专利名称：自对准石墨烯晶体管的制作方法
技术领域：
本发明涉及晶体管，且具体涉及具有石墨烯沟道的场效晶体管。
背景技术：
石墨烯是由以蜂窝型晶格紧密堆积的sp2_键合的碳原子构成的单原子层厚度的平板薄片，其可被视为由碳原子与其键所制成的原子尺度的织网(chicken wire)。石墨烯由于其高载流子迁移率与超薄单原子本体厚度而具有用于高速电子学的巨大潜力，除载流子迁移率之外，晶体管的性能也取决于与其端子相关的寄生电容和电阻。 这些寄生电容对器件性能的影响随着器件尺寸的减缩而变得特别重要。为了使源扱/漏极与栅极电极之间的寄生电容最小化，需要保持栅极电极位于源扱/漏极电极之间而没有交叠的器件结构。然而，此间隙(在源扱/漏极与栅极之间未栅极化的区域)使存取电阻増加， 并造成整体的漏极对沟道与源极对沟道的寄生电阻。因此，最希望的晶体管结构是ー种自对准器件，其中栅极与源扱/漏极电极彼此对齐而不交叠，而具有最小的间隙。在硅(Si ) MOSFET中，通常是在形成源极/漏极接触之前，通过形成环绕栅极叠层的氧化物侧壁来实现自对准FET。然而，此技术无法直接应用于石墨烯的情况，这是因为硅和碳之间材料处理需求的存在差异。目前，仍未知悉此类自对准石墨烯晶体管的制造方案。
发明内容
本发明的方面限定在所附的权利要求中，现在对其引为參考。根据本发明的一个实施例，披露了ー种石墨烯场效晶体管。此实施例的场效晶体管包括栅极叠层，该栅极叠层包括籽层、形成于籽层上方的栅极氧化物、以及形成于栅极氧化物上方的栅极金属。此实施例的场效晶体管也包括绝缘层和设置于籽层和绝缘层之间的石墨烯薄片。根据本发明的另ー实施例，披露了ー种形成石墨烯场效晶体管的方法。此实施例的方法包括提供绝缘层；在绝缘层上形成石墨烯薄片；在石墨烯薄片上形成籽层；在籽层上形成栅极介电层；在栅极介电层的顶上形成栅极；包封籽层、栅极电介质与栅极于间隔体材料中，以形成包封的栅极叠层；在包封的栅极叠层的第一侧的石墨烯薄片上形成源极接触；以及在包封的栅极叠层的第二侧的石墨烯薄片上形成漏极接触。附加的特征与优点通过本发明的技术而实现。本发明的其它实施例与方面将详细披露于说明书中，且看作所要求保护的发明的一部分。为更好地理解本发明的优点与特征， 參照下述说明与附图。
在完成说明书的叙述时，被认为是本发明的主题被特别指出且清楚地记载于权利要求中。本发明的前述与其它特征和优点通过以下结合附图的具体说明将变得明晰，其
图1示出在本发明的一个具体实施例形成FET的第一处理阶段；
图2示出在加入籽层之后的图I的结构；
图3示出在籽层上形成氧化物层之后的图2的结构；
图4示出在氧化物层上形成栅极之后的图3的结构；
图5示出在移除未被栅极覆盖的籽层与氧化物层之后的图4的结构；
图6a示出在以间隔体材料包封栅极、籽层与氧化物层之后的图4的结构；
图6b示出三维的图6a的结构；
图7示出在移除部分的间隔体材料之后的图6b的结构；以及
图8示出在加入源极与漏极接触之后的图7的结构。
具体实施例方式本发明的一个具体实施例涉及自对准的顶栅极化的石墨烯场效晶体管(FET)器件。在一个实施例中，栅极电极与源极/漏极电极对准而不借助任何光刻对准工艺。具体地，石墨烯的表面属性被利用以在栅极电极周围形成氧化物侧壁，如下文所述，因而通过不同方法可实现与现有技术中硅MOSFET的状态类似的自对准栅极。已知原子层沉积(ALD)氧化物无法直接沉积在干净的石墨烯表面上。为了采用 ALD工艺在石墨烯上形成均匀的氧化物层，石墨烯表面需先功能化或覆盖以某种籽层。本发明的实施例可利用此独特能力，根据表面型态而在石墨烯上选择性沉积ALD氧化物。此外， 披露了一种具有自对准的源极/漏极和栅极端子的顶栅极化石墨烯FET的制造方法。一般而言，在一个实施例中，形成由ALD氧化物层与金属电极构成的顶栅极叠层。 栅极金属电极则用作移除氧化物与籽层的蚀刻掩模，这导致除了栅极叠层下方的区域之外的干净的石墨烯表面。在后续ALD工艺中，氧化物薄层沉积在栅极叠层上，使得剩余的石墨烯表面不存在任何氧化物。最后源极接触与漏极接触形成在“干净”的石墨烯区域中。应理解栅极叠层上的第二氧化物涂层用作源极/漏极与栅极电极之间的间隔体。 此间隔体产生最小的未栅极化区域。本发明的一些优点包括但不限于通过自对准栅极化而使寄生电阻与电容最小化， 从而改善器件的高频性能。此外，本文所披露的方法利用石墨烯的独特表面属性，且该方法为高度可制造的和可缩放的(scalable)。该方法并不依赖任何光刻对准工艺来实现源极/ 漏极与栅极电极的对准。高k的ALD氧化物用作栅极电介质，其可实现最终的纳米级石墨烯 FET。现参照图I，其示出了根据本发明的一个实施例的FET的制造工艺中的结构的示例。该结构包括了基板102。基板102由任何材料所形成，然而，在一个实施例中，基板102 由硅形成。应理解在某些实施例中可省略基板102，但基板102在石墨烯FET与其它器件集成的情况下可以是有用的。绝缘层104设置在基板102的顶上，绝缘层104可由任何电绝缘材料形成。在一个实施例中，绝缘层104由氧化物形成；在另一实施例中，绝缘层104由未经掺杂的碳化硅 (SiC)材料形成。石墨烯层106设置于绝缘层104的顶上，石墨烯层106将最终形成根据一个实施例的FET的源极、漏极与沟道。为了增加晶体管的开关速度，沟道长度和高度(或深度)两者都需最小化。利用石墨烯沟道可提供最小(ー个原子厚度)的沟道高度；利用本文公开的自对准可帮助减小沟道长度。石墨烯层106可沉积在绝缘层104上。当绝缘层104由SiC制成时，石墨烯层106 可直接生长在绝缘层上。不管如何形成，在一个实施例中，石墨烯层106可具有仅ー个原子的高度；当然，在某些实施例中，石墨烯层106也可由单层、双层或数层石墨烯构成。为了在石墨烯层106上形成氧化物(栅极氧化物层)，石墨烯层必须被功能化。功能化应是指可使氧化物以ALD方式沉积在石墨烯层106的顶上的エ艺。可完成功能化的一种方式是通过直接物理气相沉积沉积一层籽层，例如，铝的自然氧化所形成的A1203。在下面的说明中，这样的附加层将称为籽层。如图2所示，籽层202形成于石墨烯层106的顶上并且接触至少一部分的绝缘层 104。籽层202可以各种方式形成。例如，籽层202可通过沉积NO2或旋涂各种聚合物到石墨烯层106上而形成。在另ー实施例中，以物理气相沉积(PVD)在石墨烯层106上沉积金属，然后使金属氧化。例如，金属可为铝(Al )，其氧化而形成氧化铝(Al2O3X石墨烯的ー个本质属性为氧化物无法直接形成在石墨烯上。这样的限制也适用于 ALD沉积。因此，籽层202可使氧化物(在此情况下，所谓的“栅极电介质”)形成于石墨烯层 106上方。添加籽层202的エ艺在此将称为“功能化”石墨烯层106 ;当然，也可使用功能化石墨烯层106的其它方法。在功能化石墨烯层106之后，且如图4所示，氧化物层302形成在籽层202上方， 使其覆盖至少一部分的石墨烯层106。在一个实施例中，氧化物层302通过ALD沉积，氧化物层302可形成栅极的介电层；为此，氧化物层302由介电材料形成。在一个实施例中，氧化物层302由高k介电材料形成。氧化物层302具有的厚度介于Inm至20nm之间；当然此范围并非必须。氧化物层302可由例如氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)或Al2O3形成。图4示出了在形成栅极电极402之后的图3的结构。在一个实施例中，栅极电极 402可由金属形成。在一个实施例中，金属通过光刻与剥离(lift-off)而沉积为栅极电极 402。当然，也可使用形成栅极的其它方法。图5示出了在移除未被栅极电极402覆盖的氧化物层402和籽层202之后的图4 的结构。氧化物层302的剰余部分形成了栅极电介质502，在栅极电介质502下方是薄籽层部分504。氧化物层可通过蚀刻而移除，而籽层可通过溶剂或化学物质移除。在ー个实施例中，薄籽层部分504足够薄以至于在对栅极电极402施加栅极电压时不干扰石墨烯层 106的操作。图6a不出在栅极电极402、栅极电介质502和薄籽层部分504 (统称为栅极叠层) 周围形成栅极间隔体602之后的图5的结构。为了在栅极叠层上形成间隔体602，再次使用ALDエ艺在栅极叠层周围沉积薄的氧化物层。注意由于已经移除了基板上其它各处的籽层，因而没有氧化物沉积在石墨烯层106上；也就是，间隔体602并不附着至石墨烯层106。 这使得可在后续エ艺中制作源极与漏极接触，而不必进行任何的图案化或蚀刻步骤。因此， 沟道的长度由栅极叠层的长度限定，栅极叠层和源极与漏极之间的距离由间隔体602的厚度限定。图6b是图6a所示结构的三维示意图。为了图6b的目的，设定间隔体602仅实质沉积在栅极叠层的区域中。当然，间隔体602也可沉积在绝缘层104的其它部分上。应注意间隔体602并不存在于石墨烯层106上方。如上所述，大部分的材料都不会粘附到石墨烯。由于石墨烯层106的暴露部分将形成源极与漏极，所以栅极叠层对准源极与漏极位置。 因此，源极与漏极与栅极自对准。图7示出在移除一部分的栅极间隔体602以暴露出栅极电极402之后的图6b的结构。形成栅极间隔体602的氧化物可例如通过光刻与蚀刻而被移除。移除栅极间隔体602 可实现与栅极电极402的电接触。图8示出了在以电极材料覆盖栅极叠层与石墨烯层106之后的图7的结构。电极材料由电极802、804和806示出。电极802与804可形成FET的源极与漏极接触。(如石墨烯层106在间隔体602下方的部分所限定的)未栅极化区域具有最小尺寸。这可实现一种具有沟道长度的FET，该沟道长度的大部分长度被栅极包括。也就是，减少沟道长度的唯一限制在于所需的最小栅极长度。通过在“干净”的石墨烯层106上沉积金属薄层来制作对石墨烯层106的源极与漏极接触(802/804)，如图9所示。不同于氧化物，金属电极并不需要籽层或功能化剂来附着至石墨烯。注意氧化物间隔体602确保源极、漏极与栅极接触不会电短路。最终结构是自对准的顶栅极化的石墨烯FET，其中栅极通过侧壁而与源极/漏极区分隔，侧壁的厚度小于任何现有光刻技术所能实现的对准分辨率。本文中所使用的技术用语仅用于说明特定实施例而其并不旨在限制本发明。在本文中，单数形式“一”、“该”和“所述”用于同时包括复数形式，除非上下文中明确另行说明。 进一步应了解在说明书中所使用的用语“包括”及/或“包含”是指存在所述特征、整体、步骤、操作、元件及/或构件，但并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、 元件、构件及/或其群组。在所附权利要求中的对应结构、材料、动作、以及所有装置或步骤假功能元件的等同形式(如果存在的话)旨在包括结合其它明确要求的元件用于执行该功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述出于示例和描述的目的被给出，但并不旨在是穷举的或者将本发明限制在所公开的形式。在不偏离本发明的范围与精神的情况下，多种修改和变型对于本领域的技术人员是明显的。选择和描述了实施例，从而更好地解释了本发明的原理与实际应用，并使本领域的技术人员可了解本发明，具各种修改的各种实施例适于特定用途。 本文描述的流程图仅为一个示例，不偏离本发明的精神的情况下对此图示或本文所述步骤(或操作)可以有多种修改变化。例如，可以不同次序来执行这些步骤，或者可增加、删除或修改步骤。所有这些变化都视为所要求保护的发明的一部分。尽管本发明的优选实施例已加以说明，然而，应理解本领域的技术人员(现在及未来两者)可作出落入所附权利要求的范围内的多种的改进和增强。这些权利要求应解释为维持对本发明首先披露的适当保护。
权利要求
1.一种石墨烯场效晶体管，包括栅极叠层，该栅极叠层包括籽层、形成于该籽层上方的栅极氧化物、以及形成于该栅极氧化物上方的栅极金属；绝缘层；以及石墨烯薄片，位于该籽层与该绝缘层之间。
2.如权利要求I所述的石墨烯场效晶体管，还包括间隔体，形成于该栅极叠层的顶部和两侧。
3.如权利要求2所述的石墨烯场效晶体管，还包括源极接触，形成于该石墨烯薄片上且通过该间隔体与该栅极叠层分隔；以及漏极接触，形成于该石墨烯薄片上且通过该间隔体与该栅极叠层分隔。
4.如前述任何一项权利要求所述的石墨烯场效晶体管，其中该石墨烯薄片沉积于该绝缘层上。
5.如前述任何一项权利要求所述的石墨烯场效晶体管，其中该石墨烯薄片生长于该绝缘层上。
6.如前述任何一项权利要求所述的石墨烯场效晶体管，其中该籽层是NO2、聚合物和氧化金属薄膜之一。
7.如前述任何一项权利要求所述的石墨烯场效晶体管，其中该栅极氧化物是电介质。
8.如权利要求7所述的石墨烯场效晶体管，其中该电介质是高介电常数电介质。
9.如前述任何一项权利要求所述的石墨烯场效晶体管，还包括间隔体，形成于该栅极叠层的顶部和两侧，该间隔体的一部分被移除以暴露出该栅极金属的一部分。
10.一种用于形成石墨烯场效晶体管的方法，该方法包括提供绝缘层；在该绝缘层上形成石墨烯薄片；在该石墨烯薄片上形成籽层；在该籽层上形成栅极介电层；在该栅极介电层的顶上形成栅极；包封该籽层、该栅极电介质和该栅极于间隔体材料中，以形成包封的栅极叠层；在该包封的栅极叠层的第一侧上的该石墨烯薄片上形成源极接触；以及在该包封的栅极叠层的第二侧上的该石墨烯薄片上形成漏极接触。
11.如权利要求10所述的方法，其中该石墨烯薄片生长在该绝缘层上。
12.如权利要求10或11所述的方法，其中该籽层使该石墨烯薄片功能化。
13.如权利要求10、11或12所述的方法，其中该籽层是NO2、聚合物和氧化金属薄膜之质。
14.如权利要求10至13任何一项所述的方法，其中该栅极电介质是高介电常数电介
15.如权利要求10至14任何一项所述的方法,其中所述包封包括在该栅极叠层和该石墨烯薄片上方执行氧化物的ALD沉积。
16.如权利要求15所述的方法，其中ALD沉积的氧化物不附着到该石墨烯薄片。
17.如权利要求10至16任何一项所述的方法，其中该栅极的长度和该间隔体材料的厚度定义沟道的长度。
18.如权利要求10至17任何一项所述的方法，其中该源极接触通过该间隔体材料而与该栅极分隔。
全文摘要
一种石墨烯场效晶体管，包括栅极叠层，该栅极叠层包括籽层、形成于籽层上方的栅极氧化物以及形成于栅极氧化物上方的栅极金属；绝缘层；以及位于籽层与绝缘层之间的石墨烯薄片。
文档编号H01L29/786GK102612751SQ201080051125
公开日2012年7月25日 申请日期2010年8月31日 优先权日2009年11月13日
发明者A.瓦尔德斯加西亚, K.A.詹金斯, 林佑民 申请人:国际商业机器公司