CN102593006A - 一种减小金属与碳基材料的接触电阻的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，该方法是在碳基材料的表面形成一掩膜金属层，然后在该掩膜金属层上光刻定义源漏区图形，腐蚀该源漏区图形处的掩膜金属层，并经金属蒸发以及剥离来制备源漏电极，最后去除沟道区上的掩膜金属层。本发明采用金属掩膜，实现光刻胶与碳基材料的隔离，最大程度的减小残余光刻胶对碳基材料与金属接触的影响，从而有效的增加了碳基FET器件的开态电流，提高了器件的跨导和截止频率。

Description

一种减小金属与碳基材料的接触电阻的方法
技术领域
本发明涉及碳基的FET器件制备技术领域，尤其涉及一种减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，能够有效的减少碳基材料表面的残余光刻胶，实现金属与碳基材料的良好接触，从而有效的提高器件的开关电流比Ion/Ioff，跨导gm，本征增益Gain和截止频率ft。
背景技术
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。
在碳基的FET器件的发展过程中，栅介质以及碳基材料与金属的接触成为亟待解决的重要课题。在Si器件中，金属和硅的接触电阻率为10-8Ω×cm2，而对于碳基器件而言，由于碳基材料具有更高的迁移率，接触电阻率为10-9Ω×cm2才能体现出碳基材料高迁移率的特性。
金属与碳基材料的接触电阻对器件开关电流比，跨导，本征增益和截止频率有着重要的影响(Kristen N.Parrisha，APPLIED PHYSICS LETTERS98，183505(2011))；在研究碳基材料和金属的欧姆接触的过程中，选择了各种不同的金属。主要研究的金属体系为Ti/Au，Ni/Au，Pd/Au，Cr/Au；接触电阻分别为：Ti/Au(5/50nm)：7500Ω×μm，Ni/Au(30/20nm)：2100Ω×μm，Ti/Pb/Au(0.5/20/40nm)：750Ω×μm(Bo-Chao Huang，APPLIEDPHYSICS LETTERS 99，032107(2011))；Cr/Au(10/20nm)：1000Ω×μm(K.Nagashio，IEDM 09-565(2009))；不同的金属以及金属的厚度都对接触电阻有很大影响；不同的工艺处理过程也对接触电阻有较大的影响(JoshuaA.Robinson，APPLIED PHYSICS LETTERS 98，053103(2011))。但是在研究的过程中都没有降低金属与碳基材料的接触电阻。本发明提出了一种减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，实现了金属与碳基材料的低接触电阻。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，以减小碳基材料与金属接触电阻。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，该方法是在碳基材料的表面形成一掩膜金属层，然后在该掩膜金属层上光刻定义源漏区图形，腐蚀该源漏区图形处的掩膜金属层，并经金属蒸发以及剥离来制备源漏电极，最后去除沟道区上的掩膜金属层。
上述方案中，所述碳基材料采用石墨烯或碳纳米管。
上述方案中，所述在碳基材料的表面形成一掩膜金属层，是采用蒸发的方法在碳基材料的表面蒸发厚度在3～100nm之间的掩膜金属层。
上述方案中，所述掩膜金属层采用金属镍、铝、铜、铬或钛。
上述方案中，所述源漏电极均采用金属钛和金、铬和金、钯和金、镍和金或者铂和金。
上述方案中，所述在碳基材料的表面形成一掩膜金属层之后，还包括：在掩膜金属层上涂敷一层光刻胶或电子束胶，该光刻胶为AZ5214，该电子束胶为PMMA、ZEP、UV3或PMGI。
上述方案中，所述经金属蒸发以及剥离来制备源漏电极，包括：利用电子束蒸发钛和金、铬和金、钯和金、镍和金或者铂和金叠层作为源漏电极，其中第一层金属的厚度为5～50nm，第二层金属的厚度为50～200nm；然后将样品放入丙酮溶液中，去除源漏区域以外的金属和光刻胶AZ5214，电子束胶PMMA，ZEP，UV3，PMGI。
上述方案中，所述去除沟道区上的掩膜金属层，是采用选择性腐蚀的方法实现的，掩膜金属镍的腐蚀采用的腐蚀液为体积比为1∶3的盐酸，铜的腐蚀采用三氯化铁溶液，铝的腐蚀采用稀盐酸溶液，钛的腐蚀采用体积比为1∶30∶69的氢氟酸∶硫酸∶水溶液，铬的腐蚀采用体积比为3∶1的盐酸，且该腐蚀液不会腐蚀源漏金属。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，采用金属掩膜，实现光刻胶与碳基材料的隔离，最大程度的减小残余光刻胶对碳基材料与金属接触的影响，从而有效的增加了碳基FET器件的开态电流，提高了器件的跨导和截止频率。
2、本发明提供的减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，不仅适用于光学曝光，也适用于电子束曝光，能够有效的减少各种残胶的影响，无需更换光刻胶，降低成本。
3、本发明提供的减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，在常规工艺流程中进行细微调整，不需要重新开发工艺，具备良好的可行性。
附图说明
图1是利用微机械剥离制作的石墨烯材料的电镜扫描照片；
图2至图8是依照本发明实施例的减小金属与碳基材料的接触电阻的工艺流程图；
图9是依照本发明实施例的制作的石墨烯FET器件的转移特性曲线。
其中，半导体衬底10、绝缘层11、导电通道12、源电极13、漏电极14、掩膜金属15、光刻胶16，所述绝缘层11设置于半导体衬底10上，所述导电通道12设置于绝缘层11上，所述导电通道12由碳基材料构成，所述源电极13和漏电极14分别设置于导电通道12的两端；所述的掩膜金属15设置于碳基材料12上，光刻胶16设置于掩膜金属15上。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，该方法是在碳基材料的表面形成一掩膜金属层，然后在该掩膜金属层上光刻定义源漏区图形，腐蚀该源漏区图形处的掩膜金属层，并经金属蒸发以及剥离来制备源漏电极，最后去除沟道区上的掩膜金属层。
本发明采用金属掩膜，实现光刻胶与碳基材料的隔离，避免了光刻胶与碳基材料的直接接触，最大程度的减小残余光刻胶对碳基材料与金属接触的影响，可以极大的降低金属与碳基材料的接触电阻，从而增加器件的跨导，开关电流比，截止频率和器件的本征增益。
图2至图8示出了依照本发明实施例的减小金属与碳基材料的接触电阻的工艺流程图，在本实施例中，以硅作为半导体衬底，二氧化硅作为绝缘层，石墨烯作为导电通道，金属钛/金作为源漏电极，金属镍作为掩膜金属，光刻胶AZ5214作为光刻胶来实现石墨烯和金属的良好接触。该方法具体包括以下步骤：
步骤1：碳基材料的制备；如图1所示，采用微机械剥离的方法制备石墨烯，并且利用定位标记对石墨烯进行定位。
步骤2：蒸发金属：如图2所示，利用电子束蒸发在碳基材料石墨烯12的表面蒸发一掩膜金属层15，该掩膜金属层采用金属Ni，厚度在3～100nm之间。
步骤3：光刻显影：匀胶，如图3所示，涂覆光刻胶AZ5214，经过曝光显影后定义源漏区图形，如图4所示。
步骤4：腐蚀金属：如图5所示，腐蚀源漏区域的掩膜金属Ni，腐蚀液为1∶3的盐酸，然后用去离子水清洗吹干。
步骤5：蒸发金属：如图6所示，蒸发源漏金属(选择不能被掩膜金属的腐蚀液腐蚀的金属作为源漏金属)，利用电子束蒸发一层20/200nm钛/金(Ti/Au＝20/200nm)金属作为源漏电极。
步骤6：剥离：金属剥离，得到源漏电极；如图7所示，将样品放入丙酮中，去除源漏区域以外的金属和光刻胶。
步骤7：沟道区腐蚀：腐蚀沟道区的掩膜金属，最后用去离子水清洗吹干；如图8所示，腐蚀沟道区的金属Ni，腐蚀液为1∶3的盐酸，完成石墨烯背栅器件的制作。
经过上述步骤1至7，图9示出了依照本发明实施例的制作的石墨烯FET器件的转移特性曲线。
通过上述实施例可以看出，本发明采用金属掩膜，实现光刻胶与碳基材料的隔离，避免了光刻胶与碳基材料的直接接触，最大程度的减小残余光刻胶对碳基材料与金属接触的影响，可以极大的降低金属与碳基材料的接触电阻，从而增加器件的跨导，开关电流比，截止频率和器件的本征增益。
在上述实施例中，是以硅作为半导体衬底，二氧化硅作为绝缘层，石墨烯作为导电通道，金属钛/金作为源漏电极，金属镍作为掩膜金属，光刻胶AZ5214作为光刻胶来实现石墨烯和金属的良好接触。在实际应用中，碳基材料可以采用石墨烯或碳纳米管，掩膜金属层可以采用金属镍、铝、铜、铬或钛，源漏电极均可以采用金属钛和金、铬和金、钯和金、镍和金或者铂和金等叠层；在掩膜金属层上涂敷的可以是光刻胶也可以是电子束胶，光刻胶为AZ5214，电子束胶为PMMA、ZEP、UV3或PMGI。利用电子束蒸发钛和金、铬和金、钯和金、镍和金或者铂和金叠层作为源漏电极，其中第一层金属的厚度为5～50nm，第二层金属的厚度为50～200nm。在去除沟道区上的掩膜金属层时，是采用选择性腐蚀的方法实现的，掩膜金属镍的腐蚀采用的腐蚀液为体积比为1∶3的盐酸，铜的腐蚀采用三氯化铁溶液，铝的腐蚀采用稀盐酸溶液，钛的腐蚀采用体积比为1∶30∶69的氢氟酸∶硫酸∶水溶液，铬的腐蚀采用体积比为3∶1的盐酸，且该腐蚀液不会腐蚀源漏金属。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，其特征在于，该方法是在碳基材料的表面形成一掩膜金属层，然后在该掩膜金属层上光刻定义源漏区图形，腐蚀该源漏区图形处的掩膜金属层，并经金属蒸发以及剥离来制备源漏电极，最后去除沟道区上的掩膜金属层。
2.根据权利要求1所述的减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，其特征在于，所述碳基材料采用石墨烯或碳纳米管。
3.根据权利要求1所述的减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，其特征在于，所述在碳基材料的表面形成一掩膜金属层，是采用蒸发的方法在碳基材料的表面蒸发厚度在3～100nm之间的掩膜金属层。
4.根据权利要求1所述的减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，其特征在于，所述掩膜金属层采用金属镍、铝、铜、铬或钛。
5.根据权利要求1所述的减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，其特征在于，所述源漏电极均采用金属钛和金、铬和金、钯和金、镍和金或者铂和金。
6.根据权利要求1所述的减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，其特征在于，所述在碳基材料的表面形成一掩膜金属层之后，还包括：
在掩膜金属层上涂敷一层光刻胶或电子束胶，该光刻胶为AZ5214，该电子束胶为PMMA、ZEP、UV3或PMGI。
7.根据权利要求6所述的减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，其特征在于，所述经金属蒸发以及剥离来制备源漏电极，包括：
利用电子束蒸发钛和金、铬和金、钯和金、镍和金或者铂和金叠层作为源漏电极，其中第一层金属的厚度为5～50nm，第二层金属的厚度为50～200nm；然后将样品放入丙酮溶液中，去除源漏区域以外的金属和光刻胶。
8.根据权利要求1所述的减小金属与碳基材料的接触电阻的方法，其特征在于，所述去除沟道区上的掩膜金属层，是采用选择性腐蚀的方法实现的，掩膜金属镍的腐蚀采用的腐蚀液为体积比为1∶3的盐酸，铜的腐蚀采用三氯化铁溶液，铝的腐蚀采用稀盐酸溶液，钛的腐蚀采用体积比为1∶30∶69的氢氟酸∶硫酸∶水溶液，铬的腐蚀采用体积比为3∶1的盐酸，且该腐蚀液不会腐蚀源漏金属。
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