[发明专利]超短沟道晶体管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及纳米科技领域和半导体领域，更特别地，涉及一种具有超短沟道的晶体管及其制造方法，该晶体管可具有亚十纳米沟道长度。

背景技术

英特尔创始人之一戈登·摩尔曾经对芯片行业的发展做出过预测：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，这即是广为人知的“摩尔定律”。该预言自被提出以来，一直主导着芯片行业的发展趋势。而摩尔定律能够持续生效的根本前提就是器件能够持续小型化，即晶体管的沟道长度不断缩小。但是在过去的十年当中，传统硅基半导体器件的小型化进程逐渐接近其物理极限，一个最显著的阻碍因素就是短沟道效应，这也导致摩尔定律接近失效的边缘。

2004年石墨烯的发现带动了二维材料的研究热潮，越来越多的二维层状材料被人们发现并研究，例如黑磷、六方氮化硼和以二硫化钼为代表的过渡金属硫属化合物等等。2012年，美国普渡大学叶培德教授领导的科研团队研究了二硫化钼场效应晶体管沟道长度的按比例缩小，证实了二硫化钼场效应晶体管对短沟道效应的超强免疫力。但是限于曝光系统的精度，目前所报道的二硫化钼场效应晶体管中沟道长度最短的也有50纳米。

因此，寻找新的方法或材料来制造沟道长度更短，甚至短到10纳米以下的晶体管，对整个半导体行业显得意义重大。

发明内容

基于传统的曝光技术，例如电子束曝光、紫外线曝光、深紫外曝光和极紫外曝光等，均难以实现亚十纳米的曝光精度。基于该认识，本发明人致力于寻找新的材料和蚀刻方法，来提高光刻精度。本发明人发现，石墨烯的晶界可以作为一种原子尺度的线缺陷，基于石墨烯各向异性刻蚀技术，通过控制氢等离子体的刻蚀过程，可以将晶界可控地展宽至几个纳米的尺度。若将这一块带有纳米级展宽晶界的石墨烯作为场效应晶体管的源漏电极对，那么该石墨烯展宽晶界的宽度就恰好是此晶体管的沟道长度，这样即可方便有效地制备出10纳米以下超短沟道晶体管。

本发明的一个方面提供一种晶体管，包括：衬底；石墨烯层，设置在所述衬底上，并且包括由间隙分隔开的第一部分和第二部分；半导体层，覆盖所述石墨烯层和所述间隙；源极电极，设置在所述半导体层的与所述石墨烯层的第一部分对应的部分上，并且延伸到所述衬底上，从而接触所述石墨烯层的第一部分的侧部；以及漏极电极，设置在所述半导体层的与所述石墨烯层的第二部分对应的部分上并且延伸到所述衬底上，从而接触所述石墨烯层的第二部分的侧部。所述源极电极和所述漏极电极均与所述间隙间隔开一定距离，例如0.5微米以上，可以在1微米左右。

在一实施例中，所述衬底是具有表面绝缘层的半导体衬底，所述石墨烯层设置在所述表面绝缘层上。

在一实施例中，所述衬底是绝缘衬底。所述晶体管还包括：栅极绝缘层，覆盖所述半导体层的与所述间隙对应的部分；以及栅极，设置在所述栅极绝缘层上，并且与所述源极电极和所述漏极电极间隔开。

在一实施例中，所述半导体层包括二硫化钼。

在一实施例中，所述间隙包括3至10nm的宽度。

在一实施例中，所述石墨烯层包括单层石墨烯。

本发明的另一方面提供一种制造晶体管的方法，包括：在衬底上提供石墨烯层；对该石墨烯层进行各向异性蚀刻以展宽该石墨烯层的晶界，形成一间隙；在所述石墨烯层上设置半导体层，所述半导体层覆盖所述间隙以及所述间隙两侧的所述石墨烯层；利用掩模蚀刻该半导体层和该石墨烯层，得到包括由所述间隙分隔开的第一部分和第二部分的石墨烯层、以及位于所述石墨烯层的第一部分和第二部分及所述间隙上的半导体层；以及形成源极电极和漏极电极，所述源极电极形成在所述半导体层的与所述石墨烯层的第一部分对应的部分上并且延伸到所述衬底上从而接触所述石墨烯层的第一部分的侧部，所述漏极电极形成在所述半导体层的与所述石墨烯层的第二部分对应的部分上并且延伸到所述衬底上从而接触所述石墨烯层的第二部分的侧部。所述源极电极和所述漏极电极均与所述间隙间隔开一定距离，例如0.5微米以上，可以在1微米左右。

在一实施例中，所述衬底是具有表面绝缘层的半导体衬底，所述石墨烯层设置在所述表面绝缘层上。

在一实施例中，所述衬底是绝缘衬底。所述方法还包括：形成覆盖所述半导体层的与所述间隙对应的部分的栅极绝缘层；以及在所述栅极绝缘层上形成栅极，所述栅极与所述源极电极和所述漏极电极间隔开。

在一实施例中，所述半导体层包括二硫化钼。所述设置半导体层的步骤包括将二硫化钼层转移到所述石墨烯层上，或者直接在所述石墨烯层上沉积二硫化钼层。