專(zhuān)利名稱(chēng)：石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的制造領(lǐng)域，尤其涉及石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)摩爾定律，芯片的集成度每18個(gè)月至2年提高一倍，S卩加工線寬縮小一半。利用尺寸不斷減小的硅基半導(dǎo)體材料(硅材料的加工極限一般認(rèn)為是10納米線寬)來(lái)延長(zhǎng)摩爾定律的發(fā)展道路已逐漸接近終點(diǎn)。隨著微電子領(lǐng)域器件尺寸的不斷減小，硅材料逐漸接近其加工的極限。為延長(zhǎng)摩爾定律的壽命，國(guó)際半導(dǎo)體工業(yè)界紛紛提出超越硅技術(shù)(Beyond Silicon)，其中最有希望的石墨烯應(yīng)運(yùn)而生。石墨烯(Graphene)作為一種新型的二維六方蜂巢結(jié)構(gòu)碳原子晶體，自從2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，在全世界引起了廣泛的關(guān)注。石墨烯(Graphene)是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子薄膜，在二維平面上每個(gè)碳原子以sp2雜化軌道相銜接，也就是每個(gè)碳原子與最近鄰的三個(gè)碳原子間形成三個(gè)σ鍵，剩余的一個(gè)ρ電子軌邀垂直于石墨烯平面，與周?chē)有纬搔墟I，碳原子問(wèn)相互圍成正六邊形的平面蜂窩形結(jié)構(gòu)，這樣在同一原子面上只有兩種空間位置相異的原子。實(shí)驗(yàn)證明石墨烯不僅具有非常出色的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，還具有獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)。石墨烯是零帶隙材料，其電子的有效質(zhì)量為零，并以106m/s的恒定速率運(yùn)動(dòng)，行為與光子相似，由此，石墨的理論電子遷移率高達(dá)200000cm7V · s，實(shí)驗(yàn)測(cè)得遷移率也超過(guò)15000cm2/V · s，是商業(yè)硅片中電子遷移率的10倍，并具有常溫整數(shù)量子霍爾效應(yīng)等新奇的物理性質(zhì)。正是其優(yōu)異的電學(xué)性能使發(fā)展石墨烯基的晶體管和集成電路成為可能，并有可能完全取代硅成為新一代的主流半導(dǎo)體材料。作為新型的半導(dǎo)體材料，石墨烯已經(jīng)被應(yīng)用于MOS(Metal-Oxide-Semiconductor， 金屬-氧化物-半導(dǎo)體)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中。為制造高性能的石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (G-FET)，必須要在石墨烯表面制備高質(zhì)量的高k柵介質(zhì)。采用物理氣相沉積Physical Vapor Deposition, PVD)工藝可以直接在石墨烯表面沉積柵介質(zhì)層，但制得柵介質(zhì)膜的均勻性和覆蓋率較差，并且沉積過(guò)程中的動(dòng)能離子不可避免地會(huì)破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)， 產(chǎn)生大量缺陷使石墨烯的電學(xué)性能大幅衰退。而采用化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)工藝不存在動(dòng)能離子損傷的問(wèn)題，并且所得薄膜的均勻性和覆蓋率良好， 但是，用CVD工藝制備的薄膜雜質(zhì)含量較高。對(duì)高k柵介質(zhì)膜，雜質(zhì)會(huì)極大降低其介電常數(shù)并對(duì)器件性能產(chǎn)生很大影響，這就限制了 CVD工藝在制備高k柵介質(zhì)方面的應(yīng)用。再有， 采用原子層淀積(Atomic Layer Deposition, ALD)工藝依靠交替重復(fù)的自限制反應(yīng)生長(zhǎng)薄膜，能精確地控制薄膜的厚度和化學(xué)組分，因而淀積的薄膜雜質(zhì)少、質(zhì)量高并且具有很好的均勻性和保形性，被認(rèn)為是最有可能制備高質(zhì)量高k介質(zhì)層的方法。但由于石墨烯表面呈疏水性并且缺乏薄膜生長(zhǎng)所需的懸掛鍵，因而采用常規(guī)水基(H20-baSed)ALD生長(zhǎng)工藝很難在未經(jīng)功能化處理的石墨烯表面成核生長(zhǎng)均勻的超薄高k介質(zhì)層。而如果采用臭氧基(03-baSed) ALD工藝雖然可以在石墨烯上制備出高k介質(zhì)層，但實(shí)驗(yàn)證明O3會(huì)破壞石墨烯的C-C鍵，引入大量C-O鍵，從而破壞石墨烯晶體結(jié)構(gòu)，會(huì)降低石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能。這樣，如何在不破壞石墨烯結(jié)構(gòu)，不影響其電學(xué)性能的前提下，在石墨烯表面制備高質(zhì)量的氧化物柵介質(zhì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中在石墨烯表面制備的氧化物柵介質(zhì)層的均勻性和覆蓋率較差或者破壞石墨烯晶體結(jié)構(gòu)以及含有較多雜質(zhì)等問(wèn)題。本發(fā)明提供一種石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上具有石墨烯層，所述石墨烯層未經(jīng)功能化處理；利用在所述石墨烯層表面物理吸附的水作為氧化劑與金屬源反應(yīng)生成金屬氧化物薄膜，作為成核層；利用所述成核層， 利用水作為氧化劑與鉿源反應(yīng)，在所述石墨烯層上生成HfO2柵介質(zhì)層。可選地，所述半導(dǎo)體襯底上具有石墨烯層包括將未經(jīng)功能化處理的石墨烯樣品轉(zhuǎn)移到所述半導(dǎo)體襯底上?？蛇x地，金屬氧化物薄膜為Al2O3薄膜；生成Al2O3薄膜包括將具有石墨烯層的所述半導(dǎo)體襯底轉(zhuǎn)移到反應(yīng)腔室中；將所述反應(yīng)腔室升溫至第一反應(yīng)溫度，采用原子層沉積工藝，利用在所述石墨烯表面物理吸附的水作為氧化劑與鋁源反應(yīng)生成多循環(huán)的Al2O3薄膜。可選地，所述第一反應(yīng)溫度為100°C至140°C。可選地，所述鋁源為三甲基鋁?？蛇x地，所述Al2O3薄膜為10至35循環(huán)?？蛇x地，所述Al2O3薄膜的厚度為1. 5nm至5nm?？蛇x地，在所述石墨烯層上生成HfO2柵介質(zhì)層包括將所述反應(yīng)腔室升溫至第二反應(yīng)溫度，采用原子層沉積工藝，利用水作為氧化劑與鉿源反應(yīng)，在所述石墨烯層上生成 HfO2柵介質(zhì)層?？蛇x地，所述第二反應(yīng)溫度為200°C至350°C?？蛇x地，所述鉿源為四(乙基甲胺基)鉿。本發(fā)明技術(shù)方案主要是利用物理吸附在石墨烯表面上的水作為氧化劑與金屬源反應(yīng)生成作為成核層的金屬氧化物層，從而在后續(xù)采用原子層沉積工藝在石墨烯表面制備出均勻性和覆蓋率較高的高質(zhì)量HfO2柵介質(zhì)薄膜，也不會(huì)在石墨烯晶格中引入會(huì)降低石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的缺陷。


圖1為本發(fā)明石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法的流程示意圖；圖2至圖4為按照?qǐng)D1所示的流程形成石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中，在石墨烯表面制備的氧化物柵介質(zhì)層存在均勻性和覆蓋率較差或者破壞石墨烯晶體結(jié)構(gòu)以及含有較多雜質(zhì)等問(wèn)題，影響石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能。因此，在石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，為防止上述缺陷的產(chǎn)生，本發(fā)明的發(fā)明人對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新型的石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管制備方法，其主要是在石墨烯表面生成HfO2柵介質(zhì)層之前預(yù)先在石墨烯表面生成一作為成核層的金屬氧化物薄膜，從而提高HfO2柵介質(zhì)層的成型質(zhì)量。以下將通過(guò)具體實(shí)施例來(lái)對(duì)發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。下面結(jié)合圖示更完整的描述本發(fā)明，本發(fā)明提供的優(yōu)選實(shí)施例，但不應(yīng)被認(rèn)為僅限于在此闡述的實(shí)施例中。在圖中，為了更清楚的反應(yīng)結(jié)構(gòu)，適當(dāng)放大了層和區(qū)域的厚度， 但作為示意圖不應(yīng)該被認(rèn)為嚴(yán)格反映了幾何尺寸的比例關(guān)系。參考圖是本發(fā)明的示意圖， 圖中的表示只是示意性質(zhì)的，不應(yīng)該被認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍。圖1為本發(fā)明石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法的流程示意圖。如圖1所示，所述制備方法包括如下步驟SlOl 提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上具有石墨烯層，所述石墨烯層未經(jīng)功能化處理；S103，利用在所述石墨烯層表面物理吸附的水作為氧化劑與金屬源反應(yīng)生成金屬氧化物薄膜，作為成核層；S105,利用所述成核層，利用水作為氧化劑與鉿源反應(yīng)，在所述石墨烯層上生成 HfO2柵介質(zhì)層。首先執(zhí)行步驟S100，提供半導(dǎo)體襯底200，所述半導(dǎo)體襯底上具有石墨烯層202， 形成如圖2所示的結(jié)構(gòu)。其中，半導(dǎo)體襯底200為形成有半導(dǎo)體器件的硅(可以形成有部分的硅氧化物)、 形成有半導(dǎo)體器件的絕緣體上硅(SOI)、或者為形成有半導(dǎo)體器件的II-VI或者III V族化合物半導(dǎo)體。石墨烯層202是未經(jīng)功能化處理的。在實(shí)際應(yīng)用中，是將新鮮的、未經(jīng)功能化處理的石墨烯樣品轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體襯底100上形成的。但并不以此為限，在其他實(shí)施例中，石墨烯層202也可以通過(guò)其他工藝直接在半導(dǎo)體襯底200生成，在此不再贅述。接著執(zhí)行步驟S103，利用在石墨烯層202表面物理吸附的水作為氧化劑與金屬源反應(yīng)生成金屬氧化物薄膜，作為成核層204，形成如圖3所示的結(jié)構(gòu)。由于未經(jīng)功能化處理的石墨烯表面呈疏水性并且缺乏薄膜生長(zhǎng)所需的懸掛鍵，若直接在石墨烯層202上通過(guò)水基(H20-baSed)ALD薄膜生長(zhǎng)工藝制備的高k柵介質(zhì)薄膜存在有均勻性較差、覆蓋率較差等問(wèn)題，影響半導(dǎo)體器件的性能。因此，本發(fā)明人設(shè)想在生成高k柵介質(zhì)薄膜之前先在石墨烯層202生成一成核層204。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在低溫條件下，水分子可以物理吸附在石墨烯表面。因此， 本發(fā)明的發(fā)明人創(chuàng)造性地提出，利用物理吸附在石墨烯層202表面的水作為氧化劑與金屬源反應(yīng)生成金屬氧化物薄膜，作為成核層204。在生成成核層204的步驟103中，具體包括將步驟101中具有石墨烯層202的半導(dǎo)體襯底200轉(zhuǎn)移到ALD反映腔室中；將所述ALD反應(yīng)腔室升溫至第一反應(yīng)溫度(例如 100°C至140°C )，采用水基ALD工藝，利用在石墨烯層202表面物理吸附的水作為氧化劑與鋁源反應(yīng)生成多循環(huán)的Al2O3薄膜，作為成核層204。特別地，在本實(shí)施例中，金屬源采用的是鋁源，較佳地，所述鋁源可以是三甲基鋁(Tri-MelIitic-Anhydride ；TMA)。ALD工藝是一種基于有序表面化學(xué)特性自限制成長(zhǎng)的工藝，通過(guò)清除步驟取出表面反應(yīng)物，典型的生長(zhǎng)工程由ALD—個(gè)周期的多次重復(fù)組成a)第一次氣態(tài)反應(yīng)物通入反應(yīng)腔室；b)生成物清除用中性氣體去除沒(méi)有被吸收的反應(yīng)物；c)第二次氣態(tài)反應(yīng)物通入反應(yīng)腔室，和第一次被吸收在生長(zhǎng)薄膜表面的反應(yīng)；d)生成物清除用中性氣體去除第二次沒(méi)有被吸收反應(yīng)物和反應(yīng)副產(chǎn)物。在本實(shí)施例中，采用的是水基(H20-baSed)ALD，通入的反應(yīng)物包括有水和鋁源，生成的所述Al2O3薄膜為10至35循環(huán)(cycles)，其厚度約為1.5nm至 5nm。實(shí)際上，在其他實(shí)施例中，也可以采用其他金屬源來(lái)生成金屬薄膜，作為成核層，在此不再贅述。S105,利用成核層204，利用水作為氧化劑與鉿源反應(yīng)，在石墨烯層202上生成 HfO2柵介質(zhì)層206，形成如圖4所示的結(jié)構(gòu)。步驟105具體包括將所述ALD反應(yīng)腔室升溫至第二反應(yīng)溫度(例如為200°C至 3500C )，采用水基ALD工藝，利用水作為氧化劑與鉿源反應(yīng)，在成核層204上生成HfO2柵介質(zhì)層。在本實(shí)施例中，鉿源采用的是四(乙基甲胺基)鉿(TEMAH)，但并不以此為限，例如， 也可以采用四(二甲胺基)鉿(TDEAH)、或四-(乙基甲基胺基酸)-給(Hf [N(CH)3(C2H5) ]4)、 四氯化鉿(HfCl4)等。實(shí)驗(yàn)證明，利用先在石墨烯層202上生成的成核層204，再在成核層204上生成高 k的HfO2柵介質(zhì)層206，可以使得生成的HfO2柵介質(zhì)層206具有均勻性好、覆蓋率高等優(yōu)
點(diǎn)ο另外，本發(fā)明采用是水基ALD工藝，相較于臭氧基ALD工藝，可以避免對(duì)石墨烯晶體結(jié)構(gòu)的破壞，減少了缺陷的引入。在后續(xù)，即可按照現(xiàn)有技術(shù)生成例如柵極、源/漏區(qū)的等，制備完成石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在此不再一一贅述。綜上所述，本發(fā)明技術(shù)方案利用物理吸附在石墨烯表面上的水作為氧化劑與金屬源反應(yīng)生成作為成核層的金屬氧化物層，從而在后續(xù)采用原子層沉積工藝在石墨烯表面制備出均勻性和覆蓋率較高、以及雜質(zhì)含量少的高質(zhì)量HfO2柵介質(zhì)薄膜；同時(shí)，利用水基原子層沉積工藝，在制作HfO2柵介質(zhì)薄膜過(guò)程中，也不會(huì)在石墨烯晶格中引入會(huì)降低石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的缺陷。上述實(shí)施例僅列示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范圍下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修改。因此，本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書(shū)所列。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上具有石墨烯層，所述石墨烯層未經(jīng)功能化處理； 利用在所述石墨烯層表面物理吸附的水作為氧化劑與金屬源反應(yīng)生成金屬氧化物薄膜，作為成核層；利用所述成核層，利用水作為氧化劑與鉿源反應(yīng)，在所述石墨烯層上生成HfO2柵介質(zhì)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所示的制備方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底上具有石墨烯層包括將未經(jīng)功能化處理的石墨烯樣品轉(zhuǎn)移到所述半導(dǎo)體襯底上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所示的制備方法，其特征在于，所述金屬氧化物薄膜為Al2O3薄膜； 生成Al2O3薄膜包括將具有石墨烯層的所述半導(dǎo)體襯底轉(zhuǎn)移到反應(yīng)腔室中；將所述反應(yīng)腔室升溫至第一反應(yīng)溫度，采用原子層沉積工藝，利用在所述石墨烯表面物理吸附的水作為氧化劑與鋁源反應(yīng)生成多循環(huán)的Al2O3薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所示的制備方法，其特征在于，所述第一反應(yīng)溫度為100°C至140°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所示的制備方法，其特征在于，所述鋁源為三甲基鋁。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所示的制備方法，其特征在于，所述Al2O3薄膜為10至35循環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所示的制備方法，其特征在于，所述Al2O3薄膜的厚度為1.5nm至5nm0
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3所示的制備方法，其特征在于，在所述石墨烯層上生成HfO2柵介質(zhì)層包括將所述反應(yīng)腔室升溫至第二反應(yīng)溫度，采用原子層沉積工藝，利用水作為氧化劑與鉿源反應(yīng)，在所述石墨烯層上生成HfO2柵介質(zhì)層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所示的制備方法，其特征在于，所述第二反應(yīng)溫度為200°C至350°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所示的制備方法，其特征在于，所述鉿源為四(乙基甲胺基)鉿。
全文摘要
本發(fā)明提供一種石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上具有石墨烯層，所述石墨烯層未經(jīng)功能化處理；利用在所述石墨烯層表面物理吸附的水作為氧化劑與金屬源反應(yīng)生成金屬氧化物薄膜，作為成核層；利用所述成核層，利用水作為氧化劑與鉿源反應(yīng)，在所述石墨烯層上生成HfO2柵介質(zhì)層。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明技術(shù)方案主要是利用物理吸附在石墨烯表面上的水作為氧化劑與金屬源反應(yīng)生成作為成核層的金屬氧化物層，從而在后續(xù)采用原子層沉積工藝在石墨烯表面制備出均勻性和覆蓋率較高的高質(zhì)量HfO2柵介質(zhì)薄膜，而不會(huì)在石墨烯晶格中引入會(huì)降低石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的缺陷。
文檔編號(hào)H01L21/04GK102184849SQ201110106410
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者何大偉, 俞躍輝, 夏超, 張有為, 徐大偉, 王中建, 程新紅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所