CN111969037B - 一种空气隙石墨烯场效应管结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成电路的技术领域，公开了一种空气隙石墨烯场效应管结构，使用石墨烯材料作为沟道，所述沟道的上下表面均部分或者全部与空气或者真空接触。所述石墨烯材料设置为氧化石墨烯材料通过旋涂在沟道位置后，经过高温还原得到。在石墨烯材料的沟道上下方均设置空气隙，形成悬浮式沟道，从而改善了石墨烯沟道与其它材料接触引起其载流子迁移率大幅度下降的问题，最大程度地保留石墨烯中载流子的高迁移率，降低石墨烯表面特性的退化，提高石墨烯器件的电学特性，而通过氧化石墨烯旋涂到沟道位置，再进行高温还原得到石墨烯，形成石墨烯沟道，可以最大程度地提升工艺的可操作性。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路的技术领域，尤其涉及一种空气隙石墨烯场效应管结构及制备方法。
背景技术
以碳材料为基础的纳米电子学，尤其是石墨烯(Graphene)材料，由于具有较高的载流子迁移率和饱和速度，其载流子迁移率理论数值比常规半导体材料高出几个数量级，被认为是可替代硅的下一代集成电路新材料，然而在实际应用中，一旦将石墨烯沉积在某一衬底上时，由于石墨烯与衬底接触表面的相互作用导致载流子迁移率大幅度下降，因此需要设计专署的石墨烯晶体管，以解决该问题并尽可能提升器件的特性。
发明内容
本发明提供了一种空气隙石墨烯场效应管结构及制备方法，解决了现有制备器件的过程中，石墨烯与衬底接触表面的相互作用导致载流子迁移率大幅度下降等问题。
本发明可通过以下技术方案实现：
一种空气隙石墨烯场效应管结构，使用石墨烯材料作为沟道，所述沟道的上下表面均部分或者全部与空气或者真空接触。
由于石墨烯材料的沟道上下表面均全部或部分与空气/真空接触，形成悬浮式沟道，从而改善了石墨烯沟道与其它材料接触引起的载流子迁移率大幅度下降的问题，降低石墨烯表面特性的退化，有效地提升了石墨烯晶体管的性能，可以应用到THZ等RF或光学器件中。
作为优选的技术方案如下：
如上文所述的一种空气隙石墨烯场效应管结构，与所述沟道相连的栅介质层材料部分或者全部设置为空气或者真空。
如上文所述的一种空气隙石墨烯场效应管结构，所述石墨烯材料由氧化石墨烯材料旋涂在沟道位置后，经过高温还原得到。
由于含氧功能团的存在，氧化石墨烯很容易分散在有机溶剂、水和不同的基体中，然后在高温还原气体条件下退火，将氧化石墨烯还原成石墨烯，便于沟道两侧空气隙的形成，避免直接使用石墨烯材料制备沟道时，其成膜对衬底的独特要求、成膜温度过高以及石墨烯转移工艺与主流CMOS工艺不兼容等原因，造成器件无法大规模集成制造的问题。
如上文所述的一种空气隙石墨烯场效应管结构，所述沟道下方设置有一个或者多个空气隙，所述沟道上方也设置有一个或者多个空气隙，栅电极在投影上与源电极和漏电极均有交叠。
为了提高对沟道的支撑，在现有工艺允许的前提下，沟道的下方可以有一个或者多个空气隙，上方也设置一个或者多个空气隙，优选均为一个，以尽量减少沟道与其它材料的接触面积，从而有效改善由于接触引起沟道中石墨烯材料的载流子迁移率大幅度下降的问题。
栅电极与源电极和漏电极在投影上有交叠，确保整个石墨烯沟道都能够被栅电极的电场所控制，使器件工作达到预期性能，如果不交叠，那么该不交叠区域的石墨烯沟道可能无法被栅电极的电场所控制。
如上文所述的一种空气隙石墨烯场效应管结构，所述沟道下方设置有多个空气隙时，所述沟道的下表面部分接触空气隙，部分接触空气隙之间的介质。
如上文所述的一种空气隙石墨烯场效应管结构，所述源电极和漏电极位于沟道上方，栅电极位于沟道下方时，所述沟道下方的空气隙的底部和侧面均被介质包围。
如上文所述的一种空气隙石墨烯场效应管结构，所述源电极和漏电极位于沟道下方，栅电极位于沟道上方时，所述栅电极的两侧由介质构成的支柱支撑，所述栅电极中央的下方依次设置为空气隙和沟道。
形成空气隙的结构有很多，可以在沟道的上下沉积介质层，刻蚀掉部分介质层形成一个或者多个凹槽，凹槽的形状可以根据需要而定，如方形、弧形等，这样，沟道就可以借助多个位置的介质支撑，考虑到氧化石墨烯需要旋涂到沟道位置，沟道下方凹槽的底部最好也要有介质，避免旋涂过程中，极少部分氧化石墨烯掉落到与介质层相接触的下层材料上，如栅电极等等，而沟道上方的介质可用于做支撑，将栅电极与沟道相隔离以形成上方的空气隙，或者可用于做覆盖，沟道的上方为源电极和漏电极时，已经形成了一个敞开的空间，因此，可以在源电极和漏电极的上方再做一层介质进行覆盖，就可以形成空气隙，同时也是对源电极和漏电极的保护。
一种基于上文所述的空气隙石墨烯场效应管结构的制备方法，以下步骤：
步骤一、在衬底上形成栅电极图形；
步骤二、利用刻蚀沉积工艺形成单个或者多个被介质包围的凹槽结构；
步骤三、利用浸没式沉积方法将氧化石墨烯沉积在凹槽结构上，并形成空气隙，再高温还原成石墨烯，形成沟道；
步骤四、利用牺牲层工艺在沟道上制备源电极和漏电极，并在两者之间形成空气隙；
或者
步骤Ⅰ、在衬底上形成源电极和漏电极图形；
步骤Ⅱ、利用浸没式沉积方法将氧化石墨烯沉积在源电极和漏电极之上，形成空气隙，再高温还原成石墨烯，形成沟道；
步骤Ⅲ、利用牺牲层工艺在沟道上制备栅电极两侧的支柱以及栅电极，并在它们之间形成空气隙。
考虑到生产工艺的可行性及效益最优化，利用浸没式沉积方法将氧化石墨烯沉积在凹槽结构上或者源电极和漏电极之上，如先将氧化石墨烯溶于水，利用IPA异丙醇等溶剂调节黏性，然后将该溶液旋涂到沟道位置，形成沟道下方的空气隙，整个过程的操作简单，便于实现；同样，牺牲层工艺是普遍应用在集成电路生产中的，采用此工艺在沟道上制备栅电极两侧的支柱也是很容易操作的。
如上文所述的空气隙石墨烯场效应管结构的制备方法，所述沟道下方的空气隙的尺寸小于氧化石墨烯的二维晶粒尺寸。
氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米，因此，只要将氧化石墨烯的二维晶粒尺寸控制在大于沟道下方的空气隙的横向尺寸，那么氧化石墨烯就可以旋涂在空气隙对应的凹槽或者源电极和漏电极之上，便于下方空气隙的产生。
如上文所述的空气隙石墨烯场效应管结构的制备方法，所述步骤二包括在具有栅电极的衬底上沉积介质层并实现表面平坦化，然后再沉积一层第一介质层，在栅电极区域刻蚀第一介质层停在栅电极上，形成一个或者多个凹槽，最后再沉积一层第二介质层；
所述步骤四包括在沟道上沉积牺牲层，并进行图形化，露出源电极和漏电极的支撑区域，再沉积金属薄膜，刻蚀源电极和漏电极之间区域的金属薄膜停在牺牲层上，然后沉积一层第一介质层并图形化，其以源电极和漏电极作为支撑柱，将沟道上表面的牺牲层盖住，最后释放牺牲层，形成空气隙。
如上文所述的空气隙石墨烯场效应管结构的制备方法，所述步骤Ⅲ包括在沟道上沉积牺牲层并图形化，露出介质支撑区域，再沉积介质层，刻蚀源电极和漏电极之间区域的介质层并停在牺牲层上，形成栅电极两侧的支柱，最后沉积栅电极并图形化，释放牺牲层，形成空气隙。
本发明有益的技术效果在于：
在石墨烯材料的沟道上下方均设置空气隙，形成悬浮式沟道，从而改善了石墨烯沟道与其它材料接触引起其载流子迁移率大幅度下降的问题，最大程度地保留石墨烯中载流子的高迁移率，降低石墨烯表面特性的退化，提高石墨烯器件的电学特性，而通过氧化石墨烯旋涂到沟道位置，再进行高温还原得到石墨烯，形成石墨烯沟道，可以最大程度地提升工艺的可操作性，提高石墨烯器件的稳定性。
附图说明
图1为本发明的实施例1对应的结构示意图；
图2为本发明的实施例2对应的结构示意图；
图3为本发明的实施例3对应的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种空气隙石墨烯场效应管结构的制备方法，整体采用正栅结构，具体如下：
Step1、在衬底上沉积金属薄膜，并进行图形化处理，形成源电极和漏电极图形；
Step 2、将氧化石墨烯溶于水，利用IPA异丙醇等溶剂调节其黏性，然后将该溶液旋涂到带源电极和漏电极图形的衬底上，保持氧化石墨烯的二维晶粒尺寸大于源电极和漏电极图形之间的横向间距，确保氧化石墨烯可以旋涂到源电极和漏电极图形之上，最后均匀烘干后，在源电极和漏电极上形成悬浮式的氧化石墨烯，进而形成空气隙，即为沟道下方的空气隙；
Step 3、以氢气H2作为还原气体，在高温环境下进行退火处理，将氧化石墨烯还原为石墨烯，从而形成悬浮式沟道；
Step 4、在沟道上沉积牺牲层，如非晶硅，然后进行图形化处理，露出介质支撑区域；
Step 5、沉积一层介质层，然后刻蚀源电极和漏电极之间区域的介质层，停在牺牲层上，形成栅电极两侧支撑用的支柱；
Step 6、沉积栅电极并图形化，释放去除牺牲层，从而在栅电极和沟道之间形成空气隙，即形成沟道上方的空气隙。
实施例2
如图2所示，本发明提供了一种空气隙石墨烯场效应管结构的制备方法，整体采用背栅结构，具体如下：
Step 1、在衬底上沉积金属薄膜，并进行图形化处理，形成栅电极图形，然后沉积介质层，并通过介质化学机械抛光实现平坦化；或者先沉积介质层，在介质层上进行图形化处理，然后填充栅电极金属材料，再通过金属化学机械抛光实现平坦化；
Step 2、沉积一层第一介质层，刻蚀栅电极区域的第一介质层，形成多个凹槽，再沉积一层第二介质层，这样，借助第一介质层，可以较准确地控制凹槽的深度和大小，而利用第二介质层将凹槽部分暴露出的栅电极覆盖，使整个凹槽都被介质包围，避免后续旋涂氧化石墨烯溶液时，沿凹槽的侧壁流下接触到栅电极表面；
Step 3、将氧化石墨烯溶于水，利用IPA异丙醇等溶剂调节其黏性，然后将该溶液旋涂到带凹槽结构的栅电极上，保持氧化石墨烯的二维晶粒尺寸大于凹槽的横向尺寸，确保氧化石墨烯能够被旋涂到凹槽上，最后均匀烘干后，在凹槽结构上形成悬浮式的氧化石墨烯，进而形成多个空气隙，即沟道下方的空气隙；
Step 4、以氢气H2作为还原气体，在高温环境下进行退火处理，将氧化石墨烯还原为石墨烯，从而形成悬浮式沟道；
Step 5、在沟道沉积一层牺牲层，如非晶硅，然后进行图形化处理，露出源电极和漏电极接触区域；
Step 6、沉积一层金属薄膜，然后刻蚀源电极和漏电极之间区域的金属薄膜，停在牺牲层上，形成源电极和漏电极；
Step 7、沉积一层第一介质层，并进行图形化处理，该第一介质层利用源电极和漏电极作为支撑柱，将沟道上表面的牺牲层盖住，释放去除牺牲层，形成沟道上方的空气隙。
实施例3
如图3所示，本发明提供了一种空气隙石墨烯场效应管结构的制备方法，该制备方法与实施例2类似，整体也采用背栅结构，仅是Step 2中沉积一层第一介质层，刻蚀栅电极区域的第一介质层，形成一个凹槽，再沉积一层第二介质层。与实施例2相比，本实施例的沟道下方仅形成一个大的凹槽即一个空气隙，大大减少了沟道与介质的接触面积，最大限度地改善了石墨烯沟道与其它材料接触引起其载流子迁移率大幅度下降的问题，最大程度地保留石墨烯中载流子的高迁移率，降低石墨烯表面特性的退化，提高石墨烯器件的电学特性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (6)
1.一种空气隙石墨烯场效应管结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、在衬底上形成栅电极图形；
步骤二、在具有栅电极的衬底上沉积介质层并实现表面平坦化，使得栅电极的顶面和介质层的顶面齐平，然后在表面上沉积一层第一介质层，在栅电极区域刻蚀第一介质层停在栅电极上，形成多个凹槽，最后在凹槽的底面沉积一层第二介质层，且第二介质层未填满凹槽；
步骤三、将氧化石墨烯溶于水后再旋涂到凹槽结构上，形成多个空气隙，再高温还原成石墨烯，形成沟道；所述沟道下方空气隙的尺寸小于氧化石墨烯的二维晶粒尺寸；
步骤四、在沟道上沉积牺牲层，并进行图形化，露出源电极和漏电极的支撑区域，再沉积金属薄膜，刻蚀源电极和漏电极之间区域的金属薄膜停在牺牲层上，然后沉积一层第一介质层并图形化，其以源电极和漏电极作为支撑柱，将沟道上表面的牺牲层盖住，最后释放牺牲层，形成空气隙。
2.根据权利要求1所述的空气隙石墨烯场效应管结构的制备方法，其特征在于：所述空气隙石墨烯场效应管结构使用石墨烯材料作为沟道，所述沟道的上表面部分或者全部与空气或者真空接触，下表面部分与空气或者真空接触。
3.根据权利要求1所述的空气隙石墨烯场效应管结构的制备方法，其特征在于：与所述沟道相接的栅介质层材料部分设置为空气或者真空。
4.根据权利要求1所述的空气隙石墨烯场效应管结构的制备方法，其特征在于：所述沟道下方设置有多个空气隙，所述沟道上方设置有一个或者多个空气隙，栅电极在投影上与源电极和漏电极均有交叠。
5.根据权利要求4所述的空气隙石墨烯场效应管结构的制备方法，其特征在于：所述沟道下方设置有多个空气隙时，所述沟道的下表面部分接触空气隙，部分接触空气隙之间的介质。
6.根据权利要求4所述的空气隙石墨烯场效应管结构的制备方法，其特征在于：所述源电极和漏电极位于沟道上方，栅电极位于沟道下方时，所述沟道下方的空气隙的底部和侧面均被介质包围。
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