[发明专利]由SiC鳍或纳米线模板制造的石墨烯纳米带和碳纳米管

说明书

技术领域

本公开涉及半导体结构及其制造方法。更具体地说，本公开涉及包括可用作器件沟道的平行石墨烯纳米带（nanoribbon）或碳纳米管的半导体结构，所述石墨烯纳米带或碳纳米管沿晶向取向。本公开还涉及制造这种半导体结构的方法，其中通过碳化硅（SiC）鳍（fin）或纳米线的模板（template）制造石墨烯纳米带或碳纳米管。

背景技术

在半导体工业中有着以更高密度制造集成电路（IC）的持续趋势。为实现更高密度，已经做出了并且继续进行着努力以朝向按比例缩小一般由体硅或绝缘体上硅（SOI）制造的半导体晶片上器件的尺寸。这些趋势正在将当前的技术推向其极限。

超大规模集成（VLSI）电路典型地利用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）实现。当MOSFET栅极长度减小时，需要减薄SOI体（沟道），以使器件保持良好的短沟道特性。添加与第一栅极相对的第二栅极，因此，通过从SOI体的相反两面控制沟道，从而允许额外地按比例缩小栅极长度。当使用全包围沟道的栅极时，实现最佳短沟道控制。

鉴于上述情况，半导体工业正寻求石墨烯以实现某些上述目的。石墨烯实质上为碳原子的扁平状薄片（flat sheet），它是一种用于射频（RF）晶体管和其它电子晶体管的有前景的材料。典型的RF晶体管由硅或诸如磷化铟（InP）的更昂贵的半导体制成。石墨烯中测量的电子迁移率被发现远高于InP或硅的电子迁移率。

虽然有着其所有优良的电子特性，但是石墨烯没有带隙，这使其不适合制造数字器件。在沟道中使用石墨烯制造的晶体管具有10或更小的量级的I_on/I_off比率，而这些器件的适当功能还需要大许多个量级（约10⁶的I_on/I_off）。已经表明，如果以纳米带或闭合的碳纳米管（NNT）的形式制造石墨烯，可以在石墨烯中产生带隙。带隙大小随着纳米带的宽度减小而增大，并且对于潜在的实际引用，石墨烯纳米带（GNR）的宽度必须小于10nm，优选地小于5nm。

之前已证明可在剥落的石墨烯纳米薄片上制造GNR。用于制造GNR的现有技术是基于石墨烯层的构图（pattern）和蚀刻（通常使用RIE）。这种技术形成的纳米带具有非均匀且可能损坏的边缘，形成线边缘粗糙度（LER），这劣化了GNR的电学质量。

CNT场效应晶体管已知具有优良的特性，然而，制造超大型集成电路所需的CNT的精确布置非常有挑战性。尽管通过CNT的定向生长，已经取得了一定的进步，但是可实现的CNT到CNT间距为微米量级。作为基准，目前的器件以50nm（0.05微米）的间距制造。

发明内容

本公开通过使用石墨烯作为沟道材料，解决了FET按比例缩小要求。石墨烯薄片的使用允许制造比现在使用SOI制造的沟道薄的沟道。此外，本公开中公开的器件具有双栅极以进一步推动按比例缩小。可被视为卷起的石墨烯的CNT沟道的使用允许制造全包围栅（gate-all-around）器件。

本公开描述了包括沿晶向取向的平行的石墨烯纳米带或碳纳米管的半导体结构的制造。由于该石墨烯纳米带或碳纳米管是由碳化硅（SiC）鳍或纳米线的模板制成的，因此可实现的集成密度等同于使用最先进的硅技术获得的集成密度。

在本公开中，首先提供SiC鳍或纳米线，然后通过退火，在所述鳍或所述纳米线的暴露表面上形成石墨烯纳米带或碳纳米管。在其中形成闭合的碳纳米管的实施例中，在退火之前，纳米线被悬置（suspend）。本公开中提供的石墨烯纳米带和碳纳米管的位置、取向和手征性由形成所述石墨烯纳米带和碳纳米管的对应碳化硅鳍和纳米线确定。

在本公开的一个实施例中，提供一种半导体结构（即，双沟道鳍式FET（finFET）），其包括位于衬底表面上的至少一个碳化硅鳍。所公开的结构还包括石墨烯纳米带，其位于所述至少一个碳化硅鳍的每个裸露侧壁上。所公开的结构还包括栅极结构，其被取向为垂直于所述至少一个碳化硅鳍。所述栅极结构还覆盖每个石墨烯纳米带的一部分并位于所述至少一个碳化硅鳍的一部分的顶上。在所公开的结构中，被所述栅极结构覆盖的所述每个石墨烯纳米带的所述部分限定（define）所述半导体结构的沟道区。