CN105789039A - 减小顶栅石墨烯场效应晶体管欧姆接触的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减小顶栅石墨烯场效应晶体管欧姆接触的方法，该方法包括：在半导体衬底上依次形成绝缘层和石墨烯导电层；在所述半导体衬底上旋涂光刻胶，曝光后显影出梳型源漏接触结构，选择性沉积金属后剥离；在石墨烯导电层上沉积栅介质层；对栅介质层和石墨烯进行图形化刻蚀；在梳型源漏接触结构上选择性沉积源漏电极金属；在沟道区栅介质层上沉积栅金属。该制备过程简单并易于与顶栅石墨烯场效应晶体管制备工艺兼容，同时，由于采用了梳型的接触结构，使得电流通过边沿传输的方式由金属注入到石墨烯中，大大提升了电流注入效率，从而减小了器件的接触电阻，有助于提高顶栅石墨烯场效应晶体管的直流和频率特性。
Description
技术领域
本发明涉及场效应晶体管制造技术领域，尤其涉及一种减小顶栅石墨烯场效应晶体管欧姆接触的方法。
背景技术
基于硅材料的电子器件和集成电路是现代信息社会发展的基石。随着半导体工艺技术的发展和进步，按比例缩小电子器件的尺寸可以有效地提高器件性能，进而推动集成电路的发展并延续摩尔定律。然而，当器件尺寸进入纳米级别特别是22nm技术节点后，硅基晶体管已接近其物理极限，继续减小器件尺寸，受到短沟道效应影响，器件性能严重下降。为了突破传统硅基半导体器件所面临的技术瓶颈，使得器件尺寸进一步减小，人们必须寻找新的纳米材料来替代硅。近年来，一种新的二维材料―石墨烯，进入人们的视野。它的室温载流子迁移率高达2×105cm2/Vs的(硅的100倍)，电流密度耐性为2×109A/cm2(铜的100倍)，导热率3×103～5×103W/mK(与碳纳米管相当)。由于其独特的能带结构，石墨烯具有双极性，因此无需附加工艺即可实现CMOS构造的半导体元件。在载流子输运方面，电子在石墨烯中遵循狄拉克方程式运动，表现出室温亚微米尺度的弹道输运特性，实现了常温下的无散射传输。与目前电子器件中使用的硅和金属材料不同，当石墨烯减小到纳米尺度时，其单个苯环仍能保持很好的稳定性与电学特性，这使得石墨烯成为推动微电子技术发展的热门选择。
但是，石墨烯在微电子领域的成熟应用还面临着诸多问题，其中之一就是难以形成较好的金属石墨烯欧姆接触。这是由于石墨烯的线性能带结构，在狄拉克点附近电子的态密度很小，载流子很难从金属注入到石墨烯中，这就造成了器件较大的接触电阻，不利于发挥石墨烯优良的本征特性。目前人们已经开发出多种方法来减小石墨烯器件中的接触电阻，例如退火、金属掩膜、臭氧处理、接触区域图形化等，虽然这些方法都可以有效减小器件接触电阻，但是也存在各种缺点。退火的方法工艺条件不易控制，并且容易给沟道区材料特性带来不确定因素；金属掩膜会造成贵金属材料的浪费，当器件尺寸减小时其腐蚀速率也很难控制；臭氧处理容易造成石墨烯中产生缺陷，从而使得材料迁移率下降；接触区域图形化的方法需要后续退火工艺才能使得接触电阻降低，若不经过退火，图形化后器件的接触电阻反而会升高。因此，对于石墨烯电子器件，特别是顶栅器件来讲，以上方法都不是最优的欧姆接触制备方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种减小顶栅石墨烯场效应晶体管欧姆接触的方法及减小欧姆接触工艺后的顶栅石墨烯场效应晶体管，以此来减小器件的接触电阻，提高器件直流和频率特性。
为达到上述目的，本发明提供了一种减小欧姆接触工艺后的顶栅石墨烯场效应晶体管，该顶栅石墨烯场效应晶体管包括半导体衬底、绝缘层、石墨烯导电层、梳型源漏接触结构、栅介质层、源漏电极金属、栅金属；所示绝缘层设置于所述半导体衬底上，所述石墨烯导电层设置于所述绝缘层上，所述梳型源漏接触结构设置于所述石墨烯导电层上，所述栅介质层选择性沉积在所述梳型源漏接触结构之间的沟道区，所述源漏电极金属选择性沉积在所述梳型源漏接触结构两侧的接触区，所述栅金属选择性沉积在沟道区的所述栅介质层上。
其中，欧姆接触金属分为两步来制备，第一步制备梳状的源漏接触金属层，利用栅介质层作为掩膜保护沟道区石墨烯并实现对接触区石墨烯的选择性刻蚀；第二步制备外围源漏接触电极，实现载流子在石墨烯条带边缘处的传输，提高电流注入效率，从而降低器件接触电阻。
进一步，所述梳型源漏接触结构由图形化的钛、金、铬、钯或铂薄膜构成，单个梳指呈长条状，具体条带尺寸的宽度范围为10纳米～2微米，长度范围为500纳米～20微米。
进一步，所述栅介质层为电子束蒸发铝、钇活泼金属，随后通过氧化的方法构成；或者由原子层沉积氧化铝、氧化锆、氧化铪金属氧化物层构成。
进一步，所述的介质层厚度在10纳米～50纳米。
进一步，所述的源漏电极金属层覆盖在梳状接触结构上形成完整的欧姆接触结构。
进一步，所述的源漏电极金属层可采用钛、金、铬、钯或铂等金属。
所述梳型源漏接触结构由图形化金属层构成，在后续器件有源区刻蚀的过程中作为掩膜实现对接触区石墨烯的条形刻蚀，在这个过程中由于沟道区被栅介质所保护，所以刻蚀过程不会对器件沟道区材料产生影响。源漏电极金属层覆盖在梳型源漏接触结构上，实现了完整的欧姆接触结构。在此结构中，电流通过被条形化得石墨烯边沿由金属电极注入到石墨烯中，实现了边沿接触传输，大大提高了电流的注入效率，以此减小了器件接触电阻。
本发明还提供一种减小顶栅石墨烯场效应晶体管欧姆接触的方法，包括：
(1)在半导体衬底上依次形成绝缘层和石墨烯导电层；
(2)在所述半导体衬底上旋涂光刻胶，曝光后显影出梳型源漏接触结构，选择性沉积金属后剥离；
(3)在石墨烯导电层上沉积栅介质层；
(4)对栅介质层和石墨烯进行图形化刻蚀；
(5)在梳型源漏接触结构上选择性沉积源漏电极金属；
(6)在沟道区栅介质层上沉积栅金属。
所述步骤(2)中的梳型源漏接触结构中单个梳指呈条带状，其尺寸器件实际尺寸大小而定，宽度范围为10纳米～2微米，长度范围为500纳米～20微米。
进一步，所述步骤(2)中的光刻胶可为正胶9912、翻转胶AZ5214、电子束胶PMMA、MMA、UVⅢ和ZEP胶的单体或组合。
进一步，当光刻胶为正胶9912时，所述步骤(2)中显影所用的显影液为CD26；当光刻胶为翻转胶时，所述步骤(2)中显影所用的显影液为AZ显影液；当光刻胶为电子束胶时，所述步骤(2)中显影所用的显影液为邻二甲苯或N50。
进一步，所述栅介质为活泼金属铝，所述步骤(3)中包括以下步骤：电子束蒸发10纳米～20纳米的铝，115℃热板加热使之氧化；或者利用RIE或Matrix产生的氧等离子体氧化，或者利用氧紫外线的UV进行氧化，或者利用ALD腔体中的臭氧源进行氧化。
在另一优选实例中，所述栅介质为活泼金属钇，所述步骤与上述步骤(3)相同。
在又一优选实例中，所述栅介质为氧化铝，所述步骤(3)包括：
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；
再用H2O和三甲基铝为源或O3和三甲基铝为源在100℃～250℃生长75～250个周期的氧化铝。
在还一优选实例中，所述栅介质为氧化铪，步骤(4)为在100℃～250℃范围内用H2O和Hf(NMe2)4作为源沉积75～250个周期的氧化铪。
进一步，所述步骤(4)中对栅介质层进行图形化刻蚀时，采用正胶9912作为掩膜，利用H2SO4、H3PO4、HCL或HNO3与H2O所混合形成的稀释液对栅介质层进行刻蚀；或者采用AZ显影液或CD26对栅介质进行刻蚀。
进一步，所述步骤(4)中采用RIE或Matrix产生的氧等离子体对接触区石墨烯进行有源区刻蚀，沟道区石墨烯由栅介质保护，接触区石墨烯对以金属梳型源漏接触结构作为掩膜，被刻蚀成所需的条带状结构。
进一步，所述步骤(5)中的源漏电极金属采用钛、金、铬、钯或铂，完全覆盖梳型源漏接触结构，形成完整的欧姆接触。
本发明采用了梳型接触结构代替传统的块状接触结构，可以使得电流通过梳妆接触结构的边沿由金属电极注入石墨烯中，大大提高了电流注入效率，进而使得器件接触电阻明显降低；本发明采用了先在石墨烯上选择性沉积梳型接触金属层，然后利用此金属层作为掩膜将石墨烯刻蚀呈条带状的梳型接触结构制备流程，可以保护梳型接触结构下方石墨烯不受损伤，并有效地提高金属与石墨烯的贴合度，因此不用通过退火就可以得到较小的器件接触电阻；本发明采用了栅介质作为掩膜，可以有效避免对接触区石墨烯刻蚀过程中对沟道区石墨烯造成损伤；本发明方法具有良好的可操作性，与顶栅石墨烯场效应晶体管制备工艺兼容，可以制备出具有较小接触电阻的顶栅石墨烯场效应晶体管。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的减小欧姆接触工艺后的顶栅石墨烯场效应晶体管的示意图；
图2为制备图1所示的减小顶栅石墨烯场效应晶体管欧姆接触的方法流程图；
图3至图8为图2中步骤S11至S16的结构变化示意图；
图9a为利用传统的块状接触结构制备的顶栅石墨烯场效应晶体管在光学显微镜下的结构示意图；
图9b为利用减小后的梳型接触结构制备的顶栅石墨烯场效应晶体管在光学显微镜下的结构示意图；
图10为图9a和图9b中对应器件的直流测试结果。
具体实施方式
下面将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它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的减小欧姆接触工艺后的顶栅石墨烯场效应晶体管的结构示意图。
如图3至图8所示，减小欧姆接触工艺后的顶栅石墨烯场效应晶体管包括半导体衬底10、绝缘层11、石墨烯导电层12(如图3所示)、梳型源漏接触结构13(如图4所示)、栅介质层14(如图5所示)、源漏电极金属15(如图7所示)、栅金属16(如图8所示)；绝缘层11设置于半导体衬底10上，石墨烯导电层12设置于绝缘层11上，梳型源漏接触结构13设置于石墨烯导电层12上，栅介质层14选择性沉积在梳型源漏接触结构13之间的沟道区，源漏电极金属15选择性沉积在梳型源漏接触结构13两侧的接触区，栅金属16选择性沉积在沟道区的栅介质层14上。
图2是制备图1所示减小欧姆接触工艺后的顶栅石墨烯场效应晶体管的方法流程图。图3至图8是对应图3中的步骤S11到S16的结构变化示意图。以下结合图3至图8说明图2所示的实施例的详细制备方法。
如图2所示，所述减小顶栅石墨烯场效应晶体管欧姆接触的方法包括：
S11、在半导体衬底10上利用微机剥离法或CVD转移法制备出单层或少数层石墨烯材料，得到如图3所示的结构。
其中，衬底10为300nmSiO2。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SiC外延等方法。
S12、利用电子束曝光技术制备出梳型接触结构，得到如图4所示的结构。
如图4所示，在步骤S11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梳型源漏接触结构部分，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。
进一步，电子束蒸发15nmTi/50nmPt，在60℃热丙酮中浸泡10-30分钟，剥离掉曝光图形以外的金属，就得到了梳型源漏接触结构。
S13、沉积顶栅介质，得到如图5所示的结构。
如图5所示，沉积顶栅介质，具体步骤为将衬底转移至ALD腔体内。
(1)：用O3和三甲基铝为源在0℃温度范围内生长30个周期的氧化铝做种子层；
(2)：再用H2O和三甲基铝为源或O3和三甲基铝为源在200℃150个周期的氧化铝；
S14、图形化栅介质与石墨烯，得到如图6所示的结构。
如图6所示，利用9912光刻胶作为掩膜，并用稀释的H3PO4溶液(H3PO4：H2O＝1:3(体积比))对氧化铝介质进行有源区刻蚀，刻蚀速率为1nm每分钟；
进一步，利用Matrix对石墨烯导电层进行有源区刻蚀。
S15、制备出源漏接触电极，得到如图7所示的结构。
如图7所示，利用光刻剥离工艺在接触区选择性电子束蒸发20nmTi/200nmAu做为源漏电极金属。
S16、制备出栅电极，得到如图8所示的结构。
如图8所示，利用光刻剥离工艺在沟道区选择性电子束蒸发20nmTi/200nmAu做为栅电极金属。
图9a为利用传统的块状接触结构制备的顶栅石墨烯场效应晶体管在光学显微镜下的结构示意图；图9b为利用减小后的梳型接触结构制备的顶栅石墨烯场效应晶体管在光学显微镜下的结构示意图。
图10为图9a和图9b中对应器件的直流测试结果。可见，采用了梳型接触结构后，器件的电流特性明显增加，由于器件尺寸并没有发生变化，这说明器件接触电阻有了明显降低。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种减小欧姆接触工艺后的顶栅石墨烯场效应晶体管，其特征在于，包括半导体衬底、绝缘层、石墨烯导电层、梳型源漏接触结构、栅介质层、源漏电极金属、栅金属；所示绝缘层设置于所述半导体衬底上，所述石墨烯导电层设置于所述绝缘层上，所述梳型源漏接触结构设置于所述石墨烯导电层上，所述栅介质层选择性沉积在所述梳型源漏接触结构之间的沟道区，所述源漏电极金属选择性沉积在所述梳型源漏接触结构两侧的接触区，所述栅金属选择性沉积在沟道区的所述栅介质层上。
2.根据权利要求1所述的减小欧姆接触工艺后的顶栅石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述梳型源漏接触结构由图形化的钛、金、铬、钯或铂薄膜构成，单个梳指呈长条状，具体条带尺寸的宽度范围为10纳米～2微米，长度范围为500纳米～20微米。
3.根据权利要求1所述的减小欧姆接触工艺后的顶栅石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述栅介质层为电子束蒸发铝、钇活泼金属，随后通过氧化的方法构成；或者由原子层沉积氧化铝、氧化锆、氧化铪金属氧化物层构成。
4.根据权利要求1所述的减小欧姆接触工艺后的顶栅石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述源漏电极金属为钛、金、铬、钯或铂。
5.一种减小顶栅石墨烯场效应晶体管欧姆接触的方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)在半导体衬底上依次形成绝缘层和石墨烯导电层；
(2)在所述半导体衬底上旋涂光刻胶，曝光后显影出梳型源漏接触结构，选择性沉积金属后剥离；
(3)在石墨烯导电层上沉积栅介质层；
(4)对栅介质层和石墨烯进行图形化刻蚀；
(5)在梳型源漏接触结构上选择性沉积源漏电极金属；
(6)在沟道区栅介质层上沉积栅金属。
6.根据权利要求5所述的减小顶栅石墨烯场效应晶体管欧姆接触的方法，其特征在于，所述步骤(2)使用的光刻胶为正胶9912、翻转胶AZ5214、电子束胶PMMA、MMA、UVⅢ和ZEP胶。
7.根据权利要求6所述的减小顶栅石墨烯场效应晶体管欧姆接触的方法，其特征在于，当光刻胶为正胶9912时，所述步骤(2)中显影所用的显影液为CD26；当光刻胶为翻转胶时，所述步骤(2)中显影所用的显影液为AZ显影液；当光刻胶为电子束胶时，所述步骤(2)中显影所用的显影液为邻二甲苯或N50。
8.根据权利要求5所述的减小顶栅石墨烯场效应晶体管欧姆接触的方法，其特征在于，所述步骤(4)中对栅介质层进行图形化刻蚀时，采用正胶9912作为掩膜，利用H2SO4、H3PO4、HCL或HNO3与H2O所混合形成的稀释液对栅介质层进行刻蚀；或者采用AZ显影液或CD26对栅介质进行刻蚀。
9.根据权利要求5所述的减小顶栅石墨烯场效应晶体管欧姆接触的方法，其特征在于，所述步骤(4)中采用RIE或Matrix产生的氧等离子体对接触区石墨烯进行有源区刻蚀，沟道区石墨烯由栅介质保护，接触区石墨烯对以金属梳型源漏接触结构作为掩膜，被刻蚀成所需的条带状结构。
10.根据权利要求5所述的减小顶栅石墨烯场效应晶体管欧姆接触的方法，其特征在于，所述步骤(5)中的源漏电极金属采用钛、金、铬、钯或铂，完全覆盖梳型源漏接触结构，形成完整的欧姆接触。
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