雙柵極石墨烯場效應晶體管及其制造方法與流程

本發明涉及半導體技術領域，特別是涉及一種雙柵極石墨烯場效應晶體管及其制造方法。

背景技術：

由于石墨烯具有高遷移率的特性，業界已經將石墨烯應用于半導體組件的制作。目前石墨烯晶體管的制作方式一般是采用液相涂膜或轉移的方法將石墨烯薄膜形成于玻璃襯底上。然而，此方法的缺點在于，石墨烯薄膜與玻璃襯底之間的接口經常會發生污染，從而嚴重影響石墨烯晶體管的性能。此外，目前石墨烯晶體管的制作方法也由于操作繁復、成本較高、產率也較低，因此難以滿足大規模應用的需求。有鑒于此，目前有需要發展一種改良的石墨烯晶體管的制造方法。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種雙柵極石墨烯場效應晶體管及其制造方法，可使得石墨烯納米帶的能隙大于300mev，且具有雙柵極。

為解決上述技術問題，本發明的一實施例提供一種雙柵極石墨烯場效應晶體管的制造方法，包括：提供一半導體襯底；在該半導體襯底上形成一光阻層；進行碳離子注入以便于該半導體襯底形成兩個碳離子摻雜區；除去該光阻層；分別在該兩個碳離子摻雜區上選擇性生長至少一層石墨烯層；在一純氧環境下，通過該至少一層石墨烯層對該半導體襯底進行氧化以在該至少一層石墨烯層下方形成一介電層；以及分別在該介電層上以及石墨烯層上形成三個高介電常數材料結構，而該三個高介電常數材料結構的的介電常數的范圍為2.0～30。

本發明的一實施例提供一種雙柵極石墨烯場效應晶體管，包括：一半導體襯底；一介電層，該介電層設于該半導體襯底上；兩個石墨烯層，該兩個石墨 烯層設于該介電層上；一第一高介電常數材料結構及一第二高介電常數材料結構，其分別設于該兩個石墨烯層上：以及一第三高介電常數材料結構，其設于該介電層上以及該兩個石墨烯層之間；以及一第一柵極及一第二柵極，該第一柵極與該第二柵極分別設于第一高介電常數材料結構以及該第二高介電常數材料結構上。

附圖說明

圖1為本發明提供的雙柵極石墨烯場效應晶體管的制造方法的流程圖；

圖2a-圖2h為本發明一實施例中制造雙柵極石墨烯場效應晶體管的部分步驟的剖視圖。

其中，100半導體襯底

102光阻層

104第一碳離子摻雜區

106第二碳離子摻雜區

108第一石墨烯層

110第二石墨烯層

112二氧化硅介電層

114第一高介電常數材料結構

116第二高介電常數材料結構

118第三高介電常數材料結構

120第一柵極

122第一源極

124第一漏極

126第二柵極

128第二源極

130第二漏極

具體實施方式

下面將結合示意圖對本發明的雙柵極石墨烯場效應晶體管及其制造方法進 行更詳細的描述，其中表示了本發明的優選實施例，應該理解本領域技術人員可以修改在此描述的本發明，而仍然實現本發明的有利效果。因此，下列描述應當被理解為對于本領域技術人員的廣泛知道，而并不作為對本發明的限制。

在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

參閱圖1，提供一實施例的雙柵極石墨烯場效應晶體管的制造方法，包括下列步驟：

s101：提供一半導體襯底。在本實施例中，半導體襯底為硅襯底。

s102：以臭氧或鎳鈷化硅(siconi)原位清洗半導體襯底。

s103：在半導體襯底上形成一光阻層。

s104：進行碳離子注入，在半導體襯底未設有光阻層的部分形成兩個碳離子摻雜區。在本實施例中，進行碳離子注入時的能量1kev至100kev，而摻雜劑量介于1e15-1e18/cm²。

s105：去除半導體襯底表面的光阻層。

s106：對半導體襯底進行高速熱退火(rapidthermalanneal)，首先加熱半導體襯底1秒～1000秒，使得半導體襯底升溫至攝氏400度～1200度，接著快速冷卻半導體襯底。

s107：分別在半導體襯底的碳離子摻雜區上選擇性生長(selectivegrow)至少一層石墨烯層。在本實施例中，每一碳離子摻雜區上形成一層石墨烯層。

s108：在一純氧環境下，通過石墨烯層對半導體襯底進行氧化，以在石墨烯層下方形成一介電層，而介電層的一部分與碳離子摻雜區重疊。

s109：分別在介電層上以及石墨烯層上形成多個高介電常數材料結構，而該多個高介電常數材料結構的介電常數的范圍為2.0～30。高介電常數材料可包含氮化硅、氮氧化硅、氧化鋁、氧化鋯或二氧化鉿。至于形成高介電常數材料結構的方式包含有化學氣相沉積法(chemicalvapordeposition)、原子沉積法(atomiclayerdeposition)或金屬有機化學氣相沉積外延法(metal-organicchemicalvapordepositionepitaxy)。

為了更具體地闡述圖1的雙柵極石墨烯場效應晶體管的制造方法，請參照圖2a至圖2h，圖2a至圖2h為本發明一實施例中制造雙柵極石墨烯場效應晶體管的部分步驟的剖視圖。

參照圖2a，制備一半導體襯底100，該半導體襯底100為硅襯底。

參照圖2b，在半導體襯底100上形成一光阻層102。

參照圖2c，進行碳離子注入，在半導體襯底100未設有光阻層102的部分分別形成第一碳離子摻雜區104以及第二碳離子摻雜區106。

參照圖2d，將先前設置于半導體襯底100上的光阻層102除去。

參照圖2e，分別在半導體襯底100的第一碳離子摻雜區104以及第二碳離子摻雜區106選擇性生長(selectivegrow)第一石墨烯層108以及第二石墨烯層110。

參照圖2f，在一純氧環境下，通過第一石墨烯層108以及第二石墨烯層110對半導體襯底100進行氧化，以在第一石墨烯層108以及第二石墨烯層110下方以及其它未被石墨烯層覆蓋的區域形成一二氧化硅介電層112，而二氧化硅介電層112的形成會消耗掉部分或全部第一碳離子摻雜區104以及第二碳離子摻雜區106。

參照圖2g，分別在第一石墨烯層108與第二石墨烯層110上沉積一第一高介電常數材料結構114以及一第二高介電常數材料結構116，以及在二氧化硅介電層112上以及第一石墨烯層108與第二石墨烯層110之間沉積一第三高介電常數材料結構118。

參照圖2h，在第一高介電常數材料結構114頂部形成一第一柵極120，在第一高介電常數材料結構114兩側以及第一石墨烯層108上分別形成一第一源極122以及一第一漏極124。在第二高介電常數材料結構116頂部形成一第二柵極126，在第二高介電常數材料結構116兩側以及第二石墨烯層110上分別形成一第二源極128以及一第二漏極130。

本發明所提供的雙柵極石墨烯場效應晶體管及其制造方法，通過原位清洗硅襯底以及圖形化生長出石墨烯層，可使得石墨烯納米帶的能隙大于300mev，且具有雙柵極。此外，相較于目前石墨烯晶體管的制作方法，本發明所提供的方法，操作較為簡易、成本較低、產率也較高，因此可以滿足大規模應用的需 求。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。