CN102981060B - 石墨烯量子电容测试器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯量子电容测试器件及其制备方法。该方法包括：在衬底上形成栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形；在衬底上形成栅电极图形、源电极图形和漏电极图形，分别与该栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形接触；在栅电极图形上形成栅介质层图形；在栅介质层图形、源电极图形和漏电极图形上形成石墨烯层图形；以及在石墨烯层图形上对应源电极图形和漏电极图形分别形成欧姆接触层图形。本发明的石墨烯量子电容测试器件及其制备方法可提高石墨烯量子电容的测量精度。

Description

石墨烯量子电容测试器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及量子电容测试器件，尤其涉及一种石墨烯量子电容测试器件及其制备方法。

背景技术

由碳原子构成的单层片状结构的二维材料，例如石墨烯，因其超高的本征载流子迁移率、超高的强场漂移速度和极高的电流承载能力，因此可用来制备具有更小尺寸和更快导电速度的新一代半导体器件。

现有的基于石墨烯的量子电容测试器件，包括衬底，衬底上形成有石墨烯、石墨烯作为半导体器件的沟道材料，其上依次形成有源/漏电极、栅介质(栅氧化层)和栅电极。

可见，石墨烯的量子电容Cq和栅氧化层的电容Cox是串联结构，其总电容Ctotal为：

$\mathrm{Ctotal}=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{Cq}}+\frac{1}{\mathrm{Cox}}}$

由于石墨烯表面没有悬挂键和亲水基团，无法直接ALD(原子层沉积)，而先沉积金属再氧化的方法导致增大了栅氧化层的EOT(等效氧化层厚度)；同时，由于能带结构的不同，Fowler-Nordheim(福勒-诺得海姆)遂穿明显大于硅半导体器件，栅介质的物理厚度需要非常大。因此，采用现有的上述结构时，栅氧化层的物理厚度较大，电容Cox较小，而石墨烯的量子电容Cq本身就非常大，因此测量得到的总电容主要由栅氧化层的电容Cox决定，导致得出的石墨烯的量子电容Cq不够精确。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的一个主要目的在于提供一种能够提高石墨烯量子电容测量精度的石墨烯量子电容测试器件及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种石墨烯量子电容测试器件，包括：

衬底；

衬底上形成有栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形；

衬底上还形成有栅电极图形、源电极图形和漏电极图形，分别与栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形相接触；

栅电极图形上形成有栅介质层图形；

栅介质层图形、源电极图形和漏电极图形上形成有石墨烯层图形；以及

石墨烯层图形上对应源电极图形和漏电极图形分别形成有欧姆接触层图形。

为实现上述目的，本发明还提供了一种石墨烯量子电容测试器件的制备方法，包括：

引线图形形成步骤：在衬底上形成栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形；

电极图形形成步骤：在衬底上形成栅电极图形、源电极图形和漏电极图形，栅电极图形、源电极图形和漏电极图形分别与栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形相接触；

栅介质层图形形成步骤：在栅电极图形上形成栅介质层图形；

石墨烯层图形形成步骤：在栅介质层图形、源电极图形和漏电极图形上形成石墨烯层图形；以及

欧姆接触层图形形成步骤：在石墨烯层图形上对应源电极图形和漏电极图形分别形成欧姆接触层图形。

本发明的石墨烯量子电容测试器件及其制备方法自下而上形成有栅源漏电极图形、栅介质层图形、在栅介质层图形上设置石墨烯，避免了在石墨烯上形成栅氧化层然后形成电极图形，有效地保证了石墨烯的本征特性不受破坏，同时避免了增大栅介质层的等效氧化层厚度，可以将栅介质层做地极薄，增大其电容，使得测量的总电容中石墨烯的量子电容所占比重增大，因此测量石墨烯量子电容的精确性提高。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为本发明的石墨烯量子电容测试器件的一种实施例的结构示意图。

图2为本发明的石墨烯量子电容测试器件的制备方法的一种实施例的流程图。

图2A为图2中的金属引线图形形成步骤的流程图。

图2B为图2中的电极图形形成步骤的流程图。

图2C为图2中的栅介质层图形形成步骤的流程图。

图2D为图2中的石墨烯层图形形成步骤的流程图。

图2E为图2中的欧姆接触层图形形成步骤的流程图。

图3A-1至图3A-2为本发明形成金属引线图形的工艺结构示意图。

图3B-1至图3-B2为本发明形成电极图形工艺结构示意图。

图3C-1至图3C-2为本发明形成栅介质层图形的工艺结构示意图。

图3D-1至图3D-2为本发明形成石墨烯层图形的工艺结构示意图。

图3E为本发明形成欧姆接触层图形的工艺结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

本发明提供了一种石墨烯量子电容测试器件，包括：

衬底；

衬底上形成有栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形；

衬底上还形成有栅电极图形、源电极图形和漏电极图形，分别与栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形相接触；

栅电极图形上形成有栅介质层图形；

栅介质层图形、源电极图形和漏电极图形上形成有石墨烯层图形；以及

石墨烯层图形上对应源电极图形和漏电极图形分别形成有欧姆接触层图形。

可选地，栅介质层图形的等效氧化层厚度小于2纳米。

可选地，栅介质层的材料为钛氧化物、钇氧化物、镧氧化物、铪氧化物或氮氧化铪硅。

可选地，栅电极图形、源电极图形和漏电极图形的材料为钛或者钛与氮化钛的合金

参考图1，本发明的石墨烯量子电容测试器件的一种实施例包括衬底112，衬底112可为通过热氧化在硅材料上形成一定厚度的二氧化硅构成，例如，硅材料的厚度可为400微米，二氧化硅的厚度可为0.7-1微米。

衬底112上形成有栅电极引线图形(图中未示出)、源电极引线图形和漏电极引线图形，其中源电极引线图形和漏电极引线图形分别为图1所示的两个引线图形114。、栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形的材料可为，例如铝。

衬底112上，位于源电极引线图形和漏电极引线图形之间的位置形成有栅电极图形116a、源电极图形116b和漏电极图形116c，栅电极图形116a形成在源电极图形116b和漏电极图形116c之间，源电极116b和漏电极116c远离栅电极图形116a的一端分别与该源电极引线图形和漏电极引线图形相接触。

本实施例中，栅电极图形116a、源电极图形116b和漏电极图形116c的材料可均为钛，或者均为钛和氮化钛的合金。

栅电极图形116上形成有栅介质图形118，栅介质图形118可为高介电常数栅介质，可为但不限于以下几种材料：铝氧化物(例如Al₂O₃)、钇氧化物(例如Y₂O₃)、镧氧化物(例如La₂O₃)、铪氧化物(例如HfO₂)、氮氧化铪硅(HfSiON)等。

栅介质图形118、源电极图形116b和漏电极图形116c上形成有石墨烯层图形120。石墨烯层图形120可包括位于栅介质层图形118上的沟道区域以及位于源电极图形116b和漏电极图形116c上的源/漏区域。

石墨烯层图形120上相对于源电极图形116b和漏电极图形116c分别形成有欧姆接触层图形122b和122c。

本实施例中，由于避免了直接在衬底上铺设石墨烯，在石墨烯上生长栅介质层，最大限度地减小对石墨烯的破坏，同时栅介质图形118可以具有较薄的厚度，本实施例中，栅介质图形118的等效氧化层厚度小于2纳米，具体地，可达到1.5纳米。

测试电容时，栅电极引线图形用于连接电压信号，源电极引线图形和漏电极引线图形用于接地。测试的电容为总电容Ctotal：

$\mathrm{Ctotal}=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{Cq}}+\frac{1}{\mathrm{Cox}}}$

其中Cq为石墨烯的量子电容，Cox为栅介质的电容，由于栅介质图形118的厚度可达到例如1.5纳米，大大增大其电容，使得石墨烯的量子电容所占的比重增大，精确度提高。

参考图2，本发明还提供了一种石墨烯量子电容器件的制备方法，其一种实施方式包括：

金属引线图形形成步骤S21：在衬底上形成栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形。执行本步骤可形成如图3A-2所示的结构，其中，衬底312上形成有源电极引线图形314b和漏电极引线图形314c，由于是剖面图，栅电极引线图形在图中未示出。

电极图形形成步骤S22：在衬底上形成栅电极图形、源电极图形和漏电极图形分别与栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形相接触。执行本步骤可形成如图3B-2所示的结构，其中，在源电极引线图形314b和漏电极引线图形314c之间形成有栅电极图形316a、源电极图形316b和漏电极图形316c，源电极图形316b和漏电极图形316c的一端分别与源电极引线图形314b和漏电极引线图形314c相接触。

栅介质层图形形成步骤S23：在形成栅电极图形、源电极图形和漏电极图形的器件的表面形成栅介质层图形。执行本步骤可形成如图3C-2所示的结构，其中，器件表面形成有栅介质层图形318。

石墨烯层图形形成步骤S24：在栅介质层图形、源电极图形和漏电极图形上形成石墨烯层图形。执行本步骤可形成如图3D所示的结构，其中，在栅介质层图形318、源电极图形316b和漏电极图形316c上形成有石墨烯层图形320，石墨烯层图形320包括位于栅介质层图形318上的沟道区域以及位于源电极图形316b和漏电极图形316c上的源/漏区域。

欧姆接触层图形形成步骤S25：在石墨烯层图形上对应源电极图形和漏电极图形分别形成欧姆接触层图形。执行本步骤可形成如图3E所示的结构，其中，石墨烯层图形320上形成相对的两个欧姆接触层图形322b和322c，分别位于源电极图形316b和漏电极图形316c的上方。

参考图2A、图3A-1和图3A-2，金属引线图形形成步骤S21具体包括以下步骤：

步骤S211：在衬底上溅射引线金属层，执行本步骤可形成如图3A-1所示的结构，其中衬底312上溅射有引线金属层314，例如铝。

步骤S212：在引线金属层上沉积抗反射层(图中未示出)。

步骤S213：对具有抗反射层的引线金属层进行光刻和刻蚀以形成栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形。本步骤可采用光学光刻进行均匀的大面积光刻，例如，采用步进光刻或接触式光刻。执行本步骤可形成如图3A-2所示的结构，通过对引线金属层314进行光刻和刻蚀，在衬底312上形成栅电极引线图形(图中未示出)、源电极引线图形314b和漏电极引线图形314c。

参考图2B和图3B-1至图3B-2，电极图形形成步骤S22具体可包括以下步骤：

步骤S221：在形成上述栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形的器件表面溅射电极金属层。执行本步骤可形成如图3B-1所示的结构，其中在如图3A-2所示的器件表面溅射有电极金属层316，例如钛或钛与氮化钛的合金。具体地，可先溅射一层钛，再溅射一层氮化钛。钛的厚度可为例如95-100纳米，氮化钛的厚度可为例如25-30纳米。

步骤S222：对电极金属层进行光刻和刻蚀，以在衬底上同时形成栅电极图形、源电极图形和漏电极图形。本步骤可采用如接触式光刻或步进光刻技术对电极金属进行光刻。执行本步骤可形成如图3B-2所示的结构，其中在源电极引线图形314b和漏电极引线图形314c之间形成栅电极图形316a、源电极图形316b和漏电极图形316c。

参考图2C、图3C-1和图3C-2，栅介质层图形形成步骤S23具体可包括以下步骤：

步骤S231：在形成栅电极图形、源电极图形和漏电极图形的器件表面形成介质层。执行本步骤可形成如图3C-1所示的结构，其中，在图3B-2所示的器件表面生长有介质层(图中未标注)。

步骤S232：对该介质层进行光刻及刻蚀以去除源电极图形和漏电极图形上的介质层，形成该栅介质层图形。本步骤可采用例如步进光刻或接触式光刻实现。执行本步骤可形成如图3C-2所示的结构，其中源电极图形316b和漏电极图形316c上的介质被去除，形成栅介质层图形318。

参考图2D和图3D-2，石墨烯层图形形成步骤24具体可包括以下步骤：

步骤S241：在形成上述栅介质层图形的器件的表面形成石墨烯层。执行本步骤形成如图3D-1所示的结构。其中在图3C-2所示的器件表面上形成石墨烯层(图中未标注)。

步骤S242：将形成该石墨烯层之后的器件(图3D-1所示的器件)放置到一密封容器中，对该密封容器抽真空至预定真空度，在预定时长之后将其从密封容器中取出；本步骤用于增强石墨烯层和栅介质层图形318、源电极图形316b和漏电极图形316c之间接触的紧密性。

步骤S243：对该石墨烯层进行光刻以在石墨烯层上定义石墨烯层图形。本步骤可采用例如接触式光刻来实现。

步骤S244对石墨烯层进行氧等离子刻蚀以去除石墨烯层的石墨烯层图形外的部分，形成该石墨烯层图形。执行本步骤形成如图3D-2所示的结构。其中对石墨烯层进行图形化后形成石墨烯层图形320。

参考图2E和3E，欧姆接触层图形形成步骤S25具体可包括以下步骤：

步骤S251：在形成石墨烯层图形的器件的表面形成接触金属层。执行本步骤可在图3D-2所示的器件的表面形成一层接触金属(图中未标注)。

步骤S252：对接触金属层进行光刻及刻蚀以对应源电极图形和漏电极图形分别形成欧姆接触层图形。本步骤可采用例如接触式光刻或步进光刻来实现。执行本步骤可形成如图3E所示的结构，其中，石墨烯层图形320上形成相对的欧姆接触层图形322b和322c，分别位于源电极图形316b和漏电极图形316c的上方。

本发明的石墨烯量子电容测试器件中，石墨烯在形成栅源漏电极以及栅介质之上，避免了在石墨烯上形成栅氧化层然后形成电极图形，有效地保证了石墨烯的本征特性不受破坏，同时避免了增大栅介质层的等效氧化层厚度，可以将栅介质层做地极薄，其电容更接近石墨烯量子电容，使得石墨烯的量子电容在总电容中所占比重增大，因此测量石墨烯量子电容的精确性提高。

在本发明的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (9)

1.一种石墨烯量子电容测试器件，其特征在于，包括：

衬底，

所述衬底上形成有栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形；

所述衬底上还形成有栅电极图形、源电极图形和漏电极图形，分别与所述栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形相接触；

所述栅电极图形上形成有栅介质层图形；

所述栅介质层图形、源电极图形和漏电极图形上形成有石墨烯层图形；以及

所述石墨烯层图形上对应所述源电极图形和漏电极图形分别形成有欧姆接触层图形。

2.根据权利要求1所述的石墨烯量子电容测试器件，其特征在于，所述栅介质层图形中栅介质层的等效氧化层厚度小于2纳米。

3.根据权利要求1所述的石墨烯量子电容测试器件，其特征在于，所述栅电极图形、源电极图形和漏电极图形的材料为钛或者钛与氮化钛的合金。

4.根据权利要求1-3任一项所述的石墨烯量子电容测试器件，其特征在于，所述栅介质层图形中栅介质层的材料为钛氧化物、钇氧化物、镧氧化物、铪氧化物或氮氧化铪硅。

5.一种石墨烯量子电容器件的制备方法，其特征在于，包括：

引线图形形成步骤：在衬底上形成栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形；

电极图形形成步骤：在所述衬底上形成栅电极图形、源电极图形和漏电极图形，所述栅电极图形、源电极图形和漏电极图形分别与栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形相接触；

栅介质层图形形成步骤：在所述栅电极图形上形成栅介质层图形；

石墨烯层图形形成步骤：在所述栅介质层图形、源电极图形和漏电极图形上形成石墨烯层图形；以及

欧姆接触层图形形成步骤：在所述石墨烯层图形上对应所述源电极图形和漏电极图形分别形成欧姆接触层图形。

6.根据权利要求5所述的石墨烯量子电容器件的制备方法，其特征在于，所述引线图形形成步骤包括：

在所述衬底上溅射引线金属层；

在所述引线金属层上沉积抗反射层；以及

对具有抗反射层的引线金属层进行光刻及刻蚀以形成所述栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形。

7.根据权利要求5或6所述的石墨烯量子电容器件的制备方法，其特征在于，电极图形形成步骤中包括：

在形成所述栅电极引线图形、源电极引线图形和漏电极引线图形的器件的表面溅射电极金属层；

对所述电极金属层进行光刻及刻蚀，以在所述衬底上同时形成所述栅电极图形、源电极图形和漏电极图形。

8.根据权利要求5或6所述的石墨烯量子电容器件的制备方法，其特征在于，所述栅介质层图形形成步骤包括：

在形成所述栅电极图形、源电极图形和漏电极图形的器件的表面形成介质层；

对所述介质层进行光刻及刻蚀以去除所述源电极图形和漏电极图形上的介质层，形成所述栅介质层图形。

9.根据权利要求5或6所述的石墨烯量子电容器件的制备方法，其特征在于，所述石墨烯层图形形成步骤包括：

在形成所述栅介质层图形的器件的表面形成石墨烯层；

将形成所述石墨烯层之后的器件放置到一密封容器中，对所述密封容器抽真空至预定真空度，在预定时长之后将其从所述密封容器中取出；

对所述石墨烯层进行接触式光刻以在所述石墨烯层上定义石墨烯层图形；

对所述石墨烯层进行氧等离子刻蚀以去除所述石墨烯层的石墨烯形层图形外的部分，形成所述石墨烯层图形。