CN103311276B - 一种自对准石墨烯场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自对准石墨烯场效应晶体管及其制备方法，该自对准石墨烯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、栅金属和自对准金属，其中，绝缘层形成于半导体衬底上，导电沟道形成于绝缘体上，导电沟道由石墨烯构成，源电极和漏电极分别形成于导电通道的两侧，栅介质层选择性沉积在源电极和漏电极之间的导电沟道上，栅金属形成于栅介质层之上，栅介质层与栅金属同时图形化堆砌在一起形成栅堆积层，对沟道区载流子浓度进行调控；自对准金属层覆盖源电极、漏电极、导电通道以及栅金属之上，减小未被栅条覆盖区域面积，实现器件栅与源漏的自对准。
Description
技术领域
本发明属于场效应晶体管制造技术领域，具体涉及一种自对准石墨烯场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
以碳材料为基础的纳米电子学，尤其是石墨烯(Graphene)材料，由于其较高的载流子迁移率和饱和速度，及其二维平面结构可与传统的Si工艺集成，被认为具有极大的应用前景，被认为是可替代硅的下一代集成电路新材料。自从2004年石墨烯被成功研制以来，石墨烯器件的研究取得了巨大进展。基于石墨烯的微纳电子器件具有尺寸小、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。
石墨烯场效应晶体管近年来发展十分迅速，器件的截止频率已经达到了300GHz，但是其频率特性的进一步提高却受到了多方面因素的限制，其中一个重要因素就是通路区电阻过大。它对器件频率特性的影响随着栅长的减小而更加明显。
在石墨烯场效应晶体管中，为了减小栅与源漏电极之间的寄生电容，栅源与栅漏之间需要留出一定的通路区，由于石墨烯为单原子层结构，因此本身方块电阻很大。此外，由于通路区的石墨烯不受栅极电压的调控，费米能级靠近狄拉克点附近，电子能态密度较低，也会产生较大电阻。在传统硅基场效应晶体管中，通路区电阻可以通过掺杂的方式减小，但是这在石墨烯场效应晶体管中并不适用，因为石墨烯是二维结构，直接掺杂会破坏石墨烯的完整晶格给器件特性带来不利影响。
因此，开发自对准工艺来尽可能减小石墨烯场效应晶体管的通路区就成为了研究的重点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种自对准石墨烯场效应晶体管及其制备方法，以减小器件的通路电阻，提高器件直流和频率特性。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种自对准石墨烯场效应晶体管，该自对准石墨烯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15、栅金属16和自对准金属17，其中，绝缘层11形成于半导体衬底10上，导电沟道12形成于绝缘层上，导电沟道12由石墨烯构成，源电极13和漏电极14分别形成于导电通道12的两侧，栅介质层15选择性沉积在源电极13和漏电极14之间的导电沟道12上，栅金属16形成于栅介质层15之上，栅介质层15与栅金属16同时图形化堆砌在一起形成栅堆积层，对沟道区载流子浓度进行调控；自对准金属17覆盖源电极13、漏电极14、导电通道12以及栅金属16之上，减小未被栅条覆盖区域面积，实现器件栅与源漏的自对准。
上述方案中，所述栅介质层15为活泼金属铝或钇，随后通过氧化的方法形成；或者所述栅介质层15由原子层沉积的金属氧化物层氧化铝、氧化锆或氧化铪形成。
上述方案中，所述栅介质层15的厚度在10纳米～50纳米之间。
上述方案中，所述自对准金属17采用钛、金、铬、钯或铂等金属。
上述方案中，所述自对准金属层的厚度小于介质层的厚度，在2纳米～20纳米之间。
为达到上述目的，本发明还提供了一种制备自对准石墨烯场效应晶体管的方法，该方法包括：
步骤S11：在半导体衬底上依次形成绝缘层和石墨烯导电沟道层，并在石墨烯导电沟道层上形成源电极和漏电极；
步骤S12：在源电极和漏电极之间的石墨烯导电沟道层上旋涂光刻胶，对该光刻胶进行曝光和显影，形成栅图形区；
步骤S13：在栅图形区选择性沉积活泼金属随后进行氧化处理，或者在栅图形区利用原子层沉积技术选择性低温沉积金属氧化物层，形成栅介质层；
步骤S14：在栅介质层上电子束蒸发栅金属；
步骤S15：剥离去除光刻胶和多余栅金属，并去除沟道区其它部位残胶；
步骤S16：在源电极13、漏电极14、导电通道12以及栅金属16之上电子束蒸发形成自对准金属层，且自对准金属层的厚度小于栅介质层的厚度。
上述方案中，步骤S12中所述光刻胶为正胶9912、翻转胶AZ5214、电子束胶PMMA、MMA、UVIII或ZEP胶。步骤S12中所述显影采用的显影液，对于正胶9912采用的显影液为CD26，对于翻转胶采用的显影液为AZ显影液，对于电子束胶采用的显影液为邻二甲苯或N50。
上述方案中，步骤S13中所述活泼金属是易被氧化的金属铝或钇，对活泼金属进行氧化处理包括：热板加热在空气中氧化，用RIE或Matrix产生的氧等离子体氧化，用氧紫外线的UV进行氧化，或者利用ALD腔体中的臭氧源进行氧化。
上述方案中，步骤S13中所述在栅图形区利用原子层沉积技术(ALD)选择性低温沉积金属氧化物层，该金属氧化物层为氧化铝或氧化铪。
当该金属氧化物层为氧化铝时，该沉积过程具体包括：步骤3a：用O3和三甲基铝为源在25℃～60℃温度范围内生长3～20个周期的氧化铝作为种子层；步骤3b：再用H2O和三甲基铝为源或O3和三甲基铝为源在90℃～110℃生长75～250个周期的氧化铝；步骤3c：在N2气氛保护下在230℃～300℃快速退火，时间为10秒～3分钟。
当该金属氧化物层为氧化铪时，是在90℃～110℃范围内用H2O和Hf(NMe2)4作为源沉积75～250个周期的氧化铪。
上述方案中，步骤S15中所述剥离是采用丙酮、N-甲基吡咯烷酮或ZEP胶去胶液，加热浸泡去除沟道其它部分残胶。步骤S15中所述剥离采用丙酮时，是将样品浸泡在热丙酮中30分钟，除栅图形区域以外的栅介质和金属都随光刻胶的溶解而脱落。
上述方案中，步骤S16中所述自对准金属层采用钛、金、铬、钯或铂等金属，覆盖源极、漏极、栅堆积层和其它未被栅覆盖的沟道区，厚度小于栅介质的厚度，在2纳米～20纳米之间。
(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、本发明提供的自对准石墨烯场效应晶体管及其制备方法，采用光刻胶作为图形化掩膜，实现了栅介质在沟道区的选择性生长与覆盖，并可有效隔离自对准金属层；
2、本发明提供的自对准石墨烯场效应晶体管及其制备方法，采用电子束蒸发活泼金属随后氧化或者低温下ALD生长金属氧化物为栅介质，避免了上述光刻胶的挥发；
3、本发明提供的自对准石墨烯场效应晶体管及其制备方法，利用自对准金属层覆盖通路区，大大减小了器件的通路电阻，确保器件获得良好的直流和射频性能；
4、本发明提供的自对准石墨烯场效应晶体管及其制备方法，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是依照本发明实施例的自对准石墨烯场效应晶体管的示意图；
图2是依照本发明实施例的制备图1所示的自对准石墨烯场效应晶体管的方法流程图；
图3至图8是依照本发明实施例的制备自对准石墨烯场效应晶体管的工艺流程图。
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。
如图1所示，图1是依照本发明实施例的自对准石墨烯场效应晶体管的示意图，该自对准石墨烯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15、栅金属16和自对准金属17。其中，绝缘层11形成于半导体衬底10上，导电沟道12形成于绝缘层11上，导电沟道12由石墨烯构成，源电极13和漏电极14分别形成于导电通道12的两侧，栅介质层15选择性沉积在源电极13和漏电极14之间的导电沟道12上，栅金属16形成于栅介质层15之上，栅介质层15与栅金属16同时图形化堆砌在一起形成栅堆积层，对沟道区载流子浓度进行调控。自对准金属17覆盖源电极13、漏电极14、导电通道12以及栅金属16之上，即自对准金属17覆盖整个有源区，减小未被栅条覆盖区域面积，实现器件栅与源漏的自对准。
图1中，栅介质层15为电子束蒸发铝、钇等活泼金属，随后通过氧化的方法构成；或者可由原子层沉积氧化铝、氧化锆、氧化铪等金属氧化物层构成。栅介质层15的厚度在10纳米～50纳米。
自对准金属17可采用钛、金、铬、钯或铂等金属，自对准金属层厚度要小于介质层厚度，在2纳米～20纳米。
图2是依照本发明实施例的制备图1所示的自对准石墨烯场效应晶体管的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤S11：在半导体衬底上依次形成绝缘层和石墨烯导电沟道层，并在石墨烯导电沟道层上形成源电极和漏电极；
步骤S12：在源电极和漏电极之间的石墨烯导电沟道层上旋涂光刻胶，对该光刻胶进行曝光和显影，形成栅图形区；
步骤S13：在栅图形区选择性沉积活泼金属随后进行氧化处理，或者在栅图形区利用原子层沉积技术(ALD)选择性低温沉积金属氧化物层，形成栅介质层；
步骤S14：在栅介质层上电子束蒸发栅金属；
步骤S15：剥离去除光刻胶和多余栅金属，并去除沟道区其它部位残胶；
步骤S16：在源电极13、漏电极14、导电通道12以及栅金属16之上电子束蒸发形成自对准金属层，且自对准金属层的厚度小于栅介质层的厚度。
其中，步骤S12中所述光刻胶可为正胶9912、翻转胶AZ5214、电子束胶PMMA、MMA、UVIII和ZEP胶等，所述显影采用的显影液，正胶9912为CD26，翻转胶为AZ显影液，电子束胶为邻二甲苯或N50。
步骤S13中所述活泼金属可以是铝、钇等易被氧化的金属，对活泼金属进行氧化处理可选择不同的手段，例如：热板加热在空气中氧化，用RIE或Matrix产生的氧等离子体氧化，用氧紫外线的UV进行氧化，利用ALD腔体中的臭氧源进行氧化。
步骤S13中所述在栅图形区利用原子层沉积技术(ALD)选择性低温沉积金属氧化物层，该金属氧化物层可以为氧化铝或氧化铪，当该金属氧化物层为氧化铝时，该沉积过程具体包括：
步骤3a：用O3和三甲基铝为源在25℃～60℃温度范围内生长3～20个周期的氧化铝做为种子层；
步骤3b：再用H2O和三甲基铝为源或O3和三甲基铝为源在90℃～110℃生长75～250个周期的氧化铝，低温生长氧化铝目的是保证光刻胶不会在此过程中挥发；
步骤3c：在N2气氛保护下在230℃～300℃快速退火，时间为10秒～3分钟，以提高氧化铝的质量。
当该金属氧化物层为氧化铪时，是在90℃～110℃范围内用H2O和Hf(NMe2)4作为源沉积75～250个周期的氧化铪。
步骤S15中所述剥离可用丙酮、N-甲基吡咯烷酮、ZEP胶去胶液等加热浸泡去除沟道其它部分残胶，例如，可是将样品浸泡在热丙酮中30分钟，除栅图形区域以外的栅介质和金属都随光刻胶的溶解而脱落。
步骤S16中所述自对准金属层可采用钛、金、铬、钯或铂等金属，覆盖源极、漏极、栅堆积层和其它未被栅覆盖的沟道区，厚度要小于栅介质的厚度，在2纳米～20纳米。
图3至图8是依照本发明实施例的制备自对准石墨烯场效应晶体管的工艺流程图，该方法包括以下步骤：
首先，图3是对应于图2所示实施例的步骤S11，采用CVD生长的方法在衬底10上制备的单层或者少数层石墨烯材料，衬底10为300nmSiO2。随后沉积源电极和漏电极，并用Matrix或RIE对石墨烯进行刻蚀，进行器件之间的隔离。如图3所示衬底10的具体类型和石墨烯的制备方法不是受本发明实施例限制，衬底也可以是SiC等其它半绝缘或绝缘衬底。制备石墨烯的方法也可以为微机械剥离、SiC外延等方法。
进一步，如图4所示，对应于图2所示实施例的步骤S12，在S11步骤中所制备的衬底上旋涂MMA，匀胶转速为：前转3秒400-600rpm，后转60秒1500-4000rpm，在150℃热板上加热3分钟。然后继续在衬底上旋涂PMMA，匀胶转速为：前传3秒400-600rpm，后转60秒1500-4000rpm，在150℃热板上加热3分钟。采用电子束曝光的方式直写出栅图形部分，电子束曝光剂量为600-800。最后在MIBK和IPA的混合液中显影20-60秒，IPA定影10秒，氮气吹干，就可得到所需要的栅图形。
进一步，如图5所示，对应于图2所示实施例的步骤S13，电子束蒸发10纳米的金属铝，随后将衬底转移至ALD腔体内，在60℃下利用臭氧源处理1-2个小时，使金属铝完全氧化。
进一步，如图6所示，对应于图2所示实施例的步骤S14，电子束蒸发20nmTi/200nmAu做为栅金属。
进一步，如图7所示，对应于图2所示实施例的步骤S15，通过剥离得到栅堆积层。一般剥离的过程为：将样品浸泡在60℃热丙酮中10-30分钟，由于光刻胶PMMA/MMA溶于热丙酮，浸泡后除了栅图形区外，其它地方的介质层和栅金属层都随着光刻胶的溶解而脱落，最终得到栅堆积层。
进一步，如图8所示，对应于图2所示实施例的步骤S16，电子束蒸发5nm的Ti作为自对准金属层，覆盖源极、漏极、栅堆积层和其它未被栅覆盖的沟道区，实现栅极与源电极和漏电极的自对准。
在本发明的另一个实施例中，具体步骤与图2所示的实施例基本相同，但步骤S13中栅介质采用氧化铝，具体过程如下：
(1)：用O3和三甲基铝为源在25℃～60℃温度范围内生长6个周期的氧化铝做为种子层；
(2)：再用H2O和三甲基铝为源或O3和三甲基铝为源在90℃～110℃生长250个周期的氧化铝，低温生长氧化铝目的是保证光刻胶不会在此过程中挥发；
(3)：在N2气氛保护下在230℃～300℃快速退火，时间为10秒～3分钟，以提高氧化铝的质量；
在本发明的再一个实施例中，具体步骤与图2所示的实施例基本相同，但步骤S13中栅介质采用氧化铪，在90℃～110℃范围内用H2O和Hf(NMe2)4作为源沉积250个周期的氧化铪。
本发明实现了自对准石墨烯场效应晶体管的制备，极大的减小了石墨烯场效应晶体管的通路区，提高器件的直流和射频性能。同时工艺流程简单，可与现有的工艺流程很好兼容。
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 (10)
1.一种制备自对准石墨烯场效应晶体管的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤S11：在半导体衬底上依次形成绝缘层和石墨烯导电沟道层，并在石墨烯导电沟道层上形成源电极和漏电极；
步骤S12：在源电极和漏电极之间的石墨烯导电沟道层上旋涂光刻胶，对该光刻胶进行曝光和显影，形成栅图形区；
步骤S13：在栅图形区选择性沉积活泼金属随后进行氧化处理，或者在栅图形区利用原子层沉积技术选择性低温沉积金属氧化物层，形成栅介质层；
步骤S14：在栅介质层上电子束蒸发栅金属；
步骤S15：剥离去除光刻胶和多余栅金属，并去除沟道区其它部位残胶；
步骤S16：在源电极(13)、漏电极(14)、导电沟道层(12)以及栅金属(16)之上电子束蒸发形成自对准金属层，且自对准金属层的厚度小于栅介质层的厚度。
2.根据权利要求1所述的制备自对准石墨烯场效应晶体管的方法，其特征在于，步骤S12中所述光刻胶为正胶9912、翻转胶AZ5214、电子束胶PMMA、MMA、UVⅢ或ZEP胶。
3.根据权利要求2所述的制备自对准石墨烯场效应晶体管的方法，其特征在于，步骤S12中所述显影采用的显影液，对于正胶9912采用的显影液为CD26，对于翻转胶采用的显影液为AZ显影液，对于电子束胶采用的显影液为邻二甲苯或N50。
4.根据权利要求1所述的制备自对准石墨烯场效应晶体管的方法，其特征在于，步骤S13中所述活泼金属是易被氧化的金属铝或钇，对活泼金属进行氧化处理包括：热板加热在空气中氧化，用RIE或Matrix产生的氧等离子体氧化，用氧紫外线的UV进行氧化，或者利用ALD腔体中的臭氧源进行氧化。
5.根据权利要求1所述的制备自对准石墨烯场效应晶体管的方法，其特征在于，步骤S13中所述在栅图形区利用原子层沉积技术选择性低温沉积金属氧化物层，该金属氧化物层为氧化铝或氧化铪。
6.根据权利要求5所述的制备自对准石墨烯场效应晶体管的方法，其特征在于，当该金属氧化物层为氧化铝时，该沉积过程具体包括：
步骤3a：用O3和三甲基铝为源在25℃～60℃温度范围内生长3～20个周期的氧化铝做为种子层；
步骤3b：再用H2O和三甲基铝为源或O3和三甲基铝为源在90℃～110℃生长75～250个周期的氧化铝；
步骤3c：在N2气氛保护下在230℃～300℃快速退火，时间为10秒～3分钟。
7.根据权利要求6所述的制备自对准石墨烯场效应晶体管的方法，其特征在于，当该金属氧化物层为氧化铪时，是在90℃～110℃范围内用H2O和Hf(NMe2)4作为源沉积75～250个周期的氧化铪。
8.根据权利要求1所述的制备自对准石墨烯场效应晶体管的方法，其特征在于，步骤S15中所述剥离是采用丙酮、N-甲基吡咯烷酮或ZEP胶去胶液，加热浸泡去除沟道其它部分残胶。
9.根据权利要求8所述的制备自对准石墨烯场效应晶体管的方法，其特征在于，步骤S15中所述剥离采用丙酮时，是将样品浸泡在热丙酮中30分钟，除栅图形区域以外的栅介质层和栅金属都随光刻胶的溶解而脱落。
10.根据权利要求1所述的制备自对准石墨烯场效应晶体管的方法，其特征在于，步骤S16中所述自对准金属层采用钛、金、铬、钯或铂，覆盖源极、漏极、栅堆积层和其它未被栅覆盖的沟道区，厚度小于栅介质层的厚度，在2纳米～20纳米之间。
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