[發明專利]一種基于柵介質結構的石墨烯場效應器件及其制備方法

有效

• 申請號: 201210461745.9
• 申請日: 2012-11-16
• 公開（公告）號: CN102931057A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 王浩敏;謝紅;孫秋娟;康曉旭;劉曉宇;謝曉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L21/04
• 分類號: H01L21/04;H01L29/78;H01L29/51
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 余明偉

技術領域

本發明涉及一種半導體技術領域，特別是涉及一種基于柵介質結構的石墨烯場效應器件及其制備方法。

背景技術

石墨烯作為一種新型的電子功能材料，由于具有獨特的物理結構及優異的電學性能，成為當今微電子材料的研究熱點。石墨烯是由碳六元環組成的二維周期蜂窩狀點陣結構,是迄今為止發現的最薄的材料。其化學性質穩定，機械強度大，具有較好的熱導率。最重要的是，其擁有優異的電學特性，如極高的載流子遷移率，較高的電流飽和速度及較大臨界電流密度等，使它在微電子領域具有廣泛的應用前景。在不遠的將來，石墨烯將作為替代硅的優選材料，結合標準CMOS工藝，制作石墨烯基場效應管，其較大的電子遷移率有利于提高電路的截至頻率，從而應用于高頻領域和超大規模集成電路。

但是在石墨烯基場效應器件的工藝集成過程中，由于微電子領域的按比例縮小原則，隨著超大規模集成電路（ULSI）的集成度越來越高，其核心器件CMOS場效應晶體管的特征尺寸（柵厚和柵寬）將日益縮小，這對一直占統治地位的SiO₂柵介質提出了挑戰，即當SiO₂介質層的厚度減小到原子尺寸時，由量子隧道效應所導致的漏電流變得不可忽視，SiO₂將失去介電特性，因此必須尋找新的高介電常數（高k）材料代替它。采用高k電介質代替傳統的SiO₂電介質，就可以在保持相同電容密度的情況下增大電介質層的厚度。在眾多的電介質材料中，Al₂O₃薄膜由于具有較高的介電常數，以及其優異的整體性質而脫穎而出。但是作為柵介質材料，通常會在氧化物與石墨烯的界面處容易產生電荷陷阱及缺陷，另一方面，柵介質材料的表面粗糙度也會對石墨烯中載流子造成散射，導致石墨烯中本征載流子遷移率降低，從而降低石墨烯器件的性能。

因此，如何解決石墨烯中固有載流子遷移率低的問題是本領域技術人員需要解決的課題。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于柵介質結構的石墨烯場效應器件及其制備方法，用于解決現有技術中石墨烯固有載流子遷移率低的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種基于柵介質結構的石墨烯場效應器件的制備方法，其至少包括步驟：

1）提供一襯底，刻蝕所述襯底形成柵電極溝槽；

2）在所述襯底表面沉積金屬Al材料，并使所述金屬Al材料填充于所述柵電極溝槽；

3）采用拋光工藝拋除所述柵電極溝槽外的金屬Al材料，使所述襯底表面與柵電極溝槽內金屬Al材料表面齊平，所述溝槽內的金屬Al材料為柵電極；

4）通入O₂使所述金屬Al材料表面氧化，形成致密的Al₂O₃介電薄膜層，刻蝕所述Al₂O₃介電薄膜層，露出部分金屬Al作為柵電極接觸；

5）采用等離子體增強化學氣相沉積工藝在步驟4）的結構表面制備BN薄膜層，刻蝕所述BN薄膜層，露出柵電極；

6）在所述BN薄膜層表面形成石墨烯，刻蝕所述石墨烯形成導電溝道。

7）在所述石墨烯表面制備形成源電極和漏電極，形成基于Al₂O₃-BN新型柵介質結構的石墨烯場效應器件結構，其中，所述源電極和漏電極分別與石墨烯電性連接。

優選地，在步驟1）中包括襯底的清洗步驟。

優選地，在步驟6）包括有石墨烯生長和轉移工藝，包括：

采用化學氣相沉積工藝在一拋光的基底上生長單層石墨烯；

在所述石墨烯上均勻涂覆聚合膠，將具有所述石墨烯和聚合膠的基底放入溶液中，腐蝕掉基底后轉移附著有聚合膠的石墨烯至所述BN薄膜層表面，丙酮去除聚合膠并進行退火處理。

優選地，所述基底包括Cu、Ni或Pt片。

優選地，所述Al₂O₃介電薄膜層和BN薄膜層共同構成新型的柵介質結構。

優選地，所述BN薄膜為立方微晶結構。

優選地，所述Al₂O₃介電薄膜層的厚度為1~10nm。

優選地，氧化形成所述Al₂O₃介電薄膜層的溫度為低于400℃。

優選地，所述柵電極包括單柵、雙柵或多柵結構。

本發明還提供一種基于新型柵介質結構的石墨烯場效應器件，其至少包括：