CN103633024B - 一种大规模h-BN介质石墨烯集成电路制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件与半导体工艺领域，其目的在于提出一种大规模h-BN介质石墨烯集成电路制备方法，利用催化金属衬底上h-BN和石墨烯选择生长的特性，通过对催化金属层的光刻，实现对外延生长的h-BN层与石墨烯层图形的控制，从而制备实现以h-BN为介质的石墨烯场效应晶体管的大规模制造。该方法可以克服目前大规模石墨烯器件制备过程中的工艺难度高、成品率低和性能差的问题，为石墨烯基集成电路的制备奠定良好基础。
Description
技术领域：
本发明涉及一种h-BN介质石墨烯集成电路制造技术，尤其是一种以h-BN为介质的双栅石墨烯场效应晶体管的大规模制造技术。
背景技术：
石墨烯是碳原子以六方蜂房晶格形成的性能极其优异的二维材料，其载流子速度和迁移率远高于常规半导体材料，被认为是后硅时代的集成电路材料。目前，通过催化金属衬底上的CVD法和SiC外延法可生长大尺寸石墨烯晶圆。在制备石墨烯电子器件时，要么需要将CVD法制备的石墨烯转移到SiO2/Si（或其它）衬底上，要么是直接以所在的6H-SiC衬底为介质层，这些衬底不但表面具有一定的粗糙度，而且其中还存在较大密度的库仑中心，加之衬底材料中的光学声子的散射作用，石墨烯中的载流子迁移率会进一步退化，导致最终制备的高频石墨烯场效应晶体管器件中的载流子迁移率均在2000cm2/V·s以下，远低于机械剥离石墨烯的室温载流子迁移率。h-BN是一种禁带宽度约为5.9eV的介质材料，它的晶格结构与石墨烯相似度很高，其表面也是二维平面结构，而且不存在表面悬挂键和体内带电缺陷，是石墨烯理想的衬底材料。已有的实验结果表明，h-BN衬底上的双层石墨烯（BLG）的室温迁移率高达40000cm2/V·s，约为SiO2衬底上的20倍，因此研究以h-BN为栅介质的石墨烯场效应晶体管的大规模制造技术已成为国际研究热点。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种大规模h-BN介质石墨烯集成电路制备方法，本发明利用催化金属衬底上h-BN和石墨烯选择生长的特性，通过对催化金属层的光刻，实现对外延生长的h-BN层与石墨烯层图形的控制，从而制备实现以h-BN为介质的石墨烯场效应晶体管的大规模制造。该技术可以克服目前大规模石墨烯器件制备过程中的工艺难度高、成品率低和性能差的问题，为石墨烯基集成电路的制备奠定良好基础。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
一种大规模h-BN介质石墨烯集成电路制备方法，按照如下步骤：
（1）在生长有SiO2的硅晶圆上用蒸发工艺生长一初级催化金属层；
（2）利用光刻工艺对初级催化金属层进行光刻得到次级催化金属层，留下的次级催化金属层与将要作为器件沟道和互连线使用的石墨烯具有完全相同的图形；
（3）利用CVD法在次级催化金属层上生长一六方氮化硼层；
（4）在所生长的h-BN层上再生长一石墨烯层；
（5）在石墨烯层表面旋涂一光刻胶层；
（6）将带有次级催化金属层、六方氮化硼层、石墨烯层和光刻胶层的半导体晶圆浸泡到氢氟酸中，溶解掉硅晶圆上的SiO2层；
（7）用同样或稍大尺寸的带有SiO2的硅晶圆接住带有次级催化金属层、六方氮化硼层、石墨烯层和光刻胶层结构的光刻胶一面，将整个结构反转过来，使催化金属层暴露在外；
（8）对催化金属层进行再次对准光刻，使其尺寸小于生长在其上的六方氮化硼层与石墨烯层的尺寸，为在石墨烯层上制作顶栅六方氮化硼介质层做好准备；
（9）在经过再次光刻的次级催化金属层上再旋涂一光刻胶层，并将整个结构再次浸入氢氟酸中，并再次将新旋涂的光刻胶一侧转移到SiO2/Si晶圆上，使原先旋涂在石墨烯上的光刻胶层暴露在外；
（10）对暴露在外的光刻胶层进行曝光，并用有机溶剂将其溶解，热处理后使石墨烯层暴露在外；
（11）利用CVD工艺，在暴露的石墨烯层上生长六方氮化硼层；
（12）利用金属蒸发工艺和光刻工艺制备源电极、漏电极和栅电极，就完成了六方氮化硼/石墨烯/六方氮化硼场效应晶体管的大规模制造。
所述初级催化金属层由Ni、Cr、Ru或Cu构成，其厚度为50-100nm。
所述六方氮化硼层厚度为0.6-100nm。
所述石墨烯层厚度为1-10个碳原子层。
所述光刻胶层由PMMA或DQN构成，其厚度为0.5-10μm。。
发明基于未来石墨烯大规模集成电路工业化生产需要，基于现有的Si基CMOS集成电路生产工艺，提出了一种新h-BN介质石墨烯集成电路制备技术，并介绍了具体制备工艺。该工艺的主要特点是：利用了h-BN和石墨烯具有近似相同的催化金属衬底，以及在催化金属衬底上具有选择性生长的特性，通过光刻工艺改变催化金属衬底的图案，以达到控制和改变生长在其上的h-BN和石墨烯层图案的目的。
这种工艺不但可以充分兼容现有的SiCMOS集成电路生产工艺，克服了目前大规模石墨烯器件制备过程中遇到的工艺难度高、成品率低和器件性能差的问题。所制作的场效应晶体管单元以h-BN为上、下介质，克服了传统介质中表面悬挂键和体内带电缺陷对石墨烯载流子迁移率及浓度分布的影响，保证生长的石墨烯具有最完美的晶格结构和散射最弱的载流子输运环境，最大可能保留石墨烯中载流子的超高迁移率，从而大大提高石墨场效应晶体管的性能。得到的实际载流子迁移率比传统的以SiO2/Si为衬底的石墨烯场效应晶体管高出几倍到十几倍，且工艺过程相对简单，工艺参数容易控制。该新工艺的提出，为促进我国石墨烯集成电路技术的发展，早日实现石墨烯器件的大规模生产，具有重要意义。
附图说明：
图1为大规模h-BN介质石墨烯集成电路制备工艺流程示意图。
图2为所制备的石墨烯场效应晶体管单元结构图。
图3为所制备的石墨烯场效应晶体管特性曲线。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
一种大规模h-BN介质石墨烯集成电路制备技术，首先在生长有300nmSiO2的硅晶圆上用蒸发工艺生长一层催化金属，如Ni、Cr、Ru、Cu等，其厚度为50-100nm；
利用光刻工艺对制备Si晶圆上的催化金属层进行光刻，留下与将要作为器件沟道和互连线使用的石墨烯完全相同图形的催化金属层；
利用CVD法在催化金属层上选择生长一层六方氮化硼（h-BN）,其厚度为0.6-100nm。
在所生长的h-BN层上再选择性生长一层石墨烯，其厚度为1-10个碳原子层；
在选择生长的石墨烯层表面旋涂一层光刻胶，如PMMA或DQN等，厚度为0.5-10μm；
将带有催化金属层、h-BN层、石墨烯层和PMMA层的半导体晶圆浸泡到氢氟酸（HF）中，溶解掉硅晶圆上的SiO2层；
用同样或稍大尺寸的带有300nmSiO2的硅晶圆接住带有催化金属层、h-BN层、石墨烯层与光刻胶层结构的光刻胶一面，将整个结构反转过来，使催化金属层暴露在外；
对催化金属层进行再次对准光刻，使其尺寸小于生长在其上h-BN与石墨烯层的尺寸，为在石墨烯层上制作顶栅h-BN介质层做好准备；
在经过再次光刻的催化金属层上再旋涂一层光刻胶，如PMMA或DQN等，并将整个结构再次浸入HF酸中，并再次将新旋涂的光刻胶（即紧挨催化金属层的光刻胶）一侧转移到SiO2/Si晶圆上，使原先旋涂在石墨烯上的光刻胶层暴露在外；
对暴露在外的光刻胶层进行曝光，并用有机溶剂将其溶解，热处理后使石墨烯层暴露在外；
利用CVD工艺，在暴露的石墨烯层上选择生长h-BN层；
利用金属蒸发工艺和光刻工艺制备源电极、漏电极和栅电极，就完成了h-BN/石墨烯/h-BN场效应晶体管的大规模制造。
实施例：大规模h-BN介质石墨烯集成电路的制备
在制作大规模h-BN介质石墨烯集成电路，本发明采取以下技术方案：
1、制作SiO2/Si衬底：在4寸Si晶圆上用干法氧化生长300nm的SiO2薄膜；
2、催化金属层生长：用电子束蒸发工艺在SiO2/Si衬底上生长一层厚度为250nm的Ni（111）薄膜；
3、催化金属层光刻：利用标准光刻工艺对制备Si晶圆上的催化金属层进行光刻，一个个方块状催化金属图形；
4、底层h-BN介质生长：利用CVD法在Ni（111）层上选择性生长一层六方氮化硼（h-BN）,厚度约为20nm，所生长的h-BN图形与Ni（111）图形相同；
5、石墨烯层生长：在所生长的h-BN层上再利用Ni（111）层的催化作用，选择性生长一层石墨烯，厚度为1-2个碳原子层；
6、结构反转：在石墨烯层表面旋涂一层PMMA光刻胶，厚度为2μm，并将整个结构浸泡到氢氟酸（HF）中，溶解掉硅晶圆上的SiO2层，然后用同样尺寸SiO2/Si衬底接住带有光刻胶一面，将整个结构反转过来，使催化金属层暴露在外；
7、催化金属层二次光刻：利用标准光刻工艺，对催化金属层进行对准二次光刻，使其尺寸变小，为在生长顶栅h-BN介质层做准备；
8、结构二次反转：在经过二次光刻的催化金属层上再旋涂一层PMMA光刻胶，并将整个结构再次浸入HF酸中，溶离SiO2/Si衬底，再次将新旋涂的光刻胶（即紧挨催化金属层的光刻胶）一侧转移到新的SiO2/Si晶圆上，使原先旋涂在石墨烯上的光刻胶层暴露在外，并用深紫外光源对暴露在外的PMMA进行曝光，然后用苯甲醚进行溶解去除；
9、顶栅介质层生长：在热处理后的石墨烯层上，利用CVD工艺选择生长一层h-BN介质，厚度约为2纳米；
10、电极制备：利用金属热蒸发工艺，在结构表面蒸发一层金属Ti2nm/Pd5nm/Au20nm,然后通过标准光刻工艺进行对准光刻，形成各自孤立存在的源电极、漏电极和栅电极。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种大规模h-BN介质石墨烯集成电路制备方法，其特征在于，按照如下步骤：
(1)在生长有SiO2的硅晶圆上用蒸发工艺生长一初级催化金属层；
(2)利用光刻工艺对初级催化金属层进行光刻得到次级催化金属层，留下的次级催化金属层与将要作为器件沟道和互连线使用的石墨烯具有完全相同的图形；
(3)利用CVD法在次级催化金属层上生长一h-BN层；
(4)在所生长的h-BN层上再生长一石墨烯层；
(5)在石墨烯层表面旋涂一光刻胶层；
(6)将带有次级催化金属层、h-BN层、石墨烯层和光刻胶层的半导体晶圆浸泡到氢氟酸中，溶解掉硅晶圆上的SiO2层；
(7)用同样或稍大尺寸的带有SiO2的硅晶圆接住带有次级催化金属层、h-BN层、石墨烯层和光刻胶层结构的光刻胶一面，将整个结构反转过来，使次级催化金属层暴露在外；
(8)对次级催化金属层进行再次对准光刻，使其尺寸小于生长在其上的h-BN层与石墨烯层的尺寸，为在石墨烯层上制作顶栅h-BN层做好准备；
(9)在经过再次光刻的次级催化金属层上再旋涂一光刻胶层，并将整个结构再次浸入氢氟酸中，并再次将新旋涂的光刻胶一侧转移到SiO2/Si晶圆上，使原先旋涂在石墨烯上的光刻胶层暴露在外；
(10)对暴露在外的光刻胶层进行曝光，并用有机溶剂将其溶解，热处理后使石墨烯层暴露在外；
(11)利用CVD工艺，在暴露的石墨烯层上生长h-BN层；
(12)利用金属蒸发工艺和光刻工艺制备源电极、漏电极和栅电极，就完成了h-BN/石墨烯/h-BN场效应晶体管的大规模制造。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述初级催化金属层由Ni、Cr、Ru或Cu构成，其厚度为50-100nm。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述h-BN层厚度为0.6-100nm。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述石墨烯层厚度为1-10个碳原子层。
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