專利名稱：一種石墨烯mos晶體管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種MOS晶體管及其制備方法，特別 涉及一種使用石墨烯來(lái)制備源極和漏極的高速納米MOS晶體管的方法，屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
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)o鍵，剩余的一個(gè)p電子軌道垂直于石墨烯平面，與周圍原子形成鍵，碳原子間相互 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，如 圖1。石墨烯具有零禁帶特性，即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長(zhǎng)度也 可以達(dá)到微米級(jí)，同時(shí)，石墨烯還具有遠(yuǎn)比硅高的載流子遷移率，所以它是一種性能優(yōu)異的 半導(dǎo)體材料，并且由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，相較納米碳管而言石墨烯更容易實(shí)現(xiàn)大面積平 面器件，因而得到了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是下一代集成電路中有望延續(xù)摩爾定律的 重要材料。 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)晶體管中。采用標(biāo)準(zhǔn)的晶體管工藝，首先在單層石墨膜上用電子 束刻出溝道，然后在所余下的被稱為"島"的中心部分封入電子，形成量子點(diǎn)。石墨烯晶體 管柵極部分的結(jié)構(gòu)為IO多納米的量子點(diǎn)夾著幾納米的絕緣介質(zhì)。這種量子點(diǎn)往往被稱為 "電荷島"。由于施加電壓后會(huì)改變?cè)摿孔狱c(diǎn)的導(dǎo)電性，這樣一來(lái)量子點(diǎn)如同于標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)效 應(yīng)晶體管一樣，可記憶晶體管的邏輯狀態(tài)。 然而由于石墨烯的禁帶寬度小，自由狀況下以半金屬形式存在，因而在石墨烯MOS 晶體管中存在著關(guān)斷電流過大的問題，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。傳統(tǒng)的展寬禁帶的方式包 括將石墨烯切割成細(xì)條狀，或者通過邊緣修飾成鋸齒形或扶手椅形來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是這些方式 對(duì)制造精度有相當(dāng)高的要求，限制了石墨烯MOS晶體管的大規(guī)模集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種新型的石墨烯MOS晶體管，該石墨烯MOS晶體管可以 改善傳統(tǒng)石墨烯MOS晶體管中存在的關(guān)斷電流過大的問題。 為達(dá)到本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提出一種石墨烯MOS晶體管，包括柵區(qū)、源區(qū)、 漏區(qū)和溝道區(qū)。所述柵區(qū)和溝道區(qū)位于所述源區(qū)和漏區(qū)之間，所述柵區(qū)位于所述溝道區(qū)之 上，所述柵區(qū)和溝道區(qū)之間存在一層?xùn)沤橘|(zhì)。構(gòu)成所述柵介質(zhì)的材料為八1203、 Si(^等氧化 物絕緣介質(zhì)。構(gòu)成所述柵區(qū)的材料為TiN、Ru(^、Ru或者其它金屬。構(gòu)成所述源區(qū)和漏區(qū)的 材料為本征石墨烯。構(gòu)成所述溝道區(qū)的材料為與所述柵介質(zhì)接觸過的氫化石墨烯。
進(jìn)一步地，本發(fā)明提出了上述石墨烯MOS晶體管的制造方法，包括如下步驟
在低壓下，利用H2/Ar混合氣體等離子體氫化處理本征石墨烯表面，得到氫化石墨烯； 將所得到的氫化石墨烯分布在半導(dǎo)體襯底表面； 利用原子層淀積的方法，在氫化石墨烯的表面有選擇地生長(zhǎng)柵介質(zhì)； 在所述柵介質(zhì)上面生長(zhǎng)一層金屬柵材料構(gòu)成器件的柵區(qū)； 利用退火技術(shù)，將未與所述柵介質(zhì)接觸的氫化石墨烯回歸本征石墨烯狀態(tài)。 所述H2/Ar混合氣體中H2的體積濃度為10% -30% ，氫化處理時(shí)間大于2個(gè)小時(shí)，
如2-3小時(shí)。所述的半導(dǎo)體襯底為單晶硅、多晶硅、絕緣體上硅(SOI)或者其它材料的襯
底，也可以包括在其上所制備的其它薄膜層，比如Si(^介質(zhì)層。所述的柵介質(zhì)材料為八1203、
Si(^等氧化物絕緣介質(zhì)。所述的金屬柵材料為TiN、Ru(^、Ru或者其它材料的金屬。所述退
火后還原的本征石墨烯構(gòu)成器件的源區(qū)和漏區(qū)。 通過本發(fā)明所述的方法可以有效擴(kuò)展石墨烯的禁帶寬度，從而可以降低石墨烯 MOS晶體管中的柵極漏電流，此外，以本征石墨烯作為MOS晶體管中的源區(qū)和漏區(qū)，可以減 小源漏與溝道的接觸電阻。同時(shí)本發(fā)明所述的辦法與現(xiàn)行CMOS工藝兼容，可以用于未來(lái)大 規(guī)模石墨烯基的集成電路中。


圖1為本征石墨烯的原子結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2至圖6為本發(fā)明提供的一種石墨烯MOS晶體管實(shí)施例的形成過程示意圖。
圖3b、圖4b、圖5b和圖6b分別是圖3a、圖4a、圖5a和圖6a所示結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖2b為由本征石墨烯形成氫化石墨烯的原子結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4c和圖4d分別為與Si02和A1203接觸后的氫化石墨烯的能帶圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式作詳細(xì)說明。在圖中，為了方便 說明，放大或縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實(shí)際尺寸。盡管這些圖并不能完 全準(zhǔn)確的反映出器件的實(shí)際尺寸，但是它們還是完整的反映了區(qū)域和組成結(jié)構(gòu)之間的相互 位置，特別是組成結(jié)構(gòu)之間的上下和相鄰關(guān)系。參考圖是本發(fā)明的理想化實(shí)施例的示意圖， 本發(fā)明所示的實(shí)施例不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于圖中所示區(qū)域的特定形狀，而是包括所得到的形 狀，比如制造引起的偏差。例如刻蝕得到的曲線通常具有彎曲或圓潤(rùn)的特點(diǎn)，但在本發(fā)明實(shí) 施例中，均以矩形表示，圖中的表示是示意性的，但這不應(yīng)該被認(rèn)為是限制本發(fā)明的范圍。
首先，在約100帕的氣壓下，利用H2體積濃度為10% -30%的H2/Ar混合氣體等離 子體處理本征石墨烯表面，在大于2個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)使得本征石墨烯氫化飽和，得到氫化 石墨烯，如圖2a，所示201為本征石墨烯，所示202為氫化石墨烯。此時(shí)，本征石墨烯中的碳 原子從sp2雜化轉(zhuǎn)變?yōu)閟p3雜化，原子結(jié)構(gòu)圖如圖2b，所示21、22和23為碳原子，所示24 為氫原子。 接下來(lái)，將得到的氫化石墨烯分布在半導(dǎo)體襯底200表面上，如圖3a，半單體襯底 200為單晶硅、多晶硅、絕緣體上硅(SOI)或者其它材料的襯底，也可以包括在其上所制備 的其它薄膜層，比如Si02介質(zhì)層。 接下來(lái)，利用原子層淀積(ALD)的方法，在氫化石墨烯202的表面有選擇地生長(zhǎng)一層?xùn)沤橘|(zhì)203，柵介質(zhì)203比如為A1203或者Si(^，如圖3a，圖3b為圖3a所示結(jié)構(gòu)的截面 圖。由原子層淀積的生長(zhǎng)原理可知，與柵介質(zhì)203接觸的氫化石墨烯部分會(huì)脫去一個(gè)氫離 子而與氧原子成鍵。根據(jù)模擬結(jié)果，如圖3c和3d所示，與Si02和A1203接觸后的氫化石墨 烯的能帶分別被展寬至0. 9eV和1. 8eV。 再接下來(lái)，在柵介質(zhì)203上面生長(zhǎng)一層金屬柵材料204，金屬柵材料304可以為 TiN、 Ru02、 Ru或者其它金屬。 最后，在45(TC下，使用Ar退火24小時(shí)，使得未與柵介質(zhì)203接觸的氫化石墨烯回 歸到本征狀態(tài)，金屬性質(zhì)的本征石墨烯可以作為MOS晶體管的源區(qū)205和漏區(qū)206。
這樣一個(gè)石墨烯MOS晶體管結(jié)構(gòu)就形成了 。 如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構(gòu)成許多有很大差別的 實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體 實(shí)例。
權(quán)利要求
一種石墨烯MOS晶體管，包括柵區(qū)、源區(qū)、漏區(qū)和溝道區(qū)，其特征在于，所述柵區(qū)和溝道區(qū)位于所述源區(qū)和漏區(qū)之間，所述柵區(qū)位于所述溝道區(qū)之上，所述柵區(qū)和溝道區(qū)之間存在一層?xùn)沤橘|(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯MOS晶體管，其特征在于，構(gòu)成所述柵介質(zhì)的材料為 A1203或Si02。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯M0S晶體管，其特征在于，構(gòu)成所述柵區(qū)的材料為 TiN、Ru02或Ru。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯MOS晶體管，其特征在于，構(gòu)成所述源區(qū)和漏區(qū)的材料 為本征石墨烯。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯M0S晶體管，其特征在于，構(gòu)成所述溝道區(qū)的材料為與 所述柵介質(zhì)接觸過的氫化石墨烯。
6. —種石墨烯M0S晶體管的制造方法，其特征在于，包括如下步驟 在低壓下，利用H2/Ar混合氣體等離子體氫化處理本征石墨烯表面，得到氫化石墨烯； 將所得到的氫化石墨烯分布在半導(dǎo)體襯底表面； 利用原子層淀積的方法，在氫化石墨烯的表面有選擇地生長(zhǎng)柵介質(zhì)； 在所述柵介質(zhì)上面生長(zhǎng)一層金屬柵材料構(gòu)成器件的柵區(qū)；利用退火技術(shù)，將未與所述柵介質(zhì)接觸的氫化石墨烯回歸本征石墨烯狀態(tài)；該石墨烯 構(gòu)成源區(qū)和漏區(qū)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述H2/Ar混合氣體中H2的體積濃 度為10% _30%，氫化處理時(shí)間大于2個(gè)小時(shí)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述的半導(dǎo)體襯底為單晶硅、多晶硅 或絕緣體上硅。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述的柵介質(zhì)材料為A1203或Si02。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述的金屬柵材料為TiN、 Ru02或Ru。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種石墨烯MOS晶體管及其制備方法。本發(fā)明首先通過氫氣等離子體處理本征石墨烯得到氫化石墨烯，然后利用原子層淀積金屬氧化物的方法破壞石墨烯的大π鍵，從而有效擴(kuò)展石墨烯的禁帶寬度，降低了石墨烯MOS晶體管中的柵極漏電流，同時(shí)，未淀積金屬氧化物的石墨烯可以保持其半金屬性質(zhì)，作為MOS晶體管中的源極和漏極，從而減小了源漏與溝道的接觸電阻。本發(fā)明所公開的辦法與現(xiàn)行的CMOS工藝兼容，使得大規(guī)模石墨烯基集成電路成為可能。
文檔編號(hào)H01L29/16GK101783366SQ20101011127
公開日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者劉晗, 張衛(wèi), 王鵬飛, 顧晶晶 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)