CN110137075A - 一种离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法，将复合金属膜同离子注入技术结合实现晶体管的自对准。本发明利用不同金属、石墨烯之间氧化性能的不同，以区域选择离子注入的方式实现栅介质的氧化，实现晶体管栅极和源/漏极的对准，可有效降低寄生、避免石墨烯裸露，制备高质量栅介质，提升石墨烯晶体管的频率特性。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法。
背景技术
石墨烯具有高电子迁移率、高电子饱和速度等优良特性，在高频领域具有光明的应用前景。石墨烯场效应晶体管是石墨烯高频器件的最基本单元，也是构造低噪放混频器等功能电路的基础。
石墨烯在晶体管结构中作为导电层，高电子饱和速度的能否得到发挥，能否转换为高频性能是其优势体现的关键。从石墨烯晶体管的输运特性出发，沟道区的载流子饱和速度主要漏极加速电场以及栅区石墨烯界面散射决定，其中漏极加速的效果直接受源、漏寄生电阻的制约，而栅区石墨烯界面散射则由栅介质的制备工艺决定。
优化器件寄生电阻的方法一般是选择功函数相近的金属降低接触和使用腐蚀自对准或栅隔离源漏自对准的方法减小栅-源(漏)串联电阻，虽然这种自对准方法能将栅-源(漏)间隙减小，但间隙区域石墨烯为裸露状态，在后期石墨烯表面吸附水、气体等不稳定分子会造成晶体管性能的退化。为降低界面散射，最常用的栅介质的制备方法则为金属自氧化形成缓冲后以ALD生长电介质，在此过程中，自氧化缓冲层一般为1-2nm，均匀性和连续性很难控制，在ALD生长过程中对介质生长速度影响很大。目前尚未见到能将自对准和栅介质制备进行一体化设计并实现自对准的方法报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法，兼容于传统CMOS工艺，同时可减小石墨烯FET器件寄生电阻。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法，具体步骤如下：
步骤1，将CVD法制备的石墨烯材料制备于金属衬底上，在石墨烯上蒸发一层复合金属X/Y，复合金属X/Y种类的选择需满足两个条件：金属Y可湿法腐蚀或干法刻蚀，且同条件下金属X不同湿法腐蚀液或干法刻蚀气体反应；X可在离子注入条件下被氧化形成介质，此注入工艺下金属Y不反应，且在晶体管制备完成后能保护X不受活性气体氧化；
步骤2，将复合金属X/Y作为转移载体，金属衬底朝下置于腐蚀液中，金属衬底溶解，石墨烯附着于复合金属X/Y，清洗后转移至目标衬底上；
步骤3，以平面光刻显影技术在隔离区进行栅的光刻，选择性曝光露出栅电极区；
步骤4，对样品进行浸泡腐蚀，去掉栅区石墨烯上方复合金属中金属Y，湿法腐蚀过程中的侧腐使得栅和源之间形成物理隔离，腐蚀完成后去离子水清洗；
步骤5，同光刻条件下对样品进行离子注入，复合金属中金属X露出的部分在离子注入条件下被氧化形成栅介质，未露出的部分和石墨烯之间以欧姆接触形成晶体管的源极和漏极；
步骤6，同光刻条件下对样品进行栅金属的制备，之后浸泡光刻胶溶剂剥离金属，完成石墨烯FET器件的制备。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)离子注入氧化制备栅介质形成自对准结构，可保持较小的栅-源(漏)间距，利于降低器件的寄生电阻；(2)栅-源(漏)间隙由下层金属氧化物覆盖，形成石墨烯表面钝化保护层，在晶体管制备完成后此区域不会因石墨烯裸露而吸附气体、水而影响晶体管电学性能；(3)以复合金属膜选择性离子注入制备栅介质，避免石墨烯表面无悬挂键引起介质生长难控制的问题。
附图说明
图1为Cu衬底生长石墨烯示意图。
图2为在Cu衬底生长的石墨烯表面沉积复合金属结构示意图。
图3为石墨烯/复合金属转移至Si衬底结构示意图。
图4为栅区曝光后上层金属湿法腐蚀示意图。
图5为离子注入氧化下层金属示意图。
图6为栅金属沉积示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法，使用复合结构区域选择注入的方式直接形成栅和源漏的自对准，可保持较小的栅-源(漏)间距，且间隙处由介质覆盖，避免沟道裸露性能退化，具体步骤如下：
步骤1，将CVD法制备的石墨烯材料制备于金属衬底上，在石墨烯上蒸发一层复合金属X/Y，复合金属X/Y包括上层金属Y和下层金属X，金属X接触石墨烯，复合金属X/Y种类的选择需满足两个条件：金属Y可湿法腐蚀或干法刻蚀，且同条件下金属X不同湿法腐蚀液或干法刻蚀气体反应；X可在离子注入条件下被氧化形成介质，此注入工艺下金属Y不反应，且在晶体管制备完成后能保护X不受活性气体氧化；
步骤2，将以上复合金属X/Y作为转移载体，金属衬底朝下置于腐蚀液中，金属衬底溶解，石墨烯附着于上层复合金属X/Y，去离子水清洗后转移至目标衬底上；
步骤3，选择隔离区，将其他无用区域的石墨烯/复合金属刻蚀去掉，以平面光刻显影技术在隔离区进行栅的光刻，依据器件结构设计选择性曝光露出栅电极区；
步骤4，对样品进行浸泡腐蚀，去掉栅区石墨烯上方复合金属中金属Y，金属X不同腐蚀液反应；湿法腐蚀过程中金属Y发生一定量的侧腐，使得栅和源之间形成物理隔离，腐蚀完成后去离子水清洗；
步骤5，同光刻条件下对样品进行离子注入，复合金属中金属X露出的部分在离子注入条件下被氧化形成栅介质，未露出的部分和石墨烯之间以欧姆接触形成晶体管的源极和漏极；
步骤6，同光刻条件下对样品进行栅金属的制备，之后浸泡能够溶解光刻胶的溶剂剥离金属，完成石墨烯FET器件的制备。
进一步的，步骤1中使用的复合金属为Cu、Ni、Ti、Ag、Al、Cr、Pd、Au、Mo、W、Fe中二种的组合，能被化学腐蚀的金属和被离子注入氧化，两种金属的质量比为0.01～100:1，复合金属厚度范围为1nm～5000nm。
进一步的，步骤4中复合金属中金属Y的腐蚀液为氢氟酸、王水、碘化钾和碘的混合液，氨水和双氧水的混合液，硼酸溶液、盐酸溶液或硝酸溶液与冰乙酸的混合液中的任一种。
进一步的，步骤5中金属X注入氧化气体为氮离子、氧离子、氟离子的一种或多种混合气体。
进一步的，石墨烯为一层或多层、单晶或多晶石墨烯薄膜材料。
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
实施例
一种离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法，包括以下步骤：
1)取CVD法制备于Cu衬底上的石墨烯为样品，在石墨烯连带Cu衬底上制备10nmAl/30nm Au，如图1、图2所示。
2)将样品按Al/Au上Cu下置于0.5mol/L的FeCl3水溶液中，样品可在水的张力下漂浮，静置8小时至衬底Cu完全腐蚀溶解，石墨烯附着于上层复合金属薄膜上漂浮，样品随后转移至去离子水中静置30分钟清洗掉残留的FeCl3溶液，然后用高阻Si片将样品从去离子水中捞起，90℃烘烤3小时后除尽衬底同石墨烯之间残留的水，使石墨烯/复合金属紧贴于衬底之上，如图3所示。
3)转移样品涂胶并选择隔离区光刻，无用部分先后用氰化物腐金液、盐酸去掉复合金属Au和Al，随后用氧等离子体刻蚀掉石墨烯；其中氰化物腐金液浓度为0.5mol/L，时间5分钟；盐酸浓度0.5mol/L，时间30s。
4)以平面光刻显影技术在隔离区内进行栅图形光刻，选择性曝光显影使栅区复合金属裸露，其他区域光刻胶保护，用氰化物腐金液对样品进行浸泡腐蚀20s，去掉复合金属上层金属Au，而Al于此过程不同氰化物腐金液反应。氰化物在腐金过程中，会产生一定的侧腐，保持与后续栅金属的物理隔离，腐蚀完成后以去离子水洗净残留的氰化物腐金液，如图4所示。
5)同光刻条件下将样品置入离子注入机，选择氧气为注入气体，由于复合金属膜中的Al和氧具有更强的化学活性且Al膜在石墨烯上方，控制注入功率、剂量和时间，可确保Al被充分氧化形成Al2O3而石墨烯不被氧化，如图5所示。
6)保持同光刻条件，在样品上方以电子束蒸发生长200nm Au作为栅金属，如图6所示，之后以标准的有机溶剂剥离工艺剥离掉其他区域的金属，完成注入氧化自对准石墨烯晶体管的制备。
Claims (8)
1.一种离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将CVD法制备的石墨烯材料制备于金属衬底上，在石墨烯上蒸发一层复合金属X/Y，复合金属X/Y种类的选择需满足两个条件：金属Y可湿法腐蚀或干法刻蚀，且同条件下金属X不同湿法腐蚀液或干法刻蚀气体反应；X可在离子注入条件下被氧化形成介质，此注入工艺下金属Y不反应，且在晶体管制备完成后能保护X不受活性气体氧化；
步骤2，将复合金属X/Y作为转移载体，金属衬底朝下置于腐蚀液中，金属衬底溶解，石墨烯附着于复合金属X/Y，清洗后转移至目标衬底上；
步骤3，以平面光刻显影技术在隔离区进行栅的光刻，选择性曝光露出栅电极区；
步骤4，对样品进行浸泡腐蚀，去掉栅区石墨烯上方复合金属中金属Y，湿法腐蚀过程中的侧腐使得栅和源之间形成物理隔离，腐蚀完成后去离子水清洗；
步骤5，同光刻条件下对样品进行离子注入，复合金属中金属X露出的部分在离子注入条件下被氧化形成栅介质，未露出的部分和石墨烯之间以欧姆接触形成晶体管的源极和漏极；
步骤6，同光刻条件下对样品进行栅金属的制备，之后浸泡光刻胶溶剂剥离金属，完成石墨烯FET器件的制备。
2.根据权利要求1所述的离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法，其特征在于，步骤1中使用的复合金属为Cu、Ni、Ti、Ag、Al、Cr、Pd、Au、Mo、W、Fe中二种的组合。
3.根据权利要求1所述的离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法，其特征在于，复合金属中两种金属的质量比为0.01～100:1，复合金属厚度范围为1nm～5000nm。
4.根据权利要求1所述的离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法，其特征在于，步骤4中金属Y的腐蚀液为氢氟酸、王水、碘化钾和碘的混合液，氨水和双氧水的混合液，硼酸溶液、盐酸溶液或硝酸溶液与冰乙酸的混合液中的任一种。
5.根据权利要求1所述的离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法，其特征在于，步骤5中金属X注入氧化气体为氮离子、氧离子、氟离子的一种或多种混合气体。
6.根据权利要求1所述的离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法，其特征在于，所述石墨烯为一层或多层石墨烯薄膜材料。
7.根据权利要求1或6所述的离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法，其特征在于，所述石墨烯为单晶或多晶石墨烯薄膜材料。
8.根据权利要求1所述的离子注入氧化实现自对准石墨烯晶体管的制造方法，其特征在于，所述光刻胶溶剂为丙酮。
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