CN105914148A - 石墨烯场效应管的制备方法及形成的石墨烯场效应管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种石墨烯场效应管的制备方法及形成的石墨烯场效应管，所述方法包括：在衬底上制备或转移石墨烯材料；在所述石墨烯材料上制备源电极及漏电极；采用光学光刻的方式使沟道区的石墨烯材料形成多个石墨烯条带；在所述多个石墨烯条带上沉积高介电常数介质；以所述高介电常数介质为掩膜对所述多个石墨烯条带进行刻蚀，形成石墨烯纳米带；在所述石墨烯纳米带上制备栅电极，形成场效应管。本发明能够获得高开关比的场效应管，同时工艺成本低。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种石墨烯场效应管的制备方法及形成的石墨烯场效应管。
背景技术
目前，集成电路的设计多是基于硅半导体的器件，而随着科技的发展，对集成电路的性能如速度等提出了更高的要求，需要开发新的具有更高载流子迁移率的材料体系和新的技术手段来进一步延展摩尔定律以及超越硅材料体系，推进集成电路技术的发展。
以碳材料为基的纳米电子学，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。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：对于普通的石墨烯晶体管，由于具有较小的开关比，很难用于逻辑器件的制备。
发明内容
本发明提供一种石墨烯场效应管的制备方法及形成的石墨烯场效应管，采用光学光刻的方式制得石墨烯纳米带场效应管，获得的场效应管具有高开关比，同时工艺成本低。
第一方面，本发明提供一种石墨烯场效应管的制备方法，所述方法包括：
在衬底上制备或转移石墨烯材料；
在所述石墨烯材料上制备源电极及漏电极；
采用光学光刻的方式使沟道区的石墨烯材料形成多个石墨烯条带；
在所述多个石墨烯条带上沉积高介电常数介质；
以所述高介电常数介质为掩膜对所述多个石墨烯条带进行刻蚀，形成石墨烯纳米带；
在所述石墨烯纳米带上制备栅电极，形成场效应管。
可选地，所述衬底上层是绝缘层，所述的绝缘层为SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2、BN、SiC、或玻璃，所述衬底的下层为半导体材料。
可选地，所述在衬底上制备或转移石墨烯材料包括：
采用机械剥离、CVD生长或直接外延在所述衬底上形成1-3层石墨烯层。
可选地，所述在所述石墨烯材料上制备源电极及漏电极包括：
在所述石墨烯材料上涂光刻胶，通过曝光显影形成源电极图形及漏电极图形，在所述源电极图形及漏电极图形区域蒸发金属形成源电极及漏电极。
可选地，所述高介电常数介质材料为SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2、TiO2或Y2O3，或者所述高介电常数介质材料SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2、TiO2、Y2O3中的一种或多种组合。
可选地，所述在所述石墨烯纳米带上制备栅电极包括：
在所述石墨烯纳米带上沉积栅电极介质，沉积栅电极金属后形成栅电极。
第二方面，本发明提供一种石墨烯场效应管，所述石墨烯场效应管采用上述所述的石墨烯场效应管的制备方法制备而成。
本发明实施例提供的石墨烯场效应管的制备方法及形成的石墨烯场效应管，通过光学光刻对石墨烯进行图形化，使沟道区的石墨烯层形成多个石墨烯条带；然后用原子层沉积高介电常数介质，因为原子层沉积需要额外的悬挂键，使得高介电常数介质主要沉积在石墨烯条带的边缘处，以此高介电常数介质为掩膜，对石墨烯进行刻蚀，得到了石墨烯纳米带沟道；最后在石墨烯纳米带上制备栅金属。石墨烯纳米带沟道增大了器件的开关比，光学光刻的制备方式降低了成本。
附图说明
图1为本发明一实施例石墨烯场效应管的制备方法的流程图；
图2为本发明一实施例石墨烯场效应管的制备方法中形成石墨烯层的结构示意图；
图3为本发明一实施例石墨烯场效应管的制备方法中形成源电极及漏电极的结构示意图；
图4为本发明一实施例石墨烯场效应管的制备方法中形成石墨烯条带的结构示意图；
图5为本发明一实施例石墨烯场效应管的制备方法中形成石墨烯纳米带的结构示意图；
图6为本发明一实施例石墨烯场效应管的制备方法中形成栅电极的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种石墨烯场效应管的制备方法，如图1所示，所述方法包括：
S11在衬底上制备或转移石墨烯材料；
S12在所述石墨烯材料上制备源电极及漏电极；
S13采用光学光刻的方式使沟道区的石墨烯材料形成多个石墨烯条带；
S14在所述多个石墨烯条带上沉积高介电常数介质；
S15以所述高介电常数介质为掩膜对所述多个石墨烯条带进行刻蚀，形成石墨烯纳米带；
S16在所述石墨烯纳米带上制备栅电极，形成场效应管。
本发明实施例提供的石墨烯场效应管的制备方法，通过光学光刻对石墨烯进行图形化，使沟道区的石墨烯片形成多个石墨烯条带；然后用原子层沉积高介电常数介质，因为原子层沉积需要额外的悬挂键，使得高介电常数介质主要沉积在石墨烯条带的边缘处，以此高介电常数介质为掩膜，对石墨烯进行刻蚀，得到了石墨烯纳米带沟道；最后在石墨烯纳米带上制备栅金属。石墨烯纳米带沟道增大了器件的开关比，光学光刻的制备方式降低了成本。
可选地，所述衬底上层是绝缘层，所述的绝缘层为SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2、BN、SiC、或玻璃，所述衬底的下层为半导体材料。
可选地，所述在衬底上制备或转移石墨烯材料包括：
采用机械剥离、CVD生长或直接外延在所述衬底上形成1-3层石墨烯层。
可选地，所述在所述石墨烯材料上制备源电极及漏电极包括：
在所述石墨烯材料上涂光刻胶，通过曝光显影形成源电极图形及漏电极图形，在所述源电极图形及漏电极图形区域蒸发金属形成源电极及漏电极。
可选地，所述高介电常数介质材料为SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2、TiO2或Y2O3，或者所述高介电常数介质材料SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2、TiO2、Y2O3中的一种或多种组合。
可选地，所述在所述石墨烯纳米带上制备栅电极包括：
在所述石墨烯纳米带上沉积栅电极介质，沉积栅电极金属后形成栅电极。
本发明实施例提供的石墨烯场效应管的制备方法的一具体实施例的操作流程如图2所示，包括：
步骤1：石墨烯材料的制备。如图2所示，采用CVD生长的方法制备石墨烯材料层12，并转移到覆盖有二氧化硅绝缘层11的重掺杂硅衬底10上。
步骤2：源电极及栅电极的形成。如图3所示，在形成的石墨烯材料上涂敷光刻胶AZ5214后，经过曝光显影后形成源电极图形区及漏电极图形区，在所述源电极图形区及漏电极图形区蒸发金属。利用电子束蒸发及剥离工艺得到源电极金属及漏电极金属，从而形成源电极14及漏电极13。该金属层采用金属Pd/Au，底层金属Pd厚度选择为20nm，顶层金属Au为80nm。
步骤3：石墨烯图形化，如图4：根据需要设计石墨烯条带的尺寸，利用光学光刻及干法刻蚀得到沟道区的N条石墨烯带，其他部分的石墨烯全部利用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀机刻蚀掉，石墨烯干法刻蚀采用的方法为利用Matrix、RIE刻蚀机或trymax等半导体设备，在惰性气体或者氧气与惰性气体结合的环境下实现对石墨烯材料的干法刻蚀。具体地选择气体源为Ar：O2＝30sccm:30sccm，功率选择20w，刻蚀时间设置在5～30s之间。在此实施例中形成2条石墨烯条带。
步骤4：在形成的石墨烯条带上原子层沉积高介电常数介质，如沉积10nm厚的Al2O3。
步骤5：无掩膜刻蚀，结果如图5，因为石墨烯带的边缘处存在缺陷及悬挂键，使得原子层沉积高介电常数介质仅在边缘处存在，用沉积的高介电常数介质作为掩模对石墨烯条带进行刻蚀，从而使得在石墨烯条带中，覆盖有高介电常数介质的部分保留下来，形成石墨烯纳米带，其尺度在几十纳米，没有覆盖高介电常数介质的部分被刻蚀掉。因在此实施例中为2条石墨烯条带，每条石墨烯条带具有上下两个边缘，从而形成4条石墨烯纳米带。
步骤6：栅电极金属制备，如图6所示，在形成的石墨烯纳米带上通过原子层沉积得到栅电极介质层15，在栅电极介质层15上利用电子束蒸发及剥离工艺形成栅电极16的金属层。该金属层采用金属Pd/Au，底层金属Pd厚度选择为20nm，顶层金属Au为100nm。
本发明实施例还提供一种石墨烯场效应管，所述石墨烯场效应管采用上述所述的墨烯场效应管的制备方法制备而成。
本发明实施例提供的石墨烯场效应管，通过光学光刻对石墨烯进行图形化，使沟道区的石墨烯片形成多个石墨烯条带；然后用原子层沉积高介电常数介质，因为原子层沉积需要额外的悬挂键，使得高介电常数介质主要沉积在石墨烯条带的边缘处，以此高介电常数介质为掩膜，对石墨烯进行刻蚀，得到了石墨烯纳米带沟道；最后在石墨烯纳米带上制备栅金属。石墨烯纳米带沟道增大了器件的开关比，光学光刻的制备方式降低了成本。
本发明实施例提供的石墨烯场效应管制备方法及形成的石墨烯场效应管具有以下优势：
通过采用光学光刻及干法刻蚀工艺得到多个石墨烯条带，再利用原子层沉积只在石墨烯边缘处得到很好的介质覆盖，而非边缘处被刻蚀，得到多条并列的石墨烯纳米带。区别于电子束光刻得到的纳米带图形，本发明采用光学光刻，大大降低了工艺成本。
本发明将源漏电极的制备放在器件制备的第一步，一方面，避免了后续工艺中光刻胶在源漏电极与石墨烯之间的残留，另一方面，电极的存在使其下方的石墨烯在后续的工艺中不受影响，且接触面积即为金属电极的面积，大的接触面积减小了器件的接触电阻。
利用石墨烯纳米带做栅控沟道区，有效增大了石墨烯场效应管的开关比，而且具有低的工艺成本，可用于石墨烯逻辑器件的制备。
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 (7)
1.一种石墨烯场效应管的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上制备或转移石墨烯材料；
在所述石墨烯材料上制备源电极及漏电极；
采用光学光刻的方式使沟道区的石墨烯材料形成多个石墨烯条带；
在所述多个石墨烯条带上沉积高介电常数介质；
以所述高介电常数介质为掩膜对所述多个石墨烯条带进行刻蚀，形成石墨烯纳米带；
在所述石墨烯纳米带上制备栅电极，形成场效应管。
2.根据权利要求1所述的石墨烯场效应管的制备方法，其特征在于，
所述衬底上层是绝缘层，所述绝缘层为SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2、BN、SiC、或玻璃，所述衬底的下层为半导体材料。
3.根据权利要求2所述的石墨烯场效应管的制备方法，其特征在于，所述在衬底上制备或转移石墨烯材料包括：
采用机械剥离、CVD生长或直接外延在所述衬底上形成1-3层石墨烯层。
4.根据权利要求3所述的石墨烯场效应管的制备方法，其特征在于，所述在所述石墨烯材料上制备源电极及漏电极包括：
在所述石墨烯材料上涂光刻胶，通过曝光显影形成源电极图形及漏电极图形，在所述源电极图形及漏电极图形区域蒸发金属形成源电极及漏电极。
5.根据权利要求4所述的石墨烯场效应管的制备方法，其特征在于，所述高介电常数介质材料为SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2、TiO2或Y2O3，或者所述高介电常数介质材料SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2、TiO2、Y2O3中的一种或多种组合。
6.根据权利要求5所述的石墨烯场效应管的制备方法，其特征在于，所述在所述石墨烯纳米带上制备栅电极包括：
在所述石墨烯纳米带上沉积栅电极介质，沉积栅电极金属后形成栅电极。
7.一种石墨烯场效应管，其特征在于，所述石墨烯场效应管采用权利要求1-6中任一项所述的石墨烯场效应管的制备方法制备而成。
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