[发明专利]石墨烯纳米带的制造方法、MOSFET及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯纳米带的制造方法、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)及其制造方法，具体地，涉及一种使用石墨烯(graphene)沟道的MOSFET及其制造方法。

背景技术

石墨烯是碳原子以SP²轨道杂化按照蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列形成的单层二维晶体。石墨烯不限于单层石墨，而是可以包含两层或更多层的石墨，只要其表现出二维晶体的特性即可。

近年对使用石墨烯的半导体器件进行了研究。石墨烯纳米带(graphene nano-ribbon)的宽度是纳米量级，因为尺寸效应可以获得有限的带隙，从而表现出半导体的特性。

Hidefumi Hiura等人的美国专利申请No.US2010/0102292A1公开了一种使用石墨烯的半导体器件，其中对半导体石墨烯进行适当的掺杂以形成沟道区，并利用金属石墨烯形成源/漏区和栅极。

然而，上述已知的半导体器件使用单条的石墨烯纳米带形成沟道，因而只能承载有限的沟道导通电流。

而且，已知的用于制造石墨烯纳米带的方法包括热解形成石墨烯层及对石墨烯层的图案化步骤，或者包括从较厚的石墨烯层剥离及层转移的步骤，以获得厚度和宽度均是纳米量级的石墨烯。这种制造石墨烯纳米带的方法生产成本高，并且由于难以准确控制石墨烯纳米带两个维度上的尺寸，工艺可重复性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的石墨烯纳米带的制造方法以及包含石墨烯纳米带的MOSFET，该MOSFET具有改进的性能和降低的生产成本。

根据本发明的一方面，提供一种制造石墨烯纳米带的方法，包括：

在绝缘衬底上形成包括籽层和生长抑制层的叠层；

对叠层进行图案化以形成至少一个叠层条带，所述至少一个叠层条带暴露籽层的侧表面；以及

在籽层的侧表面上生长石墨烯纳米带。

根据本发明的另一方面，提供一种制造MOSFET的方法，包括：

按照上述的方法制造石墨烯纳米带；

在所述至少一个叠层条带之间形成氧化物保护层，使得石墨烯纳米带嵌入氧化物保护层中；

去除叠层条带以形成凹槽，并且在氧化物保护层的侧表面上暴露石墨烯纳米带的表面；

在石墨烯纳米带上形成堆叠的栅介质层和栅极导体层；

在栅极导体层的两侧形成侧墙；

在部分石墨烯纳米带中形成源/漏区；以及

利用金属层填充氧化物保护层之间的凹槽，以形成与源/漏区接触的源/漏接触。

根据本发明的又一方面，提供一种MOSFET，包括：绝缘衬底；位于绝缘衬底上的氧化物保护层；嵌入氧化物保护层中的至少一条石墨烯纳米带，其中在氧化物保护层的侧表面上暴露所述至少一条石墨烯纳米带的表面；在所述至少一条石墨烯纳米带的每一个中形成的沟道区；在所述至少一条石墨烯纳米带的每一个中形成的源/漏区，其中沟道区位于源/漏区之间；位于所述至少一条石墨烯纳米带上的栅介质层；位于栅介质层上的栅极导体层；以及在氧化物保护层的侧表面上与源/漏区相接触的源/漏接触。

在本发明的方法中，通过控制生长条件，石墨烯纳米带的厚度可以控制为单层、两层或更多层石墨。另一方面，石墨烯纳米带的宽度取决于籽层的厚度。本发明的方法利用金属层的侧表面，不必采用额外的图案化步骤或层转移步骤，就可以通过控制金属层的厚度而形成期望宽度的石墨烯纳米带，从而降低了生产成本。

本发明的方法可以精确地控制石墨烯纳米带在两个维度(即厚度和宽度)上的尺寸。

在本发明的MOSFET中，不仅包括上述的有益效果，而且由于一个MOSFET可以包括多条石墨烯纳米带，因此可以通过设置多条石墨烯沟道来提高沟道导通电流，从而改善器件的性能。

附图说明

图1至3示意性地示出了根据本发明的制造石墨烯纳米带方法的各个步骤的截面图；

图4至10示意地示出了根据本发明的制造MOSFET的方法的各个步骤的俯视图和截面图，其中在俯视图中以线A-A’示出了截面图的截取位置；

图11示意性地示出了根据本发明的MOSFET的透视图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。