硅栅石墨烯/黑磷晶体管及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件技术。
【背景技术】
[0002]硅集成电路技术发展至今，全世界数以万亿美元计的设备和科技投入，己使集成电路工艺形成非常强大的产业能力。同时，长期的科研投入已使人们对硅及其衍生物各种属性的了解达到十分深入、十分透彻的地步，成为自然界100多种元素之最，这是非常宝贵的知识积累。
[0003]近几年来，第4代移动通信、移动通信手机、高速无线互联网、Bluetooth以及利用MPGE标准实现无线视频图像传输的卫星电视服务等技术风起云涌，无线通信技术得到了飞跃发展。快速增长的无线通信市场的巨大需求也造成了对射频集成电路的需求。原来的混合电路由于不能满足低成本、低功耗和高容量的要求，而必然要被集成度越来越高的集成电路所取代，并最终形成单元射频收发机芯片。近来研发的石墨烯/黑磷晶体管在射频功率器件领域也有着广阔的应用前景。
[0004]专利“一种基于栅介质结构的石墨烯场效应器件及其制备方法”(专利号201210461745.9)中提出了一种石墨烯器件结构，该器件采用衬底沟槽中填充的金属A1作为栅电极，使用A1203和BN复合薄膜层构成石墨烯晶体管的栅介质。这样形成石墨烯晶体管结构的主要缺点是与传统CMOS工艺不兼容，不利于与半导体器件集成，采用传统的材料淀积方法向较窄的衬底沟槽中填充材料时会遇到较大的困难。
【发明内容】
[0005]本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种能够充分发挥石墨烯/黑磷薄膜的性能的硅栅石墨烯/黑磷晶体管及制备方法。
[0006]本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，硅栅石墨烯/黑磷晶体管，包括衬底、栅电极、栅介质、源电极和漏电极，其特征在于，衬底上设置有隔离氧化硅层，隔离氧化硅层上设置有氧化硅槽，在氧化硅槽内设置有栅电极和栅介质，基底表面上设置有石墨烯/黑磷层，在石墨烯/黑磷层上方设置有源电极和漏电极。
[0007]进一步的，所述栅电极为多晶硅，或者多晶硅与耐熔金属的重叠组合，或者为耐熔金属硅化物。所述耐熔金属为钛、钼、钴等等。所述源电极、漏电极和石墨烯/黑磷的表面上设置有钝化层。
[0008]本发明还提供一种硅栅石墨烯/黑磷晶体管的制备方法，包括下述步骤:
[0009]a、在衬底上形成隔离氧化硅层；
[0010]b、在隔离氧化硅层的上表面上制作氧化硅槽；
[0011]c、在氧化硅槽中填充栅电极材料；
[0012]e、对填充的栅电极材料作表面平坦化处理直至露出隔离氧化硅层；
[0013]f、对氧化硅槽中的栅电极作热处理，在栅电极表面形成薄层氧化硅作为栅介质；
[0014]g、在隔离氧化硅层的上表面和氧化硅槽的填充物表面设置石墨烯/黑磷薄膜，并图形化石墨烯/黑磷薄膜；
[0015]h、在石墨烯/黑磷薄膜表面形成源电极和漏电极；
[0016]1、在源电极、漏电极和石墨烯/黑磷的表面设置钝化层。
[0017]步骤c中，栅电极为多晶硅，或者多晶硅与耐熔金属的复合层，或者耐熔金属硅化物。
[0018]本发明的优势在于，一是易于控制，工艺重复性好，且与传统半导体硅工艺兼容，二是轻易获得良好的栅介质质量，三是容易实现较窄沟槽的填充，四是具有大规模集成的应用潜力，五是最大程度的保证石墨烯/黑磷薄膜的性能。
[0019]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的说明。
【附图说明】
[0020]图1是本发明实施例1的结构示意图。
[0021]图2是实施例2的结构示意图，其栅电极为耐熔金属与多晶硅复合层。
[0022]图3是实施例3的结构示意图，其栅电极为耐熔金属硅化物。
[0023]图4是实施例4的结构示意图，其使用钝化层对所形成的晶体管进行保护。
[0024]图5是本发明的晶体管与CMOS集成电路集成结构示意图。
[0025]标号说明
[0026]1 衬底
[0027]2隔离氧化硅
[0028]3多晶硅
[0029]4栅介质
[0030]5石墨烯或黑磷
[0031]6源电极
[0032]7漏电极
[0033]8耐熔金属
[0034]9耐熔金属硅化物栅电极
[0035]10钝化层
[0036]11 CMOS 器件
【具体实施方式】
[0037]本发明使用与半导体硅工艺兼容的多晶硅作为石墨烯/黑磷晶体管的栅电极，并使用多晶硅表面热氧化形成质量很好的氧化硅作为石墨烯/黑磷晶体管的栅介质。将石墨烯/黑磷晶体管的多晶硅栅电极置于二氧化硅槽内，从而提供优良的石墨烯/黑磷薄膜平面载体，与顶栅结构相比，使石墨烯/黑磷材料的性能受到最小程度的影响。
[0038]参见图1?5。从图中可以看出，石墨烯/黑磷晶体管的栅电极为多晶娃，或者耐熔金属与多晶硅的复合层，或者耐熔金属硅化物，栅介质为栅电极表面形成的二氧化硅薄膜。石墨烯/黑磷晶体管的栅电极及栅介质位于一个二氧化硅槽内，在石墨烯/黑磷薄膜形成之前，石墨烯/黑磷晶体管基底表面为一优良的平面。石墨烯/黑磷薄膜形成之后，在石墨烯/黑磷薄膜的上表面形成源和漏电极。
[0039]实施例1:参见图1。
[0040]本实施例的晶体管包含衬底1、隔离氧化硅2层、多晶硅3栅电极、栅介质4、源电极6和漏电极7，衬底1上设置有隔离氧化硅2层，隔离氧化硅2层上设置有氧化硅槽，在氧化硅槽内设置有多晶硅3栅电极和栅介质4，隔离氧化硅2层及氧化硅槽上设置有石墨烯/黑磷5层，在石墨烯/黑磷5层上方设置有源电极6和漏电极7。栅电极为多晶硅3，栅介质4为氧化硅。
[0041]实施例2:参见图2。
[0042]本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的栅电极为耐熔金属8与多晶硅3的重叠组合，在氧化硅槽底部为耐熔金属8，耐熔金属上方为多晶硅3。
[0043]实施例3:参见图3。
[0044]本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的栅电极为耐熔金属硅化物9。
[0045]实施例4:参见图4。
[0046]本实施例在实施例1的基础上增加了钝化层10，具体的说，在源电极6的局部和漏电极7的局部，以及石墨烯/黑磷5层未被源电极6和漏电极7覆盖的部分，以钝化层10覆盖。
[0047]本发明的制备方法为:
[0048]首先在衬底1上形成一厚隔离氧化硅2层，该隔离氧化硅2层主要起隔离的作用。使用的衬底1可以是硅衬底，包括η型硅和p型硅，也可以是其他一些材料，如石英玻璃、蓝宝石等等。隔离氧化硅2的形成可以是热氧化的方式，也可以是沉积的方式，如化学气相沉积或物理气相沉积。
[0049]隔离氧化硅2形成之后，在其上通过使用湿法腐蚀或干法刻蚀的办法形成氧化硅槽。
[0050]使用低压化学气相沉积(LPCVD)的办法向已形成的氧化硅槽中填充多晶硅3。接下来对多晶硅3进行掺杂，掺杂可以使用原位方式，也可以使用离子注入的方式，掺杂类型包括η型或ρ型。
[0051]填满氧化硅槽的多晶硅3，使用化学机械抛光(CMP)的办法进行表面平坦化直至露出隔离氧化硅2。使用氧化硅槽中的多晶硅3作为石墨烯/黑磷晶体管栅电极，如图1所不ο
[0052]也可以在氧化硅槽中首先填充一层耐熔金属8，接下再填充多晶硅3，从而使用耐熔金属8和多晶硅3复合层作为石墨烯/黑磷晶体管的栅电极，如图2所示。
[0053]对上述的耐熔金属8和多晶硅3进行高温处理就可以形成耐熔金属硅化物9，同样可以以此作为石墨烯/黑磷晶体管的栅电极，如图3所示。
[0054]对氧化硅槽中的栅电极物质进行热氧化，形成一薄层氧化硅层，该薄层氧化硅层作为石墨烯/黑磷晶体管的栅介质4，如图1、2、3所示。
[0055]在较平坦的基底表面形成石墨烯/黑磷5薄膜。由于石墨烯/黑磷5薄膜形成于较平坦的基底表面，因此石墨烯/黑磷5薄膜的性能可以被很好的保持。可以使用等离子体刻蚀等办法对石墨烯/黑磷5薄膜进行图形化。
[0056]最后，使用蒸发或溅射等沉积办法形成石墨烯/黑磷晶体管的源和漏电极金属，并使用光刻刻蚀或剥离等办法对其进行图形化，形成源电极6和漏电极7，如图1、2、3所示。形成石墨烯/黑磷晶体管源漏金属电极的材料包括多种金属，如钛、镍、金、铂、钯等等。
[0057]石墨烯/黑磷晶体管形成之后，为避免外界环境如有机物、颗粒、金属粒子、水汽等对石墨烯/黑磷5薄膜性能的影响，在石墨烯/黑磷晶体管的上表面形成了一层钝化层10，以此来对石墨烯/黑磷晶体管进行保护，如图4所示。石墨烯/黑磷晶体管表面的钝化层10可以是氧化硅、氮化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃，硼磷硅玻璃，或有机物材料，等等。
[0058]如图5所示，先通过传统CMOS工艺形成CMOS器件11，然后在表面制作隔离氧化硅2层，在隔离氧化硅2层上通过本专利上述工艺步骤形成石墨烯/黑磷晶体管。最后通过刻孔及填充钨塞的办法连接CMOS和本专利发明的石墨烯/黑磷晶体管实现两种器件的集成。
【主权项】
1.硅栅石墨烯/黑磷晶体管，包括衬底、栅电极、栅介质、源电极和漏电极，其特征在于，衬底上设置有隔离氧化硅层，隔离氧化硅层上设置有氧化硅槽，在氧化硅槽内设置有栅电极和栅介质，隔离氧化硅层和氧化硅槽上设置有石墨烯/黑磷层，在石墨烯/黑磷层上方设置有源电极和漏电极。2.如权利要求1所述的硅栅石墨烯/黑磷晶体管，其特征在于，栅电极为多晶硅，或者为多晶硅与耐熔金属的重叠组合。3.如权利要求1所述的硅栅石墨烯/黑磷晶体管，其特征在于，所述栅电极为耐熔金属硅化物。4.如权利要求3所述的硅栅石墨烯/黑磷晶体管，其特征在于，所述耐熔金属为钛、钼或钴。5.如权利要求1所述的硅栅石墨烯/黑磷晶体管，其特征在于，所述源电极、漏电极和石墨烯/黑磷的表面上设置有钝化层。6.硅栅石墨烯/黑磷晶体管的制备方法，其特征在于，包括下述步骤: a、在衬底上形成隔离氧化硅层； b、在隔离氧化硅层的上表面上制作氧化硅槽； c、在氧化娃槽中填充栅电极材料； e、对填充的栅电极材料作表面平坦化处理直至露出隔离氧化硅层； f、对氧化硅槽中的栅电极作热处理，在栅电极表面形成薄层氧化硅作为栅介质； g、在隔离氧化硅层的上表面和氧化硅槽的填充物表面设置石墨烯/黑磷薄膜，并图形化石墨烯/黑磷薄膜； h、在石墨烯/黑磷薄膜表面形成源电极和漏电极； 1、在源电极、漏电极和石墨烯/黑磷的表面设置钝化层。7.如权利要求6所述的硅栅石墨烯/黑磷晶体管的制备方法，其特征在于，步骤c中，栅电极为多晶硅，或者多晶硅与耐熔金属的复合层，或者耐熔金属硅化物。
【专利摘要】硅栅石墨烯/黑磷晶体管及制备方法，涉及半导体器件技术。本发明的晶体管包括衬底、栅电极、栅介质、源电极和漏电极，其特征在于，衬底上设置有隔离氧化硅层，隔离氧化硅层上设置有氧化硅槽，在氧化硅槽内设置有栅电极和栅介质，基底表面上设置有石墨烯/黑磷层，在石墨烯/黑磷层上方设置有源电极和漏电极。本发明的优势在于，一是易于控制，工艺重复性好，且与传统半导体硅工艺兼容，二是轻易获得良好的栅介质质量，三是容易实现较窄沟槽的填充，四是具有大规模集成的应用潜力，五是最大程度的保证石墨烯/黑磷薄膜的性能。
【IPC分类】H01L29/423, H01L21/44, H01L29/78, H01L21/34
【公开号】CN105428416
【申请号】CN201510821437
【发明人】李平, 王刚, 张庆伟, 陈远富
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年11月24日