CN105047562A - 半悬浮石墨烯场效晶体管制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半悬浮石墨烯场效晶体管制备方法，涉及晶体管技术领域。包括如下步骤：在衬底上涂覆光刻胶，形成光刻胶图形；以光刻胶图形作为掩膜，形成具有凹槽的衬底结构；通过化学气相沉积法制备金属基石墨烯；在金属基石墨烯的上表面上沉积一层金属层；腐蚀掉金属基石墨烯下方的金属基，形成石墨烯组件；将石墨烯组件转移至具有凹槽的衬底结构上；在金属层的上表面形成第二光刻胶图形；以第二光刻胶图形作为掩膜，形成漏电极和源电极；以第二光刻胶图形作为掩膜，在绝缘介质上沉积栅金属。所述方法避免了石墨烯受到损伤和沾污，通过石墨烯和衬底分离，降低来自衬底的界面散射，实现石墨烯中载流子的高迁移率，提高石墨烯晶体管的高频性能。
Description
技术领域
本发明涉及晶体管技术领域，尤其涉及一种半悬浮石墨烯场效晶体管制备方法。
背景技术
在集成电路领域，根据摩尔定律推测，每隔18个月，芯片中晶体管的数量便会提高一倍。随着芯片集成度的提高，以硅材料为基础的晶体管特征尺寸不断缩小，并逐渐接近其物理极限。为了维持集成电路的不断发展，需要引进全新的技术和材料，新材料始终是现代电子工业的基础和关注的重点，其中石墨烯作为新一代半导体材料开发潜力巨大，有望取代硅，应用于电子器件中。
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子组成的，只有一个原子厚度的六角蜂窝状二维晶体。石墨烯具有优异的力学、热学和电学性能，远远超过硅和其它传统的半导体材料，其中石墨烯的理论载流子迁移率高达2×105cm2/V.s，比硅高两个数量级。利用石墨烯材料，可以研发出更小型，更快速的新型晶体管，晶体管的性能将显著提升，实现硅基晶体管无法完成的性能突破。因此，石墨烯自2004年被发现以来，得到了世界范围内科学界的广泛关注，被认为是下一代集成电路中有望延续摩尔定律的重要材料。石墨烯的制备方法主要有：微机械剥离法、化学气相沉积法（CVD法）和SiC升华法。其中，CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯，被认为是最有前途的制备方法。目前，石墨烯作为性能优越的半导体材料，已经被应用于场效应晶体管的制备之中。2012年，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的科研小组，研发出特征频率（fT）高达427GHz的石墨烯场效应晶体管。
当前，采用CVD法石墨烯制备晶体管时，需要将石墨烯转移到目标衬底上。实验发现，转移的CVD石墨烯容易受到损伤和沾污，同时衬底与石墨烯直接接触产生的界面散射，会严重降低石墨烯中载流子的迁移率，这限制了石墨烯晶体管的高频性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种半悬浮石墨烯场效晶体管制备方法，所述方法避免了石墨烯受到损伤和沾污，通过石墨烯和衬底分离，降低来自衬底的界面散射，实现石墨烯中载流子的高迁移率，提高石墨烯晶体管的高频性能。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种半悬浮石墨烯场效晶体管制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1）在衬底的上表面涂覆光刻胶，进行光刻工艺，形成第一光刻胶图形；
2）以衬底上表面的第一光刻胶图形作为掩膜，对衬底进行刻蚀，形成具有凹槽的衬底结构；
3）通过化学气相沉积法制备金属基石墨烯；
4）在金属基石墨烯的上表面上沉积一层金属层；
5）腐蚀掉金属基石墨烯下方的金属基，形成石墨烯组件；
6）将石墨烯组件转移至具有凹槽的衬底结构上；
7）在石墨烯组件的金属层上涂覆光刻胶，进行栅光刻工艺，在金属层的上表面形成第二光刻胶图形；
8）以第二光刻胶图形作为掩膜，腐蚀金属层，充分腐蚀后，石墨烯层暴露出来，金属层被一分为二，形成漏电极和源电极；
9）以第二光刻胶图形作为掩膜，在漏、源电极之间的石墨烯层上沉积一层绝缘介质，接着在绝缘介质上沉积栅金属，然后去除光刻胶，完成晶体管的制备。
进一步的技术方案在于：所述衬底为SiO2、Si、SiC、蓝宝石、金刚石、玻璃、云母或陶瓷。
进一步的技术方案在于：所述凹槽的深度为1nm-100μm，长度和宽度为10nm-100μm。
进一步的技术方案在于：所述金属基石墨烯为铜箔基石墨烯或镍箔基石墨烯。
进一步的技术方案在于：沉积的金属为银、铜、金、铝、锌、钼、铱、钨、钴、镉、镍、铁、铂、铬、钛、钯、锗、铅、铍中的一种或两种以上组合，厚度为1nm-1μm。
进一步的技术方案在于：绝缘介质为氧化物、氮化物、氮氧化物或硅玻璃，厚度为1nm-100nm。
进一步的技术方案在于：沉积的栅金属为银、铜、金、铝、锌、钼、铱、钨、钴、镉、镍、铁、铂、铬、钛、钯、锗、铅、铍中的一种或两种以上组合，厚度为10nm-500nm。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法利用沉积在石墨烯表面的金属层，将石墨烯转移至凹槽衬底上，实现了石墨烯与衬底的分离，大大降低了载流子散射，实现石墨烯中载流子的高迁移率，提高石墨烯晶体管的高频性能。晶体管制备过程中，预先沉积在石墨烯材料上的金属层起到了保护和和支撑的重要作用，避免石墨烯遭受损伤和沾污，保证了石墨烯的晶体完整性。并且，通过选择性的腐蚀金属，沉积的金属层又可形成天然的源漏接触电极，这种形成接触电极方法的优点是：1、与其它器件制备方法对比，无需特意制作源漏接触电极，简化了器件制备工艺；2、在器件制备开始阶段，金属就与具有洁净表面的石墨烯紧密接触，并在整个器件制备过程中，一直保持这种状态，这样形成的电极具有较低的接触电阻，减小器件的寄生，提高器件性能。
附图说明
图1是本发明衬底的结构示意图；
图2是本发明经过步骤1）处理后的结构示意图；
图3是本发明经过步骤2）处理后的结构示意图；
图4是本发明经过步骤3）处理后的结构示意图；
图5是本发明经过步骤4）处理后的结构示意图；
图6是本发明经过步骤5）处理后的结构示意图；
图7是本发明经过步骤6）处理后的结构示意图；
图8是本发明经过步骤7）处理后的结构示意图；
图9是本发明经过步骤8）处理后的结构示意图；
图10是本发明经过步骤9）处理后的结构示意图；
其中：1、衬底2、凹槽3、第一光刻胶图形4、金属基石墨烯41、金属基42、石墨烯层5、金属层6、石墨烯组件7、第二光刻胶图形8、漏电极9、源电极10、绝缘介质11、栅金属。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
总体的本发明公开了一种半悬浮石墨烯场效晶体管制备方法，所述方法包括如下步骤：
1）在衬底1（如图1所示）的上表面涂覆光刻胶，进行光刻工艺，形成第一光刻胶图形3，如图2所示；所述衬底可以为SiO2、Si、SiC、蓝宝石、金刚石、玻璃、云母或陶瓷等固体绝缘衬底。
2）以衬底1上表面的第一光刻胶图形3作为掩膜，对衬底1进行刻蚀，形成具有凹槽2的衬底结构，如图3所示；凹槽尺寸：深度为1nm-100μm，长度和宽度为10nm-100μm。
3）通过化学气相沉积法制备金属基石墨烯4，如图4所示，所述金属基石墨烯为铜箔基石墨烯或镍箔基石墨烯。
4）在金属基石墨烯4的上表面上沉积一层金属层5，如图5所示，沉积的金属为银、铜、金、铝、锌、钼、铱、钨、钴、镉、镍、铁、铂、铬、钛、钯、锗、铅、铍中的一种或两种以上组合，厚度为1nm-1μm。
5）腐蚀掉金属基石墨烯4下方的金属基41，形成石墨烯组件6，如图6所示；
6）将石墨烯组件6转移至具有凹槽2的衬底结构上，如图7所示；
7）在石墨烯组件6的金属层5上涂覆光刻胶，进行栅光刻工艺，在金属层5的上表面形成第二光刻胶图形7，如图8所示；
8）以第二光刻胶图形7作为掩膜，腐蚀金属层5，充分腐蚀后，石墨烯层42暴露出来，金属层5被一分为二，形成漏电极8和源电极9，如图9所示；
9）以第二光刻胶图形7作为掩膜，在漏、源电极之间的石墨烯层42上沉积一层绝缘介质10，接着在绝缘介质10上沉积栅金属11，然后去除光刻胶，完成晶体管的制备，如图10所示，绝缘介质可以为：有氧化物（SiO2、SiOx、Al2O3、TiO等）、氮化物（Si3N4、P3N5、AlN、GaN、InN、Ge3N4等），氮氧化物（SiNxOy、AlNxOy、GaNxOy等）或硅玻璃（PSG、BSG），厚度为1nm-100nm。沉积的栅金属为银、铜、金、铝、锌、钼、铱、钨、钴、镉、镍、铁、铂、铬、钛、钯、锗、铅、铍中的一种或两种以上组合，厚度为10nm-500nm。
具体的：
实施例一
1）首先，准备衬底，采用的衬底为绝缘Si，如图1。
2）在衬底上涂覆光刻胶，进行光刻工艺，形成光刻胶图形，如图2所示。
3）以步骤2）中形成的光刻胶图形为掩膜，对衬底进行刻蚀，刻蚀深度为1μm，刻蚀完毕，去除光刻胶，形成如图3所示的衬底结构。
4）准备CVD法制备的金属基石墨烯，采用的材料为铜箔基石墨烯，如图4所示。
5）利用电子束蒸发台，在图4所示结构的石墨烯上沉积一层Au，厚度为200nm，形成如图5所示的结构。
6）把图5所示的具有双金属夹层结构的石墨烯组件，放置于浓度为1mol/L的FeCl3腐蚀液中，使附着在石墨烯下的Cu被完全腐蚀掉，形成图6所示结构。
7）将图6所示的石墨烯组件转移至图3所示具有凹槽结构的衬底上，转移完毕后，形成的图7所示结构。
8）在图7所示结构上涂覆光刻胶，进行栅光刻工艺，形成光刻胶图形，如图8所示。
9）采用KL+I2溶液，将图8中光刻胶图形之间的Au层腐蚀掉，充分腐蚀后，石墨烯暴露出来，金属层被一分为二。两部分Au之间的距离，即为通过腐蚀自然形成的源漏间距，并且源漏间距大于光刻胶图形之间的距离，形成的结构如图9所示。
10）以图9中的光刻胶图形为掩膜，在源漏之间的石墨烯上沉积厚度为10nm的Al2O3介质层，接着利用电子束蒸发台，沉积厚度为300nm的Al，完成后，去除光刻胶，最终完成如图10所示的器件结构。
实施例二
1）首先，准备衬底，采用的衬底为金刚石，如图1。
2）在金刚石衬底上涂覆光刻胶，进行光刻工艺，形成光刻胶图形，如图2。
3）以步骤2）中形成的光刻胶图形为掩膜，对衬底进行刻蚀，刻蚀深度为2μm，刻蚀完毕，去除光刻胶，形成如图3所示的衬底结构。
4）准备CVD法制备的金属基石墨烯，采用的材料为铜箔基石墨烯，如图4所示。
5）利用电子束蒸发台，在图4所示结构的石墨烯上沉积一层Pb，厚度为100nm，形成如图5所示的结构。
6）把图5所示的具有双金属夹层结构的石墨烯组件，放置于浓度为1mol/L的FeCl3腐蚀液中，使附着在石墨烯下的Cu被完全腐蚀掉，形成图6所示结构。
7）将图6所示的石墨烯组件转移至图3所示具有凹槽结构的衬底上，转移完毕后，形成的图7所示结构。
8）在图7所示结构上涂覆光刻胶，进行栅光刻工艺，形成光刻胶图形，如图8所示。
9）采用KL+I2溶液，将图8中光刻胶图形之间的Pb层腐蚀掉，充分腐蚀后，石墨烯暴露出来，金属层被一分为二。两部分Pb之间的距离，即为通过腐蚀自然形成的源漏间距，并且源漏间距大于光刻胶图形之间的距离，形成的结构如图9所示。
10）以图9中的光刻胶图形为掩膜，在源漏之间的石墨烯上沉积厚度为5nm的Si3N4介质层，接着利用电子束蒸发台，沉积厚度为200nm的Au，完成后，去除光刻胶，最终完成如图10所示的器件结构。
所述方法利用沉积在石墨烯表面的金属层，将石墨烯转移至凹槽衬底上，实现了石墨烯与衬底的分离，大大降低了载流子散射，实现石墨烯中载流子的高迁移率，提高石墨烯晶体管的高频性能。晶体管制备过程中，预先沉积在石墨烯材料上的金属层起到了保护和和支撑的重要作用，避免石墨烯遭受损伤和沾污，保证了石墨烯的晶体完整性。并且，通过选择性的腐蚀金属，沉积的金属层又可形成天然的源漏接触电极，这种形成接触电极方法的优点是：1、与其它器件制备方法对比，无需特意制作源漏接触电极，简化了器件制备工艺；2、在器件制备开始阶段，金属就与具有洁净表面的石墨烯紧密接触，并在整个器件制备过程中，一直保持这种状态，这样形成的电极具有较低的接触电阻，减小器件的寄生，提高器件性能。
Claims (7)
1.一种半悬浮石墨烯场效晶体管制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1）在衬底（1）的上表面涂覆光刻胶，进行光刻工艺，形成第一光刻胶图形（3）；
2）以衬底（1）上表面的第一光刻胶图形（3）作为掩膜，对衬底（1）进行刻蚀，形成具有凹槽（2）的衬底结构；
3）通过化学气相沉积法制备金属基石墨烯（4）；
4）在金属基石墨烯（4）的上表面上沉积一层金属层（5）；
5）腐蚀掉金属基石墨烯（4）下方的金属基（41），形成石墨烯组件（6）；
6）将石墨烯组件（6）转移至具有凹槽（2）的衬底结构上；
7）在石墨烯组件（6）的金属层（5）上涂覆光刻胶，进行栅光刻工艺，在金属层（5）的上表面形成第二光刻胶图形（7）；
8）以第二光刻胶图形（7）作为掩膜，腐蚀金属层（5），充分腐蚀后，石墨烯层（42）暴露出来，金属层（5）被一分为二，形成漏电极（8）和源电极（9）；
9）以第二光刻胶图形（7）作为掩膜，在漏、源电极之间的石墨烯层（42）上沉积一层绝缘介质（10），接着在绝缘介质（10）上沉积栅金属（11），然后去除光刻胶，完成晶体管的制备。
2.根据权利要求1所述的半悬浮石墨烯场效晶体管制备方法，其特征在于：所述衬底为SiO2、Si、SiC、蓝宝石、金刚石、玻璃、云母或陶瓷。
3.根据权利要求1所述的半悬浮石墨烯场效晶体管制备方法，其特征在于：所述凹槽的深度为1nm-100μm，长度和宽度为10nm-100μm。
4.根据权利要求1所述的半悬浮石墨烯场效晶体管制备方法，其特征在于：所述金属基石墨烯为铜箔基石墨烯或镍箔基石墨烯。
5.根据权利要求1所述的半悬浮石墨烯场效晶体管制备方法，其特征在于：沉积的金属为银、铜、金、铝、锌、钼、铱、钨、钴、镉、镍、铁、铂、铬、钛、钯、锗、铅、铍中的一种或两种以上组合，厚度为1nm-1μm。
6.根据权利要求1所述的半悬浮石墨烯场效晶体管制备方法，其特征在于：绝缘介质（10）为氧化物、氮化物、氮氧化物或硅玻璃，厚度为1nm-100nm。
7.根据权利要求1所述的半悬浮石墨烯场效晶体管制备方法，其特征在于：沉积的栅金属为银、铜、金、铝、锌、钼、铱、钨、钴、镉、镍、铁、铂、铬、钛、钯、锗、铅、铍中的一种或两种以上组合，厚度为10nm-500nm。
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