[发明专利]一种空气隙石墨烯晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯晶体管及其制备方法，特别涉及一种新型的空气隙石墨烯晶体管及其制备方法，属于碳基集成电路制造技术领域。

背景技术

根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽，硅基集成电路在11纳米后无法突破其物理局限包括电流传输损耗，量子效应，热效应等，因此很难生产出性能稳定、集成度更高的产品。随着半导体技术的不断发展，硅基集成电路器件尺寸距离其物理极限越来越近。

为延长摩尔定律的寿命，国际半导体工业界纷纷提出超越硅技术，其中最有希望的石墨烯应运而生。石墨烯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，与周围原子的p电子一起形成一个离域大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。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晶体管中。2010年2月，IBM公司在2寸硅片上开发出了频率高达100GHz、栅极长度为240纳米的石墨烯晶体管。

目前，石墨烯晶体管主要还面临两个问题：1)石墨烯的带隙宽度为零；2)由于石墨烯表面除边缘外基本上是化学惰性的，所以无法使用原子层淀积方法在石墨烯表面直接淀积栅介质。现在实验上为了使用原子层淀积方法在石墨烯表面淀积栅介质，需要在石墨烯表面预先生成一层缓冲层，利用缓冲层表面的反应位来引导原子层淀积的初始反应。但是与缓冲层有关的电离杂质散射或是与氧化物界面有关的声子散射都会严重降低石墨烯中的载流子迁移率，使得石墨烯晶体管的电学特性发生退化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种新型的石墨烯晶体管及其制造方法，以避免淀积栅介质前的缓冲层的预淀积，保证石墨中载流子的高迁移率，提高石墨烯晶体管的电学特性。

为达到本发明的上述目的，本发明提出了一种空气隙石墨烯晶体管，具体包括：

一个半导体衬底；

位于所述半导体衬底上的第一绝缘体层；

位于所述第一绝缘体层之上的栅电极；

位于所述栅电极之上的第二绝缘体层；

位于所述第二绝缘体层之上的源、漏电极；

位于所述源、漏电极之上的石墨烯层。

进一步地，所述的石墨烯层与所述第二绝缘体层、所述栅电极通过空气隙相隔离。所述的第一绝缘体层为二氧化硅或者为氮化硅，其厚度范围为200-400纳米。所述的第二绝缘体层材料为二氧化硅、氮化硅，或者为Ta₂O₅、Pr₂O₃、HfO₂、Al₂O₃或ZrO₂等高k栅介质材料，其厚度范围为3-20纳米。

同时，本发明还提出了上述空气隙石墨烯晶体管的制造方法，包括：

提供一个半导体衬底；

形成第一层绝缘薄膜；

形成第一层金属；

形成第二层绝缘薄膜；

形成第二层金属；

光刻形成源、漏电极图形；

提供一个硅衬底；

在所述硅衬底上形成一层镍薄膜；

在所述镍薄膜上形成石墨烯层；

刻蚀所述镍薄膜，并将形成的石墨烯层转移到形成有源、漏电极图形的半导体衬底上。

进一步地，所述的第一层绝缘薄膜材料为二氧化硅或者为氮化硅，其厚度范围为200-400纳米。所述的第一层金属为Pt、Al、Au、Pd等金属材料，其厚度范围为60-90纳米。所述的第二层绝缘薄膜材料为二氧化硅、氮化硅，或者为Ta₂O₅、Pr₂O₃、HfO₂、Al₂O₃或ZrO₂等高k栅介质材料，其厚度范围为3-20纳米。所述的第二层金属为Pt、Al、Ru、TiN或TaN等金属材料，其厚度范围为60-90纳米。