CN102931057A - 一种基于栅介质结构的石墨烯场效应器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于栅介质结构的石墨烯场效应器件及其制备方法，该石墨烯场效应器件包括：具有栅电极沟槽的衬底；形成于所述栅电极沟槽中的栅电极；Al2O3介电薄膜层，位于所述栅电极沟槽中的栅电极表面，且Al2O3介电薄膜层表面与衬底表面齐平；覆盖于所述Al2O3介电薄膜层和衬底表面的BN薄膜层；形成于所述BN薄膜层上方的石墨烯；设置在所述石墨烯上方的源电极和漏电极，所述源电极和漏电极分别与石墨烯电性连接。本发明制备的BN薄膜层与Al2O3介电薄膜层共同构成新型的栅介质结构，有效保持了石墨烯中固有载流子的高迁移率，增强栅极的场效应作用，适用于石墨烯基高射频器件及碳基大规模集成电路制造领域。

Description

一种基于栅介质结构的石墨烯场效应器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种半导体技术领域，特别是涉及一种基于栅介质结构的石墨烯场效应器件及其制备方法。
背景技术
石墨烯作为一种新型的电子功能材料，由于具有独特的物理结构及优异的电学性能，成为当今微电子材料的研究热点。石墨烯是由碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构,是迄今为止发现的最薄的材料。其化学性质稳定，机械强度大，具有较好的热导率。最重要的是，其拥有优异的电学特性，如极高的载流子迁移率，较高的电流饱和速度及较大临界电流密度等，使它在微电子领域具有广泛的应用前景。在不远的将来，石墨烯将作为替代硅的优选材料，结合标准CMOS工艺，制作石墨烯基场效应管，其较大的电子迁移率有利于提高电路的截至频率，从而应用于高频领域和超大规模集成电路。
但是在石墨烯基场效应器件的工艺集成过程中，由于微电子领域的按比例缩小原则，随着超大规模集成电路（ULSI）的集成度越来越高，其核心器件CMOS场效应晶体管的特征尺寸（栅厚和栅宽）将日益缩小，这对一直占统治地位的SiO2栅介质提出了挑战，即当SiO2介质层的厚度减小到原子尺寸时，由量子隧道效应所导致的漏电流变得不可忽视，SiO2将失去介电特性，因此必须寻找新的高介电常数（高k）材料代替它。采用高k电介质代替传统的SiO2电介质，就可以在保持相同电容密度的情况下增大电介质层的厚度。在众多的电介质材料中，Al2O3薄膜由于具有较高的介电常数，以及其优异的整体性质而脱颖而出。但是作为栅介质材料，通常会在氧化物与石墨烯的界面处容易产生电荷陷阱及缺陷，另一方面，栅介质材料的表面粗糙度也会对石墨烯中载流子造成散射，导致石墨烯中本征载流子迁移率降低，从而降低石墨烯器件的性能。
因此，如何解决石墨烯中固有载流子迁移率低的问题是本领域技术人员需要解决的课题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于栅介质结构的石墨烯场效应器件及其制备方法，用于解决现有技术中石墨烯固有载流子迁移率低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于栅介质结构的石墨烯场效应器件的制备方法，其至少包括步骤：
1）提供一衬底，刻蚀所述衬底形成栅电极沟槽；
2）在所述衬底表面沉积金属Al材料，并使所述金属Al材料填充于所述栅电极沟槽；
3）采用抛光工艺抛除所述栅电极沟槽外的金属Al材料，使所述衬底表面与栅电极沟槽内金属Al材料表面齐平，所述沟槽内的金属Al材料为栅电极；
4）通入O2使所述金属Al材料表面氧化，形成致密的Al2O3介电薄膜层，刻蚀所述Al2O3介电薄膜层，露出部分金属Al作为栅电极接触；
5）采用等离子体增强化学气相沉积工艺在步骤4）的结构表面制备BN薄膜层，刻蚀所述BN薄膜层，露出栅电极；
6）在所述BN薄膜层表面形成石墨烯，刻蚀所述石墨烯形成导电沟道。
7）在所述石墨烯表面制备形成源电极和漏电极，形成基于Al2O3-BN新型栅介质结构的石墨烯场效应器件结构，其中，所述源电极和漏电极分别与石墨烯电性连接。
优选地，在步骤1）中包括衬底的清洗步骤。
优选地，在步骤6）包括有石墨烯生长和转移工艺，包括：
采用化学气相沉积工艺在一抛光的基底上生长单层石墨烯；
在所述石墨烯上均匀涂覆聚合胶，将具有所述石墨烯和聚合胶的基底放入溶液中，腐蚀掉基底后转移附着有聚合胶的石墨烯至所述BN薄膜层表面，丙酮去除聚合胶并进行退火处理。
优选地，所述基底包括Cu、Ni或Pt片。
优选地，所述Al2O3介电薄膜层和BN薄膜层共同构成新型的栅介质结构。
优选地，所述BN薄膜为立方微晶结构。
优选地，所述Al2O3介电薄膜层的厚度为1~10nm。
优选地，氧化形成所述Al2O3介电薄膜层的温度为低于400℃。
优选地，所述栅电极包括单栅、双栅或多栅结构。
本发明还提供一种基于新型栅介质结构的石墨烯场效应器件，其至少包括：
衬底，具有栅电极沟槽；
栅电极，形成于所述栅电极沟槽中；
Al2O3介电薄膜层，位于所述栅电极沟槽中的栅电极表面，且Al2O3介电薄膜层表面与衬底表面齐平；
BN薄膜层，覆盖于所述Al2O3介电薄膜层和衬底表面；
石墨烯，形成于所述BN薄膜层的上方；
源电极和漏电极，设置在所述石墨烯的上方，所述源电极和漏电极分别与石墨烯电性连接。
优选地，所述Al2O3介电薄膜层和BN薄膜层共同构成新型的栅介质结构。
优选地，所述BN薄膜为立方微晶结构。
优选地，所述Al2O3介电薄膜层的厚度为1~10nm。
优选地，所述栅电极包括单栅、双栅或多栅结构。
如上所述，本发明的基于栅介质结构的石墨烯场效应器件及其制备方法，具有以下有益效果：采用金属栅电极-栅氧化物一体化的制备工艺步骤，制备了Al栅电极及栅氧化物Al2O3，形成的Al2O3栅介质薄膜质量好、介电性能高，能有效利用石墨烯中固有载流子的迁移率；另外，制备的BN薄膜与Al2O3薄膜共同构成新型的栅介质结构，BN薄膜具有较好的绝缘性、导热性和化学稳定性，可极大地降低石墨烯和Al2O3界面之间产生的电荷陷阱及缺陷，从而保持石墨烯较高的载流子迁移率。
附图说明
图1~10a显示为本发明的基于栅介质结构的石墨烯场效应器件的制备工艺流程示意图。其中，
图1为本发明衬底结构示意图。
图2为衬底上栅电极沟槽形成后的结构示意图。
图3为衬底表面沉积金属Al材料后的结构示意图。
图4a为抛光栅电极沟槽外金属Al材料后的结构的主视图。
图4b为抛光栅电极沟槽外金属Al材料后的结构的俯视图。
图5a为形成Al2O3薄膜并刻蚀后的结构的主视图。
图5b为形成Al2O3薄膜后的结构的俯视图。
图5c为刻蚀Al2O3露出栅电极后的结构的俯视图。
图6为生长BN薄膜后的结构示意图。
图7a为BN薄膜刻蚀后的结构的主视图。
图7b为BN薄膜刻蚀后的结构的俯视图。
图8为石墨烯转移后的结构示意图。
图9a为石墨烯刻蚀后的结构的主视图。
图9b为石墨烯刻蚀后的结构的俯视图。
图10a为源、漏电极形成后的结构的主视图。
图10b为源、漏电极形成后的结构的俯视图。
元件标号说明
Figure BDA0000241383801
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种栅介质结构的石墨烯场效应器件的制备方法，其包括栅电极的制备工艺、新型栅介质结构的制备工艺、石墨烯的制备工艺及转移工艺、石墨烯的刻蚀工艺以及源电极和漏电极的制备工艺。其具体包括如下步骤：
（1）提供一衬底1，刻蚀所述衬底1形成栅电极沟槽11。
请参阅图1和图2。具体的，采用EBL电子束曝光系统将栅电极及对准标记图形转移到衬底上1，随后采用反应离子系统刻蚀衬底1，形成具有栅电极及对准标记结构的沟槽11。对准标记工艺属于本领域的公知常识，在此不再赘述。
所述衬底1包括但不限于Si、SiO2、SiO2/Si、GaAs等，本实施例中，优选为SiO2/Si衬底。在此步骤中还包括衬底1的清洗步骤，本实施例中采用标准RCA工艺清洗所述SiO2/Si衬底。
（2）在所述衬底1表面沉积金属Al材料2，并使所述金属Al材料2填充于所述栅电极沟槽11。
沉积金属薄膜的方式包括溅射系统、热蒸发或者电子束蒸发等，本实施例优选为采用溅射工艺沉积金属Al材料2，如图3所示。
（3）采用抛光工艺抛除所述栅电极沟槽11外的金属Al材料2，使所述衬底1表面与栅电极沟槽11内金属Al材料2表面齐平，所述沟槽11内的金属Al材料2为栅电极3。
所述栅电极3可以是单栅、双栅或多栅。作为一种优选的结构，本实施例采用双栅电极，如图4a和4b所示。
（4）通入O2使所述金属Al材料2表面氧化，形成致密的Al2O3介电薄膜层4，刻蚀所述Al2O3介电薄膜层4，露出部分金属Al作为栅电极3接触。
请参阅图5a、5b，首先采用通入使金属Al表面自然氧化的方法，获得氧化层Al2O3作为栅介电薄膜，所形成的氧化物具有高介电常数且结构致密均匀。所述Al2O3介电薄膜层4的厚度为1~10nm，在400℃以下即可形成具有较好质量的Al2O3介电薄膜4。接着采用图形化技术EBL或者光刻在Al2O3介电薄膜层4上形成刻蚀窗口，并采用干法或湿法刻蚀工艺对Al2O3介电薄膜层4进行刻蚀，露出部分金属Al作为栅接触电极3，如图5c所示。
（5）采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺在步骤4）的结构表面制备BN薄膜层5，刻蚀所述BN薄膜层5，露出栅电极4。
如图6、7a、7b所示，采用PECVD的方法制备BN薄膜层5，然后采用图形化技术EBL或者光刻在BN薄膜层5上形成刻蚀窗口，并采用离子束刻蚀系统刻蚀BN薄膜层5，露出部分栅接触电极3。所述BN薄膜层5为立方BN薄膜，以立方BN微晶为主。所述BN薄膜层5与步骤（3）中氧化形成的Al2O3介电薄膜层4共同构成新型的栅介质结构。
（6）在所述BN薄膜层5表面形成石墨烯6，刻蚀所述石墨烯6形成导电沟道。
本实施例中，所述石墨烯6制备及转移工艺的具体实施方案为：采用化学气相沉积（CVD）工艺在一抛光的基底上生长单层高质量石墨烯6，所述基底包括但不限于Cu、Ni或Pt片；在所述石墨烯6上均匀涂覆聚合胶，将具有所述石墨烯6和聚合胶的基底放入FeCl3溶液中，腐蚀掉基底后转移附着有聚合胶的石墨烯6至所述BN薄膜层5表面，丙酮去除聚合胶并进行退火处理，形成所述石墨烯6后的器件结构如图8所示。
所述石墨烯6刻蚀工艺，其目的在于定义石墨烯6器件的有效区域，形成器件导电沟道，请参阅图9a和9b所示，石墨烯6刻蚀图形化的具体实施方案为：采用光刻将石墨烯6版图结构图形转移到光刻胶上，形成刻蚀窗口；通过RIE反应离子刻蚀系统，刻蚀掉没有被光刻胶保护的石墨烯6材料；丙酮去胶，形成石墨烯6导电沟道的有效区域。
（7）在所述石墨烯6表面制备形成源电极7和漏电极8，形成基于Al2O3-BN新型栅介质结构的石墨烯6场效应器件结构，其中，所述源电极7和漏电极8分别与石墨烯6电性连接。
所述源电极7和漏电极8区域的定义，其目的在于实现源电极7和漏电极8金属接触，请参阅图10a和10b，其具体实施方案为：采用EBL自动对准曝光系统，在石墨烯6图形阵列上实现源电极7和漏电极8图形阵列精确对准，随后沉积金属并剥离去胶，形成源电极7和漏电极8。
以上涉及到的图形化工艺步骤，其特征在于光刻及EBL曝光的图形均为阵列化的图形，可以在一次流片的过程中制备多个石墨烯6场效应管的阵列，便于大规模石墨烯基的集成电路的制造。
由上可见，所制备形成的栅介质结构的石墨烯场效应器件至少包括：具有栅电极沟槽11的衬底1；形成于所述栅电极沟槽11中的栅电极3；Al2O3介电薄膜层4，位于所述栅电极沟槽11中的栅电极3表面，且Al2O3介电薄膜层4表面与衬底1表面齐平；覆盖于所述Al2O3介电薄膜层4和衬底1表面的BN薄膜层5；形成于所述BN薄膜层5上方的石墨烯6；设置在所述石墨烯6上方的源电极7和漏电极8，所述源电极7和漏电极8分别与石墨烯6电性连接。
综上所述，本发明提供一种栅介质结构的石墨烯场效应器件极其制备方法，采用金属栅电极-栅氧化物一体化的制备工艺步骤，制备了Al栅电极及栅氧化物Al2O3，自然氧化形成的Al2O3栅介质薄膜质量好、介电性能高，能有效利用石墨烯中固有载流子的迁移率；另外，制备的BN薄膜与Al2O3薄膜共同构成新型的栅介质结构，BN薄膜具有较好的绝缘性、导热性和化学稳定性，其表面粗糙度极小，采用BN作为栅氧化层与石墨烯间的缓冲层，可极大地降低石墨烯和Al2O3界面之间产生的电荷杂质及缺陷，并降低栅介质薄膜表面粗糙度引起的石墨烯中载流子的散射，从而保持石墨烯较高的载流子迁移率，同时BN良好的绝缘性可以防止栅电极漏电流的产生。本发明提供的制备方法与传统CMOS制造工艺兼容，简化了器件的制备工艺，有利于提高器件的性能。该发明适用于石墨烯基电子器件及大规模碳基集成电路的加工制造工艺。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种基于栅介质结构的石墨烯场效应器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：
1）提供一衬底，刻蚀所述衬底形成栅电极沟槽；
2）在所述衬底表面沉积金属Al材料，并使所述金属Al材料填充于所述栅电极沟槽；
3）采用抛光工艺抛除所述栅电极沟槽外的金属Al材料，使所述衬底表面与栅电极沟槽内金属Al材料表面齐平，所述沟槽内的金属Al材料为栅电极；
4）通入O2使所述金属Al材料表面氧化，形成致密的Al2O3介电薄膜层，刻蚀所述Al2O3介电薄膜层，露出部分金属Al作为栅电极接触；
5）采用等离子体增强化学气相沉积工艺在步骤4）的结构表面制备BN薄膜层，刻蚀所述BN薄膜层，露出栅电极；
6）在所述BN薄膜层表面形成石墨烯，刻蚀所述石墨烯形成导电沟道。
7）在所述石墨烯表面制备形成源电极和漏电极，形成基于Al2O3-BN新型栅介质结构的石墨烯场效应器件结构，其中，所述源电极和漏电极分别与石墨烯电性连接。
2.根据权利要求1所述的基于栅介质结构的石墨烯场效应器件的制备方法，其特征在于：在步骤1）中包括衬底的清洗步骤。
3.根据权利要求1所述的基于栅介质结构的石墨烯场效应器件的制备方法，其特征在于，在步骤6）包括有石墨烯生长和转移工艺，包括：
采用化学气相沉积工艺在一抛光的基底上生长单层石墨烯；
在所述石墨烯上均匀涂覆聚合胶，将具有所述石墨烯和聚合胶的基底放入溶液中，腐蚀掉基底后转移附着有聚合胶的石墨烯至所述BN薄膜层表面，丙酮去除聚合胶并进行退火处理。
4.根据权利要求3所述的基于栅介质结构的石墨烯场效应器件的制备方法，其特征在于：所述基底包括Cu、Ni或Pt片。
5.根据权利要求1所述的基于栅介质结构的石墨烯场效应器件的制备方法，其特征在于：所述Al2O3介电薄膜层和BN薄膜层共同构成新型的栅介质结构。
6.根据权利要求1或5所述的基于栅介质结构的石墨烯场效应器件的制备方法，其特征在于：所述BN薄膜为立方微晶结构。
7.根据权利要求1或5所述的基于栅介质结构的石墨烯场效应器件的制备方法，其特征在于：所述Al2O3介电薄膜层的厚度为1~10nm。
8.根据权利要求1所述的基于栅介质结构的石墨烯场效应器件的制备方法，其特征在于：氧化形成所述Al2O3介电薄膜层的温度为低于400℃。
9.根据权利要求1所述的基于栅介质结构的石墨烯场效应器件的制备方法，其特征在于：所述栅电极包括单栅、双栅或多栅结构。
10.一种基于栅介质结构的石墨烯场效应器件，其特征在于：所述场效应器件至少包括：
衬底，具有栅电极沟槽；
栅电极，形成于所述栅电极沟槽中；
Al2O3介电薄膜层，位于所述栅电极沟槽中的栅电极表面，且Al2O3介电薄膜层表面与衬底表面齐平；
BN薄膜层，覆盖于所述Al2O3介电薄膜层和衬底表面；
石墨烯，形成于所述BN薄膜层的上方；
源电极和漏电极，设置在所述石墨烯的上方，所述源电极和漏电极分别与石墨烯电性连接。
11.根据权利要求10所述的基于栅介质结构的石墨烯场效应器件，其特征在于：所述Al2O3介电薄膜层和BN薄膜层共同构成新型的栅介质结构。
12.根据权利要求10或11所述的基于栅介质结构的石墨烯场效应器件，其特征在于：所述BN薄膜为立方微晶结构。
13.根据权利要求10或11所述的基于栅介质结构的石墨烯场效应器件，其特征在于：所述Al2O3介电薄膜层的厚度为1~10nm。
14.根据权利要求10所述的基于栅介质结构的石墨烯场效应器件，其特征在于：所述栅电极包括单栅、双栅或多栅结构。
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