[發明專利]一種碳基場效應晶體管及其制備方法

有效

• 申請號: 201110002672.2
• 申請日: 2011-01-07
• 公開（公告）號: CN102593169A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 金智;麻芃;郭建楠;蘇永波;王顯泰
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/06;H01L29/51;H01L21/336;H01L21/31;H01L21/285
• 代理公司: 北京市德權律師事務所 11302
• 代理人: 王建國

技術領域

本發明涉及一種場效應晶體管及其制備方法，特別涉及一種碳基場效應晶體管及其制備方法，屬于納電子學技術領域。

背景技術

以碳材料為基的納米電子學，尤其是碳納米管(Carbon?Nanotube)和石墨烯(Graphene)為基的納米電子學，被認為具有極大的應用前景，極富潛力可替代硅基材料。自從1991年碳納米管和2004年石墨烯被成功研制以來，碳基電子學取得了巨大發展。基于碳基的電子學具有尺寸小、速度快、功耗低、工藝簡單等特點，受到人們越來越廣泛的關注。

場效應晶體管的性能受到兩個最重要因素的影響，一是材料性質，它決定了器件性能的潛力；另一個就是柵介質材料，由于它與溝道直接接觸，所以柵介質的性能會直接影響整個器件的性能，高性能的場效應晶體管要求柵介質材料具有絕緣性能好、介電常數高、抗擊穿能力強等特點。而碳基場效應晶體管自身的一個重要特點是，由于導電碳材料只有一個或幾個原子層厚度，其材料對與其接觸的介質層非常敏感，柵介質層通常會影響碳材料的表面態，在碳材料中引入新的散射機制，會造成碳材料載流子遷移率的顯著下降，造成器件性能退化。

在碳基材料的電子器件中，高性能柵介質的制備一直是制約器件性能的關鍵問題。對于普遍使用的高介電常數柵介質的生長方法-原子層沉積(ALD)，由于碳納米管和石墨烯表面不能提供懸掛鍵為其生長提供成核中心，所以無法直接在碳基材料上生成均勻的薄層柵介質。為了能夠通過原子層沉積形成柵介質層，通常在原子層沉積之前對材料表面進行功能化處理，如脫氧核糖核酸(DNA)分子功能化、二氧化氮(NO₂)分子功能化、臭氧(O₃)功能化等；或者在碳材料表面蒸發或濺射沉積活性金屬后通過高溫氧化形成氧化金屬，為原子層沉積提供成核中心。但不管是哪種處理方法，都會給碳材料引入額外的散射機制，降低載流子遷移率，使器件性能退化。

發明內容

本發明實施例針對現有的高性能柵介質的制備會給碳材料引入額外的散射機制，降低載流子遷移率，使器件性能退化的不足，提供一種碳基場效應晶體管及其制備方法。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種碳基場效應晶體管包括半導體襯底、絕緣層、導電通道、源電極、漏電極、柵介質層和柵電極，所述絕緣層設置于所述半導體襯底上，所述導電通道設置于所述絕緣層上，所述導電通道由碳基材料構成，所述源電極和漏電極分別設置于所述導電通道的兩端，所述柵介質層覆蓋在所述源電極、所述漏電極以及所述源電極和漏電極之間的導電通道上，所述柵電極位于所述柵介質層之上，所述柵介質層包括苯并環丁烯有機介質層。

所述碳基材料為碳納米管或石墨烯，具有很高的介電常數，所述柵介質層良好的絕緣性質以及抗擊穿能力。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。

進一步，所述苯并環丁烯有機介質層由苯并環丁烯單體通過加熱形成的交聯的苯并環丁烯聚合體構成；

或者由苯并環丁烯單體在光刻后再通過加熱形成的交聯的苯并環丁烯聚合體構成構成。

進一步，所述苯并環丁烯有機介質層的厚度為5納米～50納米。

所述苯并環丁烯有機介質層的厚度通過苯并環丁烯與溶劑之間的稀釋比例，勻膠機旋轉的速度、時間來控制。

進一步，所述柵介質層還包括金屬氧化物介質層，所述金屬氧化物介質層位于所述苯并環丁烯有機介質層之上。

所述金屬氧化物和苯并環丁烯有機介質層形成復合介質層，可以提升柵介質層的性能，從而獲得絕緣性能良好、介電常數高，抗擊傳能力強的頂柵介質，最終使碳基場效應晶體管獲得很好的頂柵調制能力，而且苯并環丁烯含有的甲基能夠為原子層沉積法生長高性能介質層提供成核中心，從而與原子層沉積工藝相兼容，解決了原子層沉積方法無法在碳基材料表面成核的問題。

進一步，所述金屬氧化物介質層由氧化鉿、氧化鋯或者氧化鋁構成，所述金屬氧化物介質層的厚度為3納米～30納米。

本發明還提供一種解決上述技術問題的技術方案如下：一種碳基場效應晶體管的制備方法包括以下步驟：

步驟一：在半導體襯底上依次形成絕緣層、由碳基材料構成的導電通道、源電極和漏電極；

步驟二：將形成有絕緣層、導電通道、源電極和漏電極的半導體襯底放入充滿氮氣的烘箱內，烘箱的溫度保持在110℃～130℃，同時使六甲基二硅胺烷均勻地涂覆在源電極、漏電極以及源電極和漏電極之間的導電通道上；

步驟三：利用溶劑將苯并環丁烯稀釋后，通過勻膠機旋涂在均勻涂覆有六甲基二硅胺烷的源電極、漏電極以及源電極和漏電極之間的導電通道上；