，二氧化硅，氮化硅等；也可以是金属， 比如铁，铝，金，银，铜等；衬底材料可以是平坦的，弯曲的，或者有应变的。然后在衬底000 上淀积应力缓冲层，在一实施例中，淀积或热氧化二氧化硅002，此二氧化硅厚度范围为 5nm lum，作为后面将要生长的类金刚石非晶碳004的应力缓冲层。
步骤302，同时参见图2A，然后在应力缓冲层二氧化硅002上淀积一层sp3含量高的类金刚石非晶碳薄膜004，生长类金刚石非晶碳薄膜004的方法优先选择磁过滤(脉冲)阴极真空弧放电淀积(FCVA)方法，或者其他可选的方法等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)，派射(Sputtering)，脉冲激光派射(Pulsed laser deposition)，离子束沉积(Ion beam deposition),质量选择离子束沉积(Mass selected ion beam deposition)等。
下面详述其中FCVA生长类金刚石非晶碳004的方法。在本发明的一个实施例中， 生长类金刚石非晶碳004使用磁过滤脉冲阴极真空弧放电淀积(FCVA)系统410，如图4所示；准备高纯度石墨靶材400作为阴极，石墨靶材的纯度在99. 9%以上，选择性通入含杂质元素或含H元素的气体，如硅烷(SiH4)，氨气(NH3)，乙炔(C2H2)等，通过阴极真空弧放电产生碳等离子体以及电子、中性原子和颗粒。在磁过滤管道402的导引下，中性原子和颗粒被过滤掉，同时在衬底000/ 二氧化硅002上通过导电支架404加负偏压使碳离子加速，几乎100%离化的碳离子轰击到衬底000/ 二氧化硅002上，从而在衬底000/ 二氧化硅002上形成类金刚石非晶碳薄膜004。其中碳离子能量通过在衬底上加一定的负偏压406调节。 真空室408的气压控制在10-2 10-5Pa ;衬底负偏压406在20V 300V范围内；衬底404 温度控制在小于150°C。
由于用FCVA生长的类金刚石非晶碳通常都具有大小范围为2 SGPa的压应力， 因此可选的经过30分钟 300分钟的400°C的低温退火，以部分或者全部的释放压应力，但仍然保持类金刚石的高绝缘性，光滑表面等性质不变化。
制备所得的类金刚石非晶碳薄膜004中sp3C_C键含量大于50%，sp2C = C键含量大于5%，H原子的含量小于20%，掺杂元素的含量小于20%，可选的掺杂元素包括下述元素中的一种或者多种元素的组合B，N，0，F，Si，P，Cl，以及金属元素；薄膜厚度在IOnm 500nm ;表面粗糙度(RMS)小于5nm,更优地，RMS小于lnm。
因为后续工艺的石墨烯是二维材料，若类金刚石非晶碳004薄膜表面不够光滑或者表面不够清洁，将会对石墨烯造成污染，褶皱，引入局部应力，甚至严重降低石墨烯的载流子的迁移率。因此要保证类金刚石非晶碳薄膜004表面的光滑和清洁。
步骤303，请同时参见图2B，在类金刚石非晶碳薄膜004上光刻并刻蚀源区006和漏区008 ;在一个具体实施例中，刻蚀源区006和漏区008是采用氧气/氩气等离子体刻蚀方法。
步骤304，请同时参见图2C，然后溅射多层金属，源漏金属可选自任何可以和石墨烯材料形成良好欧姆接触或肖特基接触的材料，优选容易和石墨烯形成良好的欧姆接触的金属种类，在一个具体实施例中，采用IE (palladium)和金(aurum)作为源漏金属电极,首先溅射20nm的金，然后再溅射50nm的钯；在其他实施例中，源漏金属还可以选择下述材料之一或者其中几种的组合金属Ti, Ta，Mo，Al，W，Cu，Ni，Pt，Co ;金属氮化物TaN, TiN, TiSiN ;硅化物WSi, NiSi, CoSi, PtSi ;透明金属氧化物电极IZO, ITO ;多晶硅，多晶硅硅化物等。
参考图1D，源区012和漏区010掩埋的金属电极在垂直于平面方向上(ζ轴)厚度可选的Inm IOOnm,在平行于导电沟道方向(χ轴)长度可选的5nm Ium,在平行于平面垂直于导电沟道方向(y轴)宽度可选的在IOnm 10um。
然后进行化学机械平坦化(CMP)得到掩埋在类金刚石非晶碳薄膜004中的源区 012和漏区010，并形成一个表面016，暴露出源区012和漏区010的金属以便与后续工艺形成的石墨烯材料形成良好的欧姆接触或者肖特基接触，如图2D所示。
步骤305，CMP之后一定要清洗表面016，因为表面016的质量直接影响着石墨烯的载流子迁移率和接触电阻的大小。在一个具体实施例中使用丙酮乙醇溶液超声清洗10 30分钟。
请同时参见图2E，然后将作为导电沟道材料的石墨烯018转移到清洁后的表面 016上，石墨烯作为导电沟道材料可以是单层，或者少数层(一般2 10层)；石墨烯材料可选的是通过化学掺杂或者通过施加机械应力引入带隙，或未经任何改变的零带隙的石墨烯材料。
石墨烯可以是用机械剥离的方法获得，但是这种方法效率低，不适合工业化 应用。 或者SiC材料加热得到的单层或者多层的石墨烯材料；石墨烯也可以是利用化学气相沉积的方法生长所得(请参考Li, X. S. et al. Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils. Science 324,1312-1314(2009))。
在本发明一个优选实施例中，采用化学气相沉积方法将在铜箔上生长的单层或少数层(通常情况下为2 10层碳原子厚度)石墨烯018转移到清洁后的表面016上，请同时参见图2E。石墨烯018在铜箔上生长好后，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溶液中将铜箔溶解掉，形成了上为 PMMA下为石墨烯的两层结构020，然后将(PMMA/石墨烯)020转移到表面016上，再用丙酮溶液将PMMA溶解掉，单层或者少数层石墨烯018就通过表面氢键吸附在表面016上而留在了类金刚石非晶碳004衬底上。这样单层或者少数层石墨烯018与源区漏区金属010/012 就可形成良好的欧姆接触并且平整的吸附在类金刚石非晶碳004的表面016上。
参见图2F，石墨烯至少覆盖源区012和漏区010以及源漏区之间的导电沟道区域 028。
步骤306,参见图2F,在一个实施例中，在石墨烯018上用原子层淀积(Atomic Layer Deposition, ALD)方法淀积Hf02/A1203高K绝缘介质层022,首先淀积2nm的Al, Al自然氧化后再淀积15nm的Hf02。栅绝缘介质可选的有铪基高K介质材料Hf02，HfSiOx, HfSiON, HfAlOx, HfTaOx, HfLaOx, HfAlSiOx, HfLaSiOx 等；稀土基高 K 介质材料Zr02, La2O3, LaAlO3, TiO2, Y2O3 ;传统绝缘介质材料Si02，SiONx, Si3N4, Al2O3等；绝缘介质材料可以选择上述材料的一种或者多种绝缘介质材料的复合多层结构。
类金刚石非晶碳和绝缘介质的质量非常重要，因为它们直接和石墨烯接触，包括缺陷，平整度，陷阱电荷，杂质原子，悬挂键，声子散色等在内的接触界面的质量直接影响着石墨烯中载流子的迁移率。
步骤307，然后溅射金属层024，光刻并刻蚀金属栅电极026，栅电极位于源漏两个电极之间绝缘介质022的上方，将栅电极的图形转移到金属层024上，得到金属栅电极026 ； 栅电极隔着上述栅绝缘介质通过电场来调控导电沟道中的电荷输运。栅电极金属可选的材料很广泛，几乎任何适用于现代集成电路的栅金属都可以通过施加电压来控制石墨烯中的载流子的电荷输运过程；源漏电极与栅电极的距离Lgd’和Lgs’可选的大于零，即相距(图 1D)，或等于零，即自对准(图1E)，或小于零，即覆盖(图1F);相距与覆盖的绝对数值不大于 40nmo
步骤308，步骤309及310，最后用与CMOS工艺兼容的方法做保护层，金属通孔，互联，封装测试等后端工艺(BEOL)，因是本领域所周知的技术，故不再赘述。
这样就完成了本实施例(图2G)，一种在类金刚石非晶碳衬底上的源漏掩埋型石墨烯晶体管。结合图2G及图1D、1E、1F可见，本发明的晶体管源漏电极010/012分布在石墨烯导电沟道018的下侧，栅电极位于石墨烯导电沟道018的上侧，源漏电极与栅电极的距离Lgd’和Lgs’可大于零即相距(图1D)，或等于零即自对准(图1E)，或小于零即覆盖(图 1F);相距与覆盖的绝对数值不大于40nm。
与传统的器件结构相比本器件主要的优势1)用类金刚石取代传统的SiO2作为绝缘衬底，衬底上作为导电沟道材料的石墨烯中的迁移率更高；2)将栅电极和源漏极分别置于石墨烯导电沟道的上下两侧，可以使栅极与源漏极之间的水平间距小，进而使栅电极与源漏电极之间的寄生电容小，器件的沟道电阻小。
上述的两个主要优势可以显著提高石墨烯晶体管高频性能和工作效率，尤其是提高截止频率Ττ;该器件结构在面向高速无线通信的小尺寸高频率的石墨烯晶体管和石墨烯集成电路中应用前景广泛。
本公开的器件结构和工艺方法不仅适用于石墨烯材料晶体管，而且适用于其他碳材料的晶体管如碳纳米管晶体管，以及非晶硅，多晶硅，氧化物等薄膜晶体管。
应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离附后的权利要求书的范围。
权利要求
1.一种类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件，其特征是所述器件依次至少包括 衬底； 位于衬底上的类金刚石非晶碳薄膜； 掩埋在所述类金刚石非晶碳薄膜中的源/漏电极； 至少覆盖所述源电极和漏电极上方的单层或少数层石墨烯层； 淀积于所述石墨烯层上的绝缘介质层； 位于所述绝缘介质层上的金属栅电极。
2.如权利要求1所述的器件，其特征是 所述栅电极和所述源/漏电极分别位于所述石墨烯层的上下两侧，所述源/漏电极与所述栅电极之间的距离或大于零、或等于零、或小于零。
3.如权利要求1或2所述的器件，其特征是 所述衬底的材料是平坦的、弯曲的、或者有应变的； 所述衬底的材料是以下半导体材料之一硅、多晶硅、硅锗合金、锗、II1-V族化合物、或I1-VI族化合物； 或者所述衬底的材料是以下绝缘体材料之一塑料薄膜、玻璃、或二氧化硅； 或者所述衬底的材料是以下金属材料之一铁、铝、金、银、或铜； 所述衬底和所述类金刚石非晶碳薄膜之间还有作为应力缓冲层的二氧化硅层，所述作为应力缓冲层厚度为5nm 50nm ； 所述类金刚石非晶碳薄膜sp3C-C键含量大于50 %，sp2C = C键含量大于5 %，H原子的含量小于25%，其他杂质元素的含量小于20%;薄膜压应力小于4GPa ;薄膜厚度为IOnm 200nm ;表面粗糙度小于5nm ； 所述源/漏电极的金属选自下述材料之一或者其中几种的组合包括钯，金，Ti，Ta，Mo，Al，W, Cu，Ni, Pt，Co在内的金属；或包括TaN，TiN, TiSiN在内的金属氮化物；或包括WSi, NiSi, CoSi, PtSi在内的硅化物；或透明金属氧化物电极IZO，ITO ;或多晶硅；或多晶硅硅化物； 所述源区和漏区掩埋的金属电极长度5nm Ium,宽度IOnm IOum,厚度Inm IOOnm ；所述源/漏电极与所述栅电极之间的距离的绝对数值不大于40nm ； 所述石墨烯层的少数层为2 10层碳原子厚度； 所述绝缘介质层为选自以下材料之一或其组合构成的复合一层或多层A1203、HfO2、包括 HfSiOx, HfSiON, HfAlOx, HfTaOx, HfLaOx, HfAlSiOx，或 HfLaSiOx 至少之一在内的铪基高 K介质材料、包括ZrO2, La2O3, LaAlO3, TiO2,或Y2O3至少之一在内的稀土基高K介质材料、以及包括二氧化硅，SiON，或Si3N4至少之一在内的绝缘介质材料。
4.一种制作如权利要求1至3所述的类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件的方法，其特征是至少包括如下步骤 在半导体衬底上淀积一层类金刚石非晶碳薄膜； 在所述类金刚石非晶碳薄膜上光刻源区和漏区； 溅射源漏层材料，然后通过CMP形成一个可暴露出所述源区和漏区的平面，形成源/漏电极，并清洗所述平面的表面；将单层或者少数层石墨烯转移到清洗后的所述表面上； 在所述石墨烯上淀积绝缘介质层； 溅射金属层，光刻刻蚀形成金属栅电极。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是 所述半导体衬底上还通过淀积或者热氧化形成有一层二氧化硅作为应力缓冲层，所述类金刚石非晶碳薄膜形成于所述应力缓冲层上。
6.如权利要求4所述的方法，其特征是 在所述二氧化硅层上淀积类金刚石非晶碳薄膜的方法选自以下之一磁过滤(脉冲)阴极真空弧淀积、等离子体增强化学气相沉积、溅射、脉冲激光溅射、离子束沉积、或质量选择离子束沉积； 所述源区和漏区采用氧气/氩气等离子体刻蚀方法形成于所述类金刚石非晶碳薄膜上； 所述源漏层材料是可与石墨烯材料形成良好欧姆接触或肖特基接触的材料； 所述转移石墨烯的步骤包括先将石墨烯在铜箔上生长好，在石墨烯上面旋涂上PMMA,然后在FeCl3溶液中将所述铜箔溶解掉，形成上为PMMA下为石墨烯的两层结构，然后将该两层结构转移到所述平面的表面上，再用丙酮溶液将PMMA溶解掉，所述单层或者少数层石墨烯就转移到所述平面的表面上； 所述绝缘介质层通过原子层淀积方法淀积在所述石墨烯上。
7.如权利要求5所述的方法，其特征是所述磁过滤(脉冲)阴极真空弧淀积方法生长类金刚石非晶碳薄膜的步骤包括 使用磁过滤脉冲阴极真空弧放电淀积系统，准备高纯度石墨靶材作为阴极，选择性通入含杂质元素或含H元素的气体，通过阴极真空弧放电产生碳等离子体以及电子、中性原子和颗粒；在所述磁过滤脉冲阴极真空弧放电淀积系统内的磁过滤管道的导引下，其中的中性原子和颗粒被过滤掉，同时在所述衬底/ 二氧化硅上通过所述导电支架加负偏压使碳离子加速，离化的碳离子轰击到所述衬底/二氧化硅上并在其上形成类金刚石非晶碳薄膜。
8.如权利要求7所述的方法，其特征是所述石墨靶材的纯度在99.9%以上，所述磁过滤脉冲阴极真空弧放电淀积系统的真空室的气压控制在10-2 10-4Pa ;衬底负偏压406在20V 200V范围内；衬底温度控制在小于150°C。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征是形成所述类金刚石非晶碳薄膜后还包括30分钟 300分钟的400°C的低温退火。
10.如权利要求4所述的方法，其特征是所述栅电极和所述源/漏电极分别位于所述石墨烯层的上下两侧，所述源/漏电极与所述栅电极之间的距离或大于零、或等于零、或小于零。
11.如权利要求10所述的方法，其特征是 所述衬底的材料是平坦的、弯曲的、或者有应变的； 所述衬底的材料是以下半导体材料之一硅、多晶硅、硅锗合金、锗、II1-V族化合物、或I1-VI族化合物； 或者所述衬底的材料是以下绝缘体材料之一塑料薄膜、玻璃、或二氧化硅；或者所述衬底的材料是以下金属材料之一铁、铝、金、银、或铜； 所述衬底和所述类金刚石非晶碳薄膜之间还有作为应力缓冲层的二氧化硅层，所述作为应力缓冲层厚度为5nm 50nm ； 所述类金刚石非晶碳薄膜sp3C-C键含量大于50%，sp2C = C键含量大于5%，H原子的含量小于25%，其他杂质元素的含量小于20%;薄膜压应力小于4GPa ;薄膜厚度为IOnm 200nm ;表面粗糙度小于5nm ； 所述源/漏电极的金属选自下述材料之一或者其中几种的组合包括钯，金，Ti，Ta，Mo，Al，W，Cu，Ni, Pt，Co在内的金属；或包括TaN，TiN, TiSiN在内的金属氮化物；或包括WSi, NiSi, CoSi, PtSi在内的硅化物；或透明金属氧化物电极IZO，ITO ;或多晶硅；或多晶硅硅化物； 所述源区和漏区掩埋的金属电极长度5nm Ium,宽度IOnm IOum,厚度Inm IOOnm ； 所述源/漏电极与所述栅电极之间的距离的绝对数值不大于40nm ； 所述石墨烯层的少数层为2 10层碳原子厚度； 所述绝缘介质层为选自以下材料之一或其组合构成的复合一层或多层A1203、HfO2、包括 HfSiOx, HfSiON, HfAlOx, HfTaOx, HfLaOx, HfAlSiOx，或 HfLaSiOx 至少之一在内的铪基高 K介质材料、包括ZrO2, La2O3, LaAlO3, TiO2,或Y2O3至少之一在内的稀土基高K介质材料、以及包括二氧化硅，SiON，或Si3N4至少之一在内的绝缘介质材料。
全文摘要
一种适用于射频通信的类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件和制作方法。首先通过磁过滤阴极真空弧系统在衬底上淀积一层表面光滑且化学性质稳定的类金刚石非晶碳，在类金刚石非晶碳绝缘层上刻蚀出源漏区沟槽并填充电极金属，平坦化处理和清洗衬底表面后，将化学气相沉积方法生长的石墨烯转移到清洁衬底上，用原子层淀积方法生长栅绝缘介质并溅射栅电极金属。反应离子刻蚀形成金属栅，然后淀积低K绝缘介质保护器件。本发明的石墨烯晶体管的载流子迁移率高；源漏掩埋型结构能够减小未被栅极覆盖区域的石墨烯长度，减小栅源栅漏电容和沟道电阻，提高石墨烯晶体管的高频性能和效率。本发明有可能被广泛应用到小尺寸高频率的石墨烯集成电路中。
文档编号H01L29/08GK103000669SQ201110266848
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月9日 优先权日2011年9月9日
发明者马小龙, 殷华湘 申请人:中国科学院微电子研究所