[发明专利]硅基石墨烯场效应晶体管及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，特别涉及硅基石墨烯场效应晶体管及其制作方法。

背景技术

石墨烯（Graphene）是一种由单层或数层（低于100层）碳原子组成的薄片，这样的二维石墨薄片被证实有许多超强属性，如它的电子在亚微米距离中以弹道方式输运，不会有任何的散射，具有非常吸引人的导电能力，这为制造超性能晶体管提供了条件。石墨烯晶体管可以在室温下工作，有预言石墨烯薄膜可能最终替代硅，因为石墨烯晶体管比硅管更高效，更快而耗能更低。石墨烯给半导体行业带来了一个新的机遇，当未来65nm、45nm甚至32nm的硅制程不能满足半导体工业需求的时候，或许就应该由石墨烯来替代它。

发明内容

本发明提供了一种硅基石墨烯场效应晶体管及其制作方法。

根据本发明的硅基石墨烯场效应晶体管自下而上包括：栅电极、低阻硅层、栅极氧化物层以及石墨烯层，该晶体管的源区和漏区位于该石墨烯层中，沟道区位于源区和漏区之间。

可选地，所述低阻硅层由具有（111）或（100）或（110）晶面的硅衬底构成。

可选地，所述栅极电介质层由氧化所述低阻硅层的一部分而形成的二氧化硅层、淀积在所述低阻硅层上的二氧化硅层、或者淀积在所述低阻硅层上的高k电介质层构成。

可选地，所述石墨烯层由石墨烯二维晶体材料构成。

可选地，所述石墨烯层由碳化硅膜热分解而形成的石墨烯二维晶体材料构成。

可选地，所述石墨烯二维晶体材料的层数由所述碳化硅膜的碳硅双原子层数决定。

可选地，所述碳化硅膜的厚度为1～100个碳硅双原子层。

根据本发明的硅基石墨烯场效应晶体管的方法，包括如下步骤：

在低阻硅衬底的第一表面上形成栅极电介质层；

在所述栅极电介质层上形成碳化硅膜；

对所述碳化硅膜进行热退火分解以形成石墨烯二维晶体材料层；

图形化所述石墨烯二维晶体材料层以形成源区和漏区；以及

在所述低阻硅衬底的与所述第一表面相对的第二表面上形成栅电极。

可选地，所述低阻硅衬底的第一表面是（111）或（100）或（110）面。

可选地，所述碳化硅层的厚度是1-100个碳硅双原子层的厚度。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例制作硅基石墨烯场效应晶体管的步骤之一的示意性剖面图，其中在低阻硅衬底上形成了二氧化硅层。

图2示出了根据本发明的实施例制作硅基石墨烯场效应晶体管的步骤之二的示意性剖面图，其中在二氧化硅层上形成了碳化硅层。

图3示出了根据本发明的实施例制作硅基石墨烯场效应晶体管的步骤之三的示意性剖面图，其中碳化硅热分解后经退火重构形成石墨烯。

图4示出了根据本发明的实施例的硅基石墨烯场效应晶体管的示意性剖面图。

具体实施方式

为了使本发明提供的技术方案更加清楚和明白，以下参照附图并结合具体实施例，对本发明进行更详细的描述。附图是示意性的，并不一定按比例绘制，贯穿附图相同的附图标记表示相同或相似的部分。

首先如图1所示，在硅衬底100上形成二氧化硅层200，该二氧化硅层200用作晶体管的栅极电介质，其可以通过氧化所述硅衬底100的一部分而形成或者直接在所述硅衬底100上通过化学气相沉积淀积二氧化硅而形成。作为晶体管的栅极电介质，所述二氧化硅层200也可以用其他高k电介质（例如氮化铝、氧化铪等）层代替。所述硅衬底100为具有（111）或（100）或（110）面的低阻p或低阻n型衬底，电阻率为0.01-10Ω·cm，或者掺杂浓度为1E18-1E20/cm³。

然后，如图2所示，在所述二氧化硅层200上生长碳化硅膜300’。该碳化硅膜的生长条件可以选择例如：温度为1100～1300℃、压力10^-2至10帕。优选地，该碳化硅膜300’的厚度为1～100个碳硅双原子层。

接下来，如图3所示，然后采用热分解的方法在高温超高真空环境中去除碳化硅膜300’中的硅原子，留下的碳原子在热退火的条件下重构形成具有层状石墨结构的石墨烯二维晶体层300。热分解温度例如为1280-1350℃，热分解压力例如为10^-3至10^-6帕，退火重构温度例如为1300-1380℃、压力例如为10^-5至10^-7帕。