一种碳基场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳基场效应晶体管及其制备方法，属于纳电子学技术领域。所述碳基场效应晶体管包括半导体衬底、绝缘层、导电通道、源电极、漏电极、栅介质层和栅电极，绝缘层设置于半导体衬底上，导电通道设置于绝缘层上，导电通道由碳基材料构成，源电极和漏电极分别设置于导电通道的两端，栅介质层覆盖在源电极、漏电极以及源电极和漏电极之间的导电通道上，栅电极位于栅介质层之上，栅介质层包括苯并环丁烯有机介质层。本发明专利技术解决了原子层沉积法无法在碳基材料形成的导电通道上直接生长高介电常数栅介质薄膜的问题，苯并环丁烯既提供了原子层沉积的成核中心，同时不会引起碳基材料载流子迁移率的显著下降，不会引起器件性能的下降。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种场效应晶体管及其制备方法，特别涉及，属于纳电子学

技术介绍
以碳材料为基的纳米电子学，尤其是碳纳米管(Carbon Nanotube)和石墨烯 (Graphene)为基的纳米电子学，被认为具有极大的应用前景，极富潜力可替代硅基材料。自从1991年碳纳米管和2004年石墨烯被成功研制以来，碳基电子学取得了巨大发展。基于碳基的电子学具有尺寸小、速度快、功耗低、工艺简单等特点，受到人们越来越广泛的关注。场效应晶体管的性能受到两个最重要因素的影响，一是材料性质，它决定了器件性能的潜力；另一个就是栅介质材料，由于它与沟道直接接触，所以栅介质的性能会直接影响整个器件的性能，高性能的场效应晶体管要求栅介质材料具有绝缘性能好、介电常数高、 抗击穿能力强等特点。而碳基场效应晶体管自身的一个重要特点是，由于导电碳材料只有一个或几个原子层厚度，其材料对与其接触的介质层非常敏感，栅介质层通常会影响碳材料的表面态，在碳材料中引入新的散射机制，会造成碳材料载流子迁移率的显著下降，造成器件性能退化。在碳基材料的电子器件中，高性能栅介质的制备一直是制约器件性能的关键问题。对于普遍使用的高介电常数栅介质的生长方法-原子层沉积(ALD)，由于碳纳米管和石墨烯表面不能提供悬挂键为其生长提供成核中心，所以无法直接在碳基材料上生成均勻的薄层栅介质。为了能够通过原子层沉积形成栅介质层，通常在原子层沉积之前对材料表面进行功能化处理，如脱氧核糖核酸(DNA)分子功能化、二氧化氮(NO2)分子功能化、臭氧(O3) 功能化等；或者在碳材料表面蒸发或溅射沉积活性金属后通过高温氧化形成氧化金属，为原子层沉积提供成核中心。但不管是哪种处理方法，都会给碳材料引入额外的散射机制，降低载流子迁移率，使器件性能退化。
技术实现思路
本专利技术实施例针对现有的高性能栅介质的制备会给碳材料引入额外的散射机制， 降低载流子迁移率，使器件性能退化的不足，提供。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下一种碳基场效应晶体管包括半导体衬底、绝缘层、导电通道、源电极、漏电极、栅介质层和栅电极，所述绝缘层设置于所述半导体衬底上，所述导电通道设置于所述绝缘层上，所述导电通道由碳基材料构成，所述源电极和漏电极分别设置于所述导电通道的两端，所述栅介质层覆盖在所述源电极、所述漏电极以及所述源电极和漏电极之间的导电通道上，所述栅电极位于所述栅介质层之上，所述栅介质层包括苯并环丁烯有机介质层。所述碳基材料为碳纳米管或石墨烯，具有很高的介电常数，所述栅介质层良好的绝缘性质以及抗击穿能力。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，所述苯并环丁烯有机介质层由苯并环丁烯单体通过加热形成的交联的苯并环丁烯聚合体构成；或者由苯并环丁烯单体在光刻后再通过加热形成的交联的苯并环丁烯聚合体构成构成。进一步，所述苯并环丁烯有机介质层的厚度为5纳米 50纳米。所述苯并环丁烯有机介质层的厚度通过苯并环丁烯与溶剂之间的稀释比例，勻胶机旋转的速度、时间来控制。进一步，所述栅介质层还包括金属氧化物介质层，所述金属氧化物介质层位于所述苯并环丁烯有机介质层之上。所述金属氧化物和苯并环丁烯有机介质层形成复合介质层，可以提升栅介质层的性能，从而获得绝缘性能良好、介电常数高，抗击传能力强的顶栅介质，最终使碳基场效应晶体管获得很好的顶栅调制能力，而且苯并环丁烯含有的甲基能够为原子层沉积法生长高性能介质层提供成核中心，从而与原子层沉积工艺相兼容，解决了原子层沉积方法无法在碳基材料表面成核的问题。进一步，所述金属氧化物介质层由氧化铪、氧化锆或者氧化铝构成，所述金属氧化物介质层的厚度为3纳米 30纳米。本专利技术还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下一种碳基场效应晶体管的制备方法包括以下步骤步骤一在半导体衬底上依次形成绝缘层、由碳基材料构成的导电通道、源电极和漏电极；步骤二 将形成有绝缘层、导电通道、源电极和漏电极的半导体衬底放入充满氮气的烘箱内，烘箱的温度保持在110°C 130°c，同时使六甲基二硅胺烷均勻地涂覆在源电极、漏电极以及源电极和漏电极之间的导电通道上；步骤三利用溶剂将苯并环丁烯稀释后，通过勻胶机旋涂在均勻涂覆有六甲基二硅胺烷的源电极、漏电极以及源电极和漏电极之间的导电通道上；步骤四在队或者惰性气体的保护下，将旋涂后的器件加热至200°C 300°C，使苯并环丁烯单体发生交联反应生成苯并环丁烯聚合体，从而形成栅介质层，所述栅介质层为苯并环丁烯有机介质层，再在所述栅介质层上形成栅电极即可。所述步骤二中放入烘箱内进行预处理可以增加半导体衬底对苯并环丁烯有机物的粘附性，使得用于生长器件的原基底片形貌较好，而且在导电通道和源电极或漏电极接触的边缘处，由于材料和苯并环丁烯介质的张力不同的影响，苯并环丁烯会聚集，导致苯并环丁烯有机介质层的厚度不可控，故通过六甲基二硅胺烷来改变半导体衬底的表面性质， 使苯并环丁烯能够在源电极、漏电极和导电通道的表面均勻展开，使形成的苯并环丁烯有机介质层的厚度及介电性质均勻一致。进一步，所述步骤三中将苯并环丁烯稀释的溶剂为1，3，5-三甲基苯、癸烷、1- 丁醇、甲苯、丙二醇甲醚乙酸酯或者N-甲基吡咯烷酮。进一步，所述步骤四中采用烘箱、热板或者管式炉进行加热。进一步，所述步骤四中加热温度大于或者等于200°C且小于270°C时，在该加热温度处恒温保持15分钟 90分钟后，再自然冷却至常温；当加热温度大于或者等于270°C且小于300°C时，于5秒 1分钟的时间内进行快速热退火。所述步骤四中旋涂后的器件加热的温度越低，需要加热的时间就越长，加热的温度越高，需要加热的时间就越短，当加热温度为200°C 270°C时，加热到该温度时还需要恒温保持1小时左右，当加热温度为270°C 300°C时，于5秒 1分钟的时间内进行快速热退火即可。进一步，所述步骤四中在形成苯并环丁烯有机介质层后，还包括利用原子层沉积法在苯并环丁烯有机介质层上再沉积一层金属氧化物介质层的步骤，从而形成栅介质层， 所述栅介质层包括苯并环丁烯有机介质层和金属氧化物介质层。本专利技术有益效果是本专利技术碳基场效应晶体管解决了原子层沉积法无法在碳基材料形成的导电通道上直接生长高介电常数栅介质薄膜的问题，苯并环丁烯既提供了原子层沉积的成核中心，同时不会引起碳基材料载流子迁移率的显著下降，不会引起器件性能的下降；本专利技术碳基场效应晶体管的制备工艺简单，成本低廉，可靠性及重复性好，为碳基高性能器件的实现提供了一个良好的解决方案，满足碳基规模化集成电路的需求。附图说明图1为本专利技术碳基场效应晶体管第一实施例的结构示意图；图2为本专利技术碳基场效应晶体管第二实施例的结构示意图；图3为本专利技术实施例1碳基场效应晶体管的顶栅Ids-Vgs转移特性曲线；图4为本专利技术实施例1碳基场效应晶体管的背栅Ids-Vgs转移特性曲线。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。图1为本专利技术碳基场效应晶体管第一实施例的结构示意图。如图1所示，碳基场效应晶体管包括半导体衬底10、绝缘层11、导电通道12、源电极13、漏电极14、栅介质层和栅电极17，绝缘层11设置于半导体衬底10上，导电通道12设置于绝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金智，麻芃，郭建楠，苏永波，王显泰，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：