[发明专利]一种石墨烯MOS晶体管的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种MOS晶体管及其制备方法，特别涉及一种使用石墨烯来制备源极和漏极的高速纳米MOS晶体管的方法，属于半导体器件领域。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，在二维平面上每个碳原子以sp2杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个σ键，剩余的一个p电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围原子形成π键，碳原子间相互围成正六边形的平面蜂窝形结构，这样在同一原子面上只有两种空间位置相异的原子，如图1。石墨烯具有零禁带特性，即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可以达到微米级，同时，石墨烯还具有远比硅高的载流子迁移率，所以它是一种性能优异的半导体材料，并且由于其独特的二维结构，相较纳米碳管而言石墨烯更容易实现大面积平面器件，因而得到了科学界的广泛关注，被认为是下一代集成电路中有望延续摩尔定律的重要材料。

作为新型的半导体材料，石墨烯已经被应用于MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属-氧化物-半导体)晶体管中。采用标准的晶体管工艺，首先在单层石墨膜上用电子束刻出沟道，然后在所余下的被称为“岛”的中心部分封入电子，形成量子点。石墨烯晶体管栅极部分的结构为10多纳米的量子点夹着几纳米的绝缘介质。这种量子点往往被称为“电荷岛”。由于施加电压后会改变该量子点的导电性，这样一来量子点如同于标准的场效应晶体管一样，可记忆晶体管的逻辑状态。

然而由于石墨烯的禁带宽度小，自由状况下以半金属形式存在，因而在石墨烯MOS晶体管中存在着关断电流过大的问题，限制了其进一步的发展。传统的展宽禁带的方式包括将石墨烯切割成细条状，或者通过边缘修饰成锯齿形或扶手椅形来实现。但是这些方式对制造精度有相当高的要求，限制了石墨烯MOS晶体管的大规模集成。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型的石墨烯MOS晶体管，该石墨烯MOS晶体管可以改善传统石墨烯MOS晶体管中存在的关断电流过大的问题。

为达到本发明的上述目的，本发明提出一种石墨烯MOS晶体管，包括栅区、源区、漏区和沟道区。所述栅区和沟道区位于所述源区和漏区之间，所述栅区位于所述沟道区之上，所述栅区和沟道区之间存在一层栅介质。构成所述栅介质的材料为Al₂O₃、SiO₂等氧化物绝缘介质。构成所述栅区的材料为TiN、RuO₂、Ru或者其它金属。构成所述源区和漏区的材料为本征石墨烯。构成所述沟道区的材料为与所述栅介质接触过的氢化石墨烯。

进一步地，本发明提出了上述石墨烯MOS晶体管的制造方法，包括如下步骤：

在低压下，利用H₂/Ar混合气体等离子体氢化处理本征石墨烯表面，得到氢化石墨烯；

将所得到的氢化石墨烯分布在半导体衬底表面；

利用原子层淀积的方法，在氢化石墨烯的表面有选择地生长栅介质；

在所述栅介质上面生长一层金属栅材料构成器件的栅区；

利用退火技术，将未与所述栅介质接触的氢化石墨烯回归本征石墨烯状态。

所述H₂/Ar混合气体中H₂的体积浓度为10％-30％，氢化处理时间大于2个小时，如2-3小时。所述的半导体衬底为单晶硅、多晶硅、绝缘体上硅(SOI)或者其它材料的衬底，也可以包括在其上所制备的其它薄膜层，比如SiO₂介质层。所述的栅介质材料为Al₂O₃、SiO₂等氧化物绝缘介质。所述的金属栅材料为TiN、RuO₂、Ru或者其它材料的金属。所述退火后还原的本征石墨烯构成器件的源区和漏区。

通过本发明所述的方法可以有效扩展石墨烯的禁带宽度，从而可以降低石墨烯MOS晶体管中的栅极漏电流，此外，以本征石墨烯作为MOS晶体管中的源区和漏区，可以减小源漏与沟道的接触电阻。同时本发明所述的办法与现行CMOS工艺兼容，可以用于未来大规模石墨烯基的集成电路中。

附图说明

图1为本征石墨烯的原子结构示意图。

图2至图6为本发明提供的一种石墨烯MOS晶体管实施例的形成过程示意图。

图3b、图4b、图5b和图6b分别是图3a、图4a、图5a和图6a所示结构的截面图。

图2b为由本征石墨烯形成氢化石墨烯的原子结构示意图。