CN101941696A - 一种适用于石墨烯基场效应管制造的纳米光刻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于碳基集成电路制造技术领域，具体为一种适用于石墨烯基场效应管制造的纳米光刻方法。该方法包括采用接触探针热还原法对任意衬底上的石墨烯氧化物进行可控还原，通过控制探针温度来控制还原石墨烯氧化物的成分从而控制沟道电阻率。利用单原子尺寸热接触探针在石墨烯氧化物上直写石墨烯基场效应管，可以实现石墨烯基纳米场效应管的光刻制造工艺，简化石墨烯场效应管制备的复杂性，从而降低了工艺实施的困难程度。单原子级热探针直写石墨烯场效应管技术还可以提供石墨烯基传感器、射频器件等制备的图形化技术，也可以作为石墨烯基电子器件的基本加工工艺。

Description

一种适用于石墨烯基场效应管制造的纳米光刻方法
技术领域
本发明属于碳基集成电路制造技术领域，具体涉及一种石墨烯基场效应晶体管的制备方法，特别涉及一种适用于石墨烯基器件例如场效应管、存储单元纳米制备的纳米光刻方法。 
背景技术
根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽，硅基集成电路在11纳米后无法突破其物理局限包括电流传输损耗，量子效应，热效应等，因此很难生产出性能稳定、集成度更高的产品。随着半导体技术的不断发展，硅基集成电路器件尺寸距离其物理极限越来越近。
为延长摩尔定律的寿命，国际半导体工业界纷纷提出超越硅技术（Beyond Silicon），其中最有希望的石墨烯应运而生。石墨烯（Graphene）是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，是由单层六角元胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体。石墨烯具有零禁带特性，即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可以达到微米级, 同时，石墨烯还具有远比硅高的载流子迁移率,所以它是一种性能优异的半导体材料。基于其独特的二维结构和物理特性，石墨烯被认为是下一代集成电路中有望延续摩尔定律的重要材料。
作为新型的半导体材料，石墨烯已经被应用于MOS（Metal-Oxide-Semiconductor，金属-氧化物-半导体）场效应晶体管中。IBM公司已经于2010年2月在2寸硅片上开发出了频率高达100GHz、栅极长度为240纳米的石墨烯通道场效应晶体管。
石墨烯晶体管面临的两个主要挑战1）能带带隙为零；2）在硅衬底上形成沟道；现在已经被国际科学界逐步克服。但是针对制造石墨烯基器件例如场效应管、存储单元的纳米级光刻方法并未有研究，而纳米级别光刻技术的建立是规模制造石墨烯基器件的必需条件。
发明内容
本发明的目的在于提出一种石墨烯基场效应晶体管的制备方法，具体提出一种适用于石墨烯基器件例如场效应管、存储单元的纳米光刻方法，该石墨烯基器件的纳米光刻方法可以在未来超越硅材料后的碳基大规模集成电路制造中获得应用。
为达到本发明的上述目的，本发明提出了一种石墨烯氧化物的形成及纳米加工方法，具体步骤包括：
利用化学气相沉积方法在提供的衬底上形成石墨烯层；
将所述石墨烯层经过氧化处理形成石墨烯氧化物；
利用温度可控的纳米尺寸热接触探针使得绝缘性的石墨烯氧化物还原为导电性的石墨烯或者石墨烯与石墨烯氧化物的混合物。
进一步地，所述的氧化方法是采用反应离子刻蚀及远程等离子氧化，且选择半导体常用的刻蚀去胶设备进行氧化。所述纳米尺寸热接触探针的温度范围为100-600℃。
石墨烯氧化物可以看做是由石墨烯吸附大量氧离子功能团形成，调节功能团可以调制石墨烯的电学、光学等各属性，同时石墨烯氧化物在一定的加热条件下可以由相对绝缘性转换为导电性的石墨烯或者石墨烯与石墨烯氧化物的混合物。
采用接触探针热还原方法对任意衬底上的石墨烯氧化物进行纳米光刻，可以直写石墨烯基纳米电子器件，类似于电子束光刻在现在掩膜工厂制造掩膜的技术。一般接触探针尺寸为小于50纳米，先进探针可以做到探针尖只有单个原子，借助此特性，对任意衬底上的石墨烯氧化物上实施接触探针热还原，可以做到单原子级别器件，因此，该工艺可以被称为单原子级热探针直写石墨烯场效应管技术，具体包括：
利用化学气相沉积方法在提供的衬底上形成石墨烯层；
将所述石墨烯层经过氧化处理形成石墨烯氧化物；
利用温度可控的纳米尺寸热接触探针使得接触区部分石墨烯氧化物还原成为高导电率的石墨烯，形成石墨烯场效应管的源极、漏极和控制栅极；
利用温度可控的纳米尺寸热接触探针在所述源极与漏极之间形成渐变型石墨烯与石墨烯氧化物的混合物，形成石墨烯极场效应管的沟道区域。
更进一步地，形成所述石墨烯场效应管的源极、漏极和控制栅极时，纳米尺寸热接触探针的温度范围为200-600℃。形成所述石墨烯极场效应管的沟道区域时，纳米尺寸热接触探针的温度范围为100-200℃。
采用接触探针热还原法对任意衬底上的石墨烯氧化物进行可控还原，通过控制探针温度来控制还原石墨烯氧化物的成分从而控制沟道电阻率。利用单原子尺寸热接触探针在石墨烯氧化物上直写石墨烯基场效应管，可以实现石墨烯基纳米场效应管的光刻制造工艺，这大大简化了石墨烯场效应管制备的复杂性，并降低了工艺实施的困难程度。单原子级热探针直写石墨烯技术还可以提供石墨烯基传感器、射频器件等制备的图形化技术，也可以作为石墨烯基电子器件的基本加工工艺。
纳米尺寸的接触式探针可以突破目前所有的光刻技术限制，并且接触式探针非常稳定，不会象其它光刻工艺那样需要昂贵的纠偏系统。
附图说明
图1至图2为本发明提供的石墨烯氧化物的形成过程示意图。
图3至图5为本发明提供的一种石墨烯基双栅平面场效应管的形成过程示意图。
具体实施方式
本发明所提出的单原子级热探针直写石墨烯场效应管技术可以广泛应用于石墨烯基器件例如场效应管、存储单元的大规模制造中。以下所述的是采用本发明所提出的单原子级热探针直写石墨烯场效应管技术来制备石墨烯基双栅平面场效应管结构的实施例。
在图中，为了方便说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。
首先，在清洗过的硅衬底101上氧化形成一层氧化硅102，氧化硅层102的厚度比如为300纳米。然后通过化学气相沉积（LPCVD）方法在氧化硅层102上形成一层石墨烯103，如图1所示。其中，形成石墨烯的具体方法为：通过通入甲烷以及氩气等惰性气体（其中甲烷/氩气的气体流量比值范围约为1:2至1:5，甲烷以及氩气的总气体流量范围约为280sccm至480sccm，其大小取决于所需形成的薄膜的尺寸），加热到1000℃后，再迅速降至室温，这样可在氧化硅层102上沉积形成6-10层的石墨烯。
接下来，对石墨烯层103进行氧化处理形成石墨烯氧化物层200，如图2所示。其中，所述氧化方法是采用反应离子刻蚀（RIE）及远程等离子氧化，该氧化方法易与CMOS工艺兼容，并能实现大规模化生产石墨烯氧化物层。对石墨烯进行氧化时可以选择半导体常用的刻蚀去胶设备进行氧化，不直接对石墨烯层进行离子接触。具体地，氧化的工艺条件中，功率约为600 W至1000W、通入的氧气/氩气的气体流量比值范围是1:1至1:3，氧气/氩气的流量大小取决于薄膜形成尺寸，氧气和氩气的总流量的范围约为200sccm至400sccm。
接下来，以所形成的石墨烯氧化物层200作为初始材料，利用温度可控的（温度范围约为100-600℃）纳米尺寸（单原子-50纳米）热接触探针在石墨烯氧化物上直写石墨烯基场效应管，其具体过程如下：
首先，利用热接触探针在高于200℃的探针温度下分别使得接触区部分石墨烯氧化物还原成为高导电率的石墨烯，以此构成石墨烯场效应管的源极201和漏极202，如图3所示，它是图2所示结构的俯视图。
接下来，利用热接触探针在高于200℃的探针温度下使得接触区部分石墨稀氧化物还原成为高导电率的石墨稀，以此构成石墨烯场效应管的双栅极203、204，如图4所示。
最后，将热接触探针温度降低到200℃以下，在源极201与漏极202之间形成渐变型石墨烯与石墨烯氧化物的混合物，以此构成石墨烯场效应管的沟道区域205，从而构成纳米石墨烯基双栅平面场效应管，如图5所示。沟道205的尺寸需控制在长度在10-100纳米范围，宽度在10-100纳米范围。石墨烯与石墨烯氧化物的混合物具有半导体特性，其电阻率及能带可以通过石墨烯氧化物层数以及被还原程度调制，可以大范围满足不同应用需求。
需要注意的是，热接触探针会形成热耗散进而影响器件尺寸定义，所以在实施过程中采取控制时间与接触面积来防止热耗散。
如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。

Claims (6)

1.一种石墨烯氧化物的形成及纳米加工方法，其特征在于具体步骤为：
利用化学气相沉积方法在提供的衬底上形成石墨烯层；
将所述石墨烯层经过氧化处理形成石墨烯氧化物；
利用温度可控的纳米尺寸热接触探针使得绝缘性的石墨烯氧化物还原为导电性的石墨烯或者石墨烯与石墨烯氧化物的混合物。
2.根据权利要求1所述的石墨烯氧化物的形成及纳米加工方法，其特征在于所述的氧化方法是采用反应离子刻蚀及远程等离子氧化，且选择半导体常用的刻蚀去胶设备进行氧化。
3.根据权利要求1所述的石墨烯氧化物的形成及纳米加工方法，其特征在于所述纳米尺寸热接触探针的温度范围为100-600℃。
4.一种单原子级热探针直写石墨烯场效应管的方法，其特征在于具体步骤为： 
利用化学气相沉积方法在提供的衬底上形成石墨烯层；
对所述石墨烯层进行氧化处理形成石墨烯氧化物；
利用温度可控的纳米尺寸热接触探针使得接触区部分石墨烯氧化物还原成为高导电率的石墨烯，形成石墨烯场效应管的源极、漏极和控制栅极；
利用温度可控的纳米尺寸热接触探针在所述源极与漏极之间形成渐变型石墨烯与石墨烯氧化物的混合物，形成石墨烯极场效应管的沟道区域。
5.根据权利要求4所述的单原子级热探针直写石墨烯场效应管的方法，其特征在于，形成所述石墨烯场效应管的源极、漏极和控制栅极时，纳米尺寸热接触探针的温度范围为200-600℃。
6.根据权利要求4所述的单原子级热探针直写石墨烯场效应管的方法，其特征在于，形成所述石墨烯极场效应管的沟道区域时，纳米尺寸热接触探针的温度范围为100-200℃。
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