CN103500761A - 一种沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件及其制备方法 - Google Patents

一种沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于石墨烯纳米器件技术领域,具体为一种沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件及其制备方法,适合于石墨烯纳米带Fin-FET器件的大面积制备。具体制备步骤为:先利用常规电子束光刻方法在石墨烯上制备套准标记以及Fin-FET器件的源/漏电极,再利用电子束套准在石墨烯样品上依次制备出石墨烯岛以及百纳米级的光刻胶线条图形,通过原子层淀积侧墙,实现对侧墙宽度的精确控制,再通过侧墙转移技术,以侧墙为掩膜版进行刻蚀,从而实现对石墨烯纳米带沟道宽度的精确控制。通过调节原子层淀积的周期数,能够实现大面积制备沟道宽度小于10nm的石墨烯纳米带Fin-FET器件阵列。

Description

一种沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件及其制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯纳米器件技术领域,具体涉及一种沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件及其制备方法。
背景技术
随着半导体器件尺寸进一步等比例缩小,传统的硅基器件将达到尺寸的极限。半导体业界对适应器件小型化的材料与工艺进行了一系列研究和探索。其中石墨烯由于其出色的机械强度和杨氏模量,非常高的电、热导率,以及固有的高迁移率特性等受到业界科研工作者的广泛关注。
石墨烯是一种零带隙的二维材料,而早在2006年,Y.-W. Son提出了通过制作极窄的石墨烯带给石墨烯引入带隙的理论。P. Kim等通过实验验证了当石墨烯纳米带宽度小于20nm时,石墨烯的带隙会打开,这为石墨烯能够应用于电子器件提供了基础。
由于石墨烯纳米材料的尺寸对于其电学性能和应用有着决定性的作用,因而实现对石墨烯纳米材料的尺寸的有效控制具有非常重要的意义。要制备出窄沟道宽度的石墨烯纳米带Fin-FET器件,传统的方法包括电子束光刻和扫描隧道显微镜(STM)光刻,但存在耗时、费用昂贵、产率低等诸多不足。目前比较新颖的方法包括离心剥离、等离子体刻蚀和利用硅纳米线作为刻蚀掩膜版等,但实现大面积制备尺寸可控的石墨烯纳米材料仍然是一个巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单,且适合于大面积制备的沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件及其制备方法。
本发明提供的沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件,包括:
由硅/二氧化硅材料组成的衬底;
位于上述衬底之上的转移石墨烯层;
位于所述转移石墨烯层之上的源/漏电极;
位于转移石墨烯层之上的栅介质层;
位于栅介质层之上的栅电极。
本发明还提供上述沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件的制备方法,采用原子层淀积侧墙转移技术以及电子束套刻技术,具体步骤为:
(1)在石墨烯/二氧化硅/硅的样品上悬涂150-250 nm聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),电子束曝光出对准标记以及Fin-FET的源(S)/漏(D)电极;电子束蒸发Ti/Au,lift-off工艺剥离;
(2)在石墨烯/二氧化硅/硅的样品上,再依次旋涂40-60 nm聚乙烯醇(PVA)和15-30 nm PMMA,利用电子束套刻,在其上曝光出长8-15 um、宽度为450-600 nm的百纳米级线条阵列;
(3)原子层淀积介质薄膜,采用这种工艺生长的薄膜均匀性和可重复性好,并且可以通过改变淀积的周期数非常精确地控制薄膜的厚度。由于需要获得较小线宽的石墨烯纳米带结构,所以原子层淀积介质薄膜的厚度控制在10nm以内;
(4)等离子体刻蚀工艺刻蚀金属氧化物,留下原子层淀积薄膜侧墙;
(5)以原子层淀积的侧墙作为硬掩膜保护下方的石墨烯纳米带结构,O2等离子体刻蚀PVA和石墨烯层,放入水中去除PVA和侧墙;
(6)原子层淀积一层high-k栅介质,在样品上悬涂150-250 nm PMMA,利用电子束套准工艺以及电子束蒸发工艺获得顶栅结构,最终得到石墨烯纳米带Fin-FET器件结构。
本发明中,石墨烯/二氧化硅/硅的样品是由石墨烯在铜箔上生长后转移到硅/二氧化硅衬底上而获得;源/漏电极材料为Cr/Au或者Ti/Au等金属材料。
 本发明中,所述介质薄膜的生长采用低温原子层淀积技术,其具体步骤包括多个循环生长周期,对于每个生长周期,交替脉冲式地通入金属有机源和另一种气体或者液体源,并进行两次吹洗以保证自限制生长,通过控制生长不同的循环周期数,可以最终获得所需厚度薄膜。所述的介质薄膜材料可以是Al2O3,HfO2,ZrO2,TiO2等。
本发明所提出的利用原子层淀积侧墙转移技术以及电子束套刻技术制备沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件的方法优点为:
1.该方法简单、有效、节约原材料成本,通过控制原子层淀积的生长周期数精确控制石墨烯纳米带的线宽,能够实现沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件的大面积制备。
2.在进行侧墙转移步骤时,采用光刻胶(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA)/聚乙烯醇(PVA)双层掩模结构,避免了胶与衬底的直接接触,而且易于去胶。将RIE处理后的PVA用于侧墙转移,减少了一步刻蚀步骤和一步去胶步骤。
附图说明
图1 为一种利用原子层淀积侧墙转移技术以及电子束套刻技术制备沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件单元实例的剖面图。
图2~图8是基于图1的Fin-FET器件的制备工艺流程示意图。
图中标号:101为源/漏电极,102为石墨烯纳米带沟道,103为顶部栅电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个示例性实施方式作详细说明。在图中,为了方便说明,放大或缩小了层与区域的厚度,所示大小并不代表实际尺寸。参考图中的表示是示意性的,但这不应该被认为是限制了本发明的范围。同时在下面的描述中,所使用的术语衬底可以理解为包括正在加工中的衬底,可能包括在其上所制备的其他薄膜层。
图1 为一种沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件单元实例的剖面图。如图2-图8所示,源/漏电极201选择Ti/Au,抗蚀剂202选择PVA,位于硅/二氧化硅衬底203、转移的单层石墨烯204之上,顶部栅电极205选择Ti/Au。
本发明所公开的沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件可以通过很多方法制造。以下所叙述的是本发明公开的图1所示的一个实施例。
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,在石墨烯204/二氧化硅/硅203的样品上悬涂200 nm聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),电子束曝光出对准标记以及Fin-FET的源(S)/漏(D)电极。电子束蒸发Ti/Au,lift-off工艺剥离,获得S/D电极201。
在石墨烯204/二氧化硅/硅203的样品上依次旋涂50 nm PVA和20 nm PMMA,利用电子束套刻在其上曝光出长10 um,宽度为500 nm的百纳米级线条阵列202。
采用低温原子层淀积(LT-ALD)生长的氧化铝层,所需金属源为三甲基铝(TMA),气液源包括CH3COOH、H2O或者H2O2,TMA的LT-ALD脉冲时间为10-15 s,吹洗时间为2-10 s;气液体源脉冲时间为10-15 s,吹洗时间为0.5-5.0 s,载气流量300-400 sccm,反应腔体的温度为100~150 ℃, 反应腔体的工作压强为1~4 Torr。 生长的Al2O205约为8 nm。
等离子体刻蚀工艺刻蚀金属氧化物,留下原子层淀积薄膜侧墙。以原子层淀积的侧墙作为硬掩膜保护下方的石墨烯纳米带结构,O2等离子体刻蚀PVA和石墨烯层,放入水中去除PVA和侧墙。获得8nm的石墨烯纳米带结构。
原子层淀积一层high-k栅介质,在样品上悬涂200 nm PMMA,利用电子束套准工艺以及电子束蒸发工艺获得顶栅结构205,最终得到石墨烯纳米带Fin-FET器件结构。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明,但是这些说明不能被理解为限制了本发明的范围,本发明的保护范围由权利要求书限定,任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件,其特征在于,包括:
由硅/二氧化硅材料组成的衬底;
位于上述衬底之上的转移石墨烯层;
位于所述转移石墨烯层之上的源/漏电极;
位于转移石墨烯层之上的栅介质层;
位于栅介质层之上的栅电极。
2.一种如根据权利要求1所述的沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件制备方法, 其特征在于具体制备步骤为:
(1)在石墨烯/二氧化硅/硅的样品上悬涂150-250 nm PMMA,电子束曝光出对准标记以及Fin-FET的源/漏电极;电子 束蒸发Ti/Au,lift-off工艺剥离;
(2)在石墨烯/二氧化硅/硅的样品上,再依次旋涂40-60 nm PVA和15-30 nm PMMA,利用电子束套刻,在其上曝光出长8-15 um、宽度为450-600 nm的百纳米级线条阵列;O2等离子体刻蚀曝光处的PMMA,刻蚀到PVA层;
(3)在步骤(2)得到的结构上,原子层淀积介质薄膜,介质薄膜材料为Al2O3、HfO2、ZrO2或TiO,原子层淀积介质薄膜的厚度控制在10nm以内;
(4)在步骤(3)得到的结构上,用等离子体刻蚀工艺刻蚀金属氧化物,留下原子层淀积薄膜侧墙;
(5)以原子层淀积的侧墙作为硬掩膜保护下方的石墨烯纳米带结构,O2等离子体刻蚀PVA和石墨烯层,放入水中去除PVA和侧墙;
(6)在步骤(5)得到的结构上,原子层淀积一层high-k栅介质,再在其上悬涂150-250 nm PMMA,利用电子束套准工艺以及电子束蒸发工艺获得顶栅结构,最终得到石墨烯纳米带Fin-FET器件结构。
3.根据权利要求2 所述的制备方法,其特征在于,步骤(4)中,采用低温原子层淀积生长的氧化铝层,所需金属源为三甲基铝(TMA),气液源为CH3COOH、H2O或者H2O2,TMA的低温原子层淀积脉冲时间为10-15 s,吹洗时间为2-10 s;气液源脉冲时间为10-15 s,吹洗时间为0.5-5.0 s,载气流量300-400 sccm,反应腔体的温度为100~150 ℃, 反应腔体的工作压强为1~4 Torr。
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