双栅极石墨烯场效应晶体管及其制造方法

摘要

本发明揭示了一种双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法。包括：提供一半导体衬底；在该半导体衬底上形成一光阻层；进行碳离子注入以便于该半导体衬底形成两个碳离子的掺杂区；除去该光阻层；分别在该两个掺杂区上选择性生长至少一层石墨烯层；氧化该半导体衬底以形成一介电层；以及分别在该两个掺杂区上的石墨烯层之间以及石墨烯层上形成数个高介电常数材料区，而该高介电常数材料区的材料的介电常数的范围为3.7～30。

权利要求

1.一种双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法，包括：

提供一半导体衬底；

在该半导体衬底上形成一光阻层；

进行碳离子注入以便于该半导体衬底形成两个碳离子掺杂区；

除去该光阻层；

分别在该两个碳离子掺杂区上选择性生长至少一层石墨烯层；

在一纯氧环境下，通过该至少一层石墨烯层对该半导体衬底进行氧化以在该至少一层石墨烯层下方形成一介电层；以及分别在该介电层上以及石墨烯层上形成高介电常数材料结构，介电常数的范围为3.7～30。

2.如权利要求1所述的双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，还包括在形成该光阻层之前，采用臭氧或镍钴化硅原位清洗该半导体衬底。

3.如权利要求1所述的双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，还包括在除去该光阻层之后以及选择性生长该至少一层石墨烯层之前，对该半导体衬底进行快速热退火。

4.如权利要求3所述的双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，该快速热退火步骤包括先加热该半导体衬底至摄氏400度～1200度，接着冷却该半导体衬底。

5.如权利要求4所述的双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，加热该半导体衬底的时间为1秒～1000秒。

6.如权利要求1所述的双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，该介电层的一部分与该两个碳离子掺杂区相互重叠。

7.如权利要求1所述的双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，该高介电常数材料结构的材料包括氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化锆或二氧化铪。

8.如权利要求1所述的双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，形成该高介电常数材料结构采用化学气相沉积法、原子沉积法或金属有机化学气相沉积外延法。

9.如权利要求1所述的双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，进行碳离子注入时的能量介于1KeV至100KeV，掺杂剂量介于1E15-1E18/cm2。

10.如权利要求1所述的双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法，其特征在于，还包括形成该高介电常数材料结构之后，在其中两个高介电常数材料结构上分别形成一第一栅极以及一第二栅极。

说明书

双栅极石墨烯场效应晶体管及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种双栅极石墨烯场效应晶体管及其制造方法。

背景技术

[0002] 由于石墨烯具有高迁移率的特性，业界已经将石墨烯应用于半导体组件的制作。目前石墨烯晶体管的制作方式一般是采用液相涂膜或转移的方法将石墨烯薄膜形成于玻璃衬底上。然而，此方法的缺点在于，石墨烯薄膜与玻璃衬底之间的接口经常会发生污染，从而严重影响石墨烯晶体管的性能。此外，目前石墨烯晶体管的制作方法也由于操作繁复、成本较高、产率也较低，因此难以满足大规模应用的需求。有鉴于此，目前有需要发展一种改良的石墨烯晶体管的制造方法。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种双栅极石墨烯场效应晶体管及其制造方法，可使得石墨烯纳米带的能隙大于300MeV，且具有双栅极。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明的一实施例提供一种双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法，包括：提供一半导体衬底；在该半导体衬底上形成一光阻层；进行碳离子注入以便于该半导体衬底形成两个碳离子掺杂区；除去该光阻层；分别在该两个碳离子掺杂区上选择性生长至少一层石墨烯层；在一纯氧环境下，通过该至少一层石墨烯层对该半导体衬底进行氧化以在该至少一层石墨烯层下方形成一介电层；以及分别在该介电层上以及石墨烯层上形成三个高介电常数材料结构，而该三个高介电常数材料结构的的介电常数的范围为3.7～30。

[0005] 本发明的一实施例提供一种双栅极石墨烯场效应晶体管，包括：一半导体衬底；一介电层，该介电层设于该半导体衬底上；两个石墨烯层，该两个石墨烯层设于该介电层上；一第一高介电常数材料结构及一第二高介电常数材料结构，其分别设于该两个石墨烯层上：以及一第三高介电常数材料结构，其设于该介电层上以及该两个石墨烯层之间；以及一第一栅极及一第二栅极，该第一栅极与该第二栅极分别设于第一高介电常数材料结构以及该第二高介电常数材料结构上。

附图说明

[0006] 图1为本发明提供的双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法的流程图；

[0007] 图2A-图2H为本发明一实施例中制造双栅极石墨烯场效应晶体管的部分步骤的剖视图。

[0008] 其中，100 半导体衬底

[0009] 102 光阻层

[0010] 104 第一碳离子掺杂区

[0011] 106 第二碳离子掺杂区

[0012] 108 第一石墨烯层

[0013] 110 第二石墨烯层

[0014] 112 二氧化硅介电层

[0015] 114 第一高介电常数材料结构

[0016] 116 第二高介电常数材料结构

[0017] 118 第三高介电常数材料结构

[0018] 120 第一栅极

[0019] 122 第一源极

[0020] 124 第一漏极

[0021] 126 第二栅极

[0022] 128 第二源极

[0023] 130 第二漏极

具体实施方式

[0024] 下面将结合示意图对本发明的双栅极石墨烯场效应晶体管及其制造方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

[0025] 在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

[0026] 参阅图1，提供一实施例的双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法，包括下列步骤：

[0027] S101：提供一半导体衬底。在本实施例中，半导体衬底为硅衬底。

[0028] S102：以臭氧或镍钴化硅(SiCoNi)原位清洗半导体衬底。

[0029] S103：在半导体衬底上形成一光阻层。

[0030] S104：进行碳离子注入，在半导体衬底未设有光阻层的部分形成两个碳离子掺杂区。在本实施例中，进行碳离子注入时的能量1KeV至100KeV，而掺杂剂量介于1E15-1E18/cm2。

[0031] S105：去除半导体衬底表面的光阻层。

[0032] S106：对半导体衬底进行高速热退火(rapid thermal anneal)，首先加热半导体衬底1秒～1000秒，使得半导体衬底升温至摄氏400度～1200度，接着快速冷却半导体衬底。

[0033] S107：分别在半导体衬底的碳离子掺杂区上选择性生长(selective grow)至少一层石墨烯层。在本实施例中，每一碳离子掺杂区上形成一层石墨烯层。

[0034] S108：在一纯氧环境下，通过石墨烯层对半导体衬底进行氧化，以在石墨烯层下方形成一介电层，而介电层的一部分与碳离子掺杂区重叠。

[0035] S109：分别在介电层上以及石墨烯层上形成多个高介电常数材料结构，而该多个高介电常数材料结构的介电常数的范围为3.7～30。高介电常数材料可包含氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化锆或二氧化铪。至于形成高介电常数材料结构的方式包含有化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition)、原子沉积法(Atomic Layer Deposition)或金属有机化学气相沉积外延法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition Epitaxy)。

[0036] 为了更具体地阐述图1的双栅极石墨烯场效应晶体管的制造方法，请参照图2A至图2H，图2A至图2H为本发明一实施例中制造双栅极石墨烯场效应晶体管的部分步骤的剖视图。

[0037] 参照图2A，制备一半导体衬底100，该半导体衬底100为硅衬底。

[0038] 参照图2B，在半导体衬底100上形成一光阻层102。

[0039] 参照图2C，进行碳离子注入，在半导体衬底100未设有光阻层102的部分分别形成第一碳离子掺杂区104以及第二碳离子掺杂区106。

[0040] 参照图2D，将先前设置于半导体衬底100上的光阻层102除去。

[0041] 参照图2E，分别在半导体衬底100的第一碳离子掺杂区104以及第二碳离子掺杂区106选择性生长(selective grow)第一石墨烯层108以及第二石墨烯层110。

[0042] 参照图2F，在一纯氧环境下，通过第一石墨烯层108以及第二石墨烯层110对半导体衬底100进行氧化，以在第一石墨烯层108以及第二石墨烯层110下方以及其它未被石墨烯层覆盖的区域形成一二氧化硅介电层112，而二氧化硅介电层112的形成会消耗掉部分或全部第一碳离子掺杂区104以及第二碳离子掺杂区106。

[0043] 参照图2G，分别在第一石墨烯层108与第二石墨烯层110上沉积一第一高介电常数材料结构114以及一第二高介电常数材料结构116，以及在二氧化硅介电层112上以及第一石墨烯层108与第二石墨烯层110之间沉积一第三高介电常数材料结构118。

[0044] 参照图2H，在第一高介电常数材料结构114顶部形成一第一栅极120，在第一高介电常数材料结构114两侧以及第一石墨烯层108上分别形成一第一源极122以及一第一漏极124。在第二高介电常数材料结构116顶部形成一第二栅极126，在第二高介电常数材料结构
116两侧以及第二石墨烯层110上分别形成一第二源极128以及一第二漏极130。

[0045] 本发明所提供的双栅极石墨烯场效应晶体管及其制造方法，通过原位清洗硅衬底以及图形化生长出石墨烯层，可使得石墨烯纳米带的能隙大于300MeV，且具有双栅极。此外，相较于目前石墨烯晶体管的制作方法，本发明所提供的方法，操作较为简易、成本较低、产率也较高，因此可以满足大规模应用的需求。

[0046] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。