双栅双极石墨烯场效应晶体管及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体器件及制造领域，特别是涉及一种双栅双极石墨烯场效应晶体管及其制作方法。
【背景技术】
[0002]自I960年MOSFET器件研制成功后，因其具有低功耗、可靠性高、尺寸易于缩小等优点，成为微处理器与半导体存储器等先进集成电路中不可或缺的核心部分，并迅速蓬勃发展。为了增加器件密度、响应速度以及芯片的功能，器件尺寸的按比例缩小是CMOS技术长期以来的发展趋势。即根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍。随着微电子领域器件尺寸的不断减小，硅材料逐渐接近其加工的极限。为延长摩尔定律的寿命，国际半导体工业界纷纷提出超越娃技术(Beyond Silicon)，其中最有希望的石墨稀应运而生。
[0003]石墨稀(Graphene)作为一种新型的二维六方蜂巢结构碳原子晶体，自从2004年被发现以来，就在全世界激起了巨大的波澜。实验证明石墨烯不仅具有非常出色的力学性能、光学性能和热学性能，还具有非常独特的电学性质。石墨烯是零带隙材料，有效质量为零，其载流子迀移率高达2X105cm2/V.s，远高于硅材料的1.6xl03cm2/V.s，并具有常温整数量子霍尔效应等新奇的物理性质。正是其优异的电学性能使发展石墨烯基的晶体管和集成电路成为可能，并有可能完全取代硅成为新一代的主流半导体材料。
[0004]作为新型的半导体材料，石墨烯已经被应用于场效应晶体管中。石墨烯基场效应晶体管(Graphene Field-Effect-Transistor，G-FET)，是利用石墨稀的半导体特性来制成的晶体管，其中石墨烯被用于形成G-FET的沟道。此外，器件尺寸的按比例缩小使得传统栅氧材料S12的厚度已经到达其物理极限，因此，选用高k(介电常数)材料来替代S12作为栅介质已成为微电子技术发展的必然趋势。
[0005]为制备高性能的G-FET，必须要在石墨稀表面生长高质量的超薄高k栅介质层。然而对于普遍使用的高k栅介质层的生长方法-原子层沉积(ALD)，由于石墨烯表面缺乏悬挂键为其生长提供成核中心，所以无法直接在石墨烯上生成均匀的薄层高K栅介质层，此课题一直是国内外研宄的热点。众多文献报道，在采用ALD生长高k栅介质层之前，先对石墨稀进行表面功能化处理，例如NO2分子功能化，03的功能化；此外还有在石墨稀表面旋涂一层高分子聚合物薄膜，或形成一层金属氧化物薄膜作为成核层。然而这些处理方法会给石墨烯造成新的、额外的缺陷或杂质，显著降低G-FET的性能(例如:载流子迀移率等)。
【发明内容】
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双栅双极石墨烯场效应晶体管及其制作方法，用于解决现有技术中在制备高性能的G-FET过程中对石墨烯造成缺陷或杂质污染，显著降低G-FET的性能的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双栅双极石墨烯场效应晶体管，所述双栅双极石墨烯场效应晶体管包括:
[0008]半导体衬底；
[0009]石墨烯沟道层，位于所述半导体衬底的正面；
[0010]源电极及漏电极，间隔地分布于所述石墨烯沟道层上；
[0011]高k栅介质层，覆盖于所述半导体衬底正面、石墨烯沟道层、源电极及漏电极裸露的表面上；
[0012]第一栅电极，位于所述源电极及漏电极之间的所述高k栅介质层上；
[0013]第二栅电极，位于所述半导体衬底的背面。
[0014]作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的一种优选方案，所述半导体衬底为6H-SiC基片，所述半导体衬底包括Si层及位于所述Si层上的SiC层，所述石墨烯沟道层位于所述SiC层的表面。
[0015]作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的一种优选方案，所述石墨烯沟道层为经过表面功能化处理或等离子体物理吸附的石墨烯沟道层。
[0016]本发明还提供一种双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法，至少包括以下步骤:
[0017]提供半导体衬底，对所述半导体衬底进行清洗；
[0018]预刻蚀所述半导体衬底的正面，将预刻蚀后的所述半导体衬底进行退火处理，以在所述半导体衬底的正面形成石墨烯沟道层；
[0019]在所述石墨烯沟道层上形成源电极及漏电极；
[0020]去除所述源电极及漏电极外围的所述石墨烯沟道层；
[0021]对所述石墨烯沟道层进行表面功能化处理或等离子体物理吸附；
[0022]形成高k栅介质层，所述高k栅介质层覆盖所述半导体衬底正面、石墨烯沟道层、源电极及漏电极裸露的表面；
[0023]在所述源电极及漏电极之间的所述高k栅介质层上形成第一栅电极；
[0024]在所述半导体衬底的背面形成第二栅电极。
[0025]作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，所述半导体衬底为6H-SiC基片，所述半导体衬底包括Si层及位于所述Si层上的SiC层。
[0026]作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，对所述半导体衬底进行清洗的步骤包括:
[0027]利用含盐酸的过氧化氢溶液对所述半导体衬底进行酸性氧化超声波清洗；
[0028]利用去离子水对所述半导体衬底进行第一漂洗；
[0029]利用含胺的碱性过氧化氢溶液对所述半导体衬底进行碱性氧化超声波清洗；
[0030]利用去离子水对所述半导体衬底进行第二次漂洗；
[0031]将清洗后的所述半导体衬底烘干。
[0032]作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，利用双频容性耦合等离子体对所述半导体衬底的正面进行预刻蚀；刻蚀气体为C4F8及Ar，刻蚀气体的流量为C4F8:5?15sccm，Ar:0.1?1.0sccm ;刻蚀时间为I?10分钟。
[0033]作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，刻蚀气体的流量为C4F8:10sccm，Ar:0.5sccm ;刻蚀时间为5分钟。
[0034]作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，在Ar气氛下对预刻蚀后的所述半导体衬底进行退火处理，退火温度为700?1000°C ;退火时间为15?25分钟ο
[0035]作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，退火温度为800 °C或950 °C ;退火时间为20分钟。
[0036]作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，利用氧等离子体刻蚀去除所述源电极及漏电极外围的所述石墨烯沟道层。
[0037]作为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的一种优选方案，利用原子层沉积工艺形成所述高k栅介质层。
[0038]如上所述，本发明提供一种双栅双极石墨烯场效应晶体管及其制作方法，具有以下有益效果:在制造双栅双极石墨烯场效应晶体管的过程中，直接将石墨烯附着于所需的衬底上，无需进行繁琐的转移，避免了对石墨烯结构造成破坏和杂质污染；设置第一栅电极与第二栅电极同时调制石墨烯材料的电学性能，使得该方法制备的双栅双极石墨烯场效应晶体管具备更加优异的开断性能，更高的载流子迀移率以及更小的栅漏电流；工艺流程简单，成本经济，适合基于石墨烯场效应晶体管的大规模生产。
【附图说明】
[0039]图1显示为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的结构示意图。
[0040]图2显示为本发明双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法的流程示意图。
[0041]图3至图10显示为本发明的双栅双极石墨烯场效应晶体管的制作方法在各步骤中所呈现的结构示意图。
[0042]元件标号说明
[0043]I半导体衬底
[0044]11Si 层
[0045]12SiC 层
[0046]2石墨烯沟道层
[0047]3源电极
[0048]4漏电极
[0049]5高k栅介质层
[0050]6第一栅电极
[0051]7第二栅电极
【具体实施方式】
[0052]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0053]请参阅图1至图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发