CN112309846B

CN112309846B - 一种二维材料场效应晶体管的制备方法

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Publication number: CN112309846B
Application number: CN202011032709.1A
Authority: CN
Inventors: 高学栋; 冯志红; 蔚翠; 何泽召; 刘庆彬; 郭建超; 周闯杰
Original assignee: CETC 13 Research Institute
Current assignee: CETC 13 Research Institute
Priority date: 2020-09-27
Filing date: 2020-09-27
Publication date: 2023-01-17
Anticipated expiration: 2040-09-27
Also published as: CN112309846A

Abstract

本发明涉及半导体晶体管技术领域，具体公开一种二维材料场效应晶体管的制备方法。所述制备方法包括如下步骤：在绝缘衬底上生长或转移二维材料层；在所述二维材料层表面依次蒸镀第一金属层和第二金属层；旋涂台面胶，光刻显影，腐蚀台面外金属；去除台面胶，旋涂电极光刻胶，光刻显影，蒸镀源漏电极并剥离；旋涂电子束光刻胶，曝光并显影，得到沟道图形，腐蚀第二金属层得栅槽，并清洗；使栅槽处第一金属层自氧化得到栅介质，蒸发栅金属并剥离。本发明提供的制备方法只腐蚀沟道处的第二金属层，使第一金属层自氧化形成栅介质，沟道处的二维材料不接触任何溶液避免污染问题出现，得到超洁净的二维材料场效应晶体管。

Description

一种二维材料场效应晶体管的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体晶体管技术领域，尤其涉及一种二维材料场效应晶体管的制备方法。

背景技术

二维材料，如石墨烯、二硫化钼、碳纳米管、二硫化钨等，具有与体材料完全不同的新奇性能，由二维材料制备的晶体管，可以应用于探测器，数字电路及射频电路中。

目前，传统的自对准晶体管制备技术是在二维材料表面蒸镀Au保护层，并使用自对准工艺腐蚀出二维材料沟道，再于沟道表面沉积栅介质和栅电极。然而，在制备过程中，通常会在二维材料表面残留Au和引入金属腐蚀液杂质，或Au腐蚀液与二维硫化物材料进行反应，造成晶体管沟道的污染破坏，降低了晶体管的性能。

发明内容

针对现有自对准晶体管制备技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种二维材料场效应晶体管的制备方法。

为达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种二维材料场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：

S1，在绝缘衬底上生长或转移二维材料层；

S2，在所述二维材料层表面依次蒸镀第一金属层和第二金属层，所述第一金属层为Ti或Ni，所述第二金属层为Au；

S3，在所述第二金属层表面旋涂台面胶，光刻显影形成台面图形，使用氧等离子体隔离台面，并用金属腐蚀液腐蚀台面外金属；

S4，去除台面胶，旋涂电极光刻胶，光刻显影，得到源漏电极图形，蒸镀源漏电极并剥离电极光刻胶；

S5，旋涂电子束光刻胶，进行曝光并显影，得到沟道图形，腐蚀沟道图形处的第二金属层形成栅槽，并清洗；

S6，在空气气氛下，使栅槽处第一金属层中的Ti或Ni自氧化形成栅介质，蒸发栅金属并剥离，得到二维材料场效应晶体管。

相对于现有技术，本发明提供的二维材料场效应晶体管的制备方法，在二维材料表面依次蒸镀由Ti或Ni形成的第一金属层和由Au形成的第二金属层，采用两种金属层作为二维材料的保护层，在自对准工艺过程中，只腐蚀沟道处的第二金属层的Au而保留第一金属层的Ti或Ni，使Ti或Ni暴露在空气中自氧化形成TiO₂或NiO栅介质，再在栅介质上形成栅，整个晶体管制作过程中沟道处的二维材料不会接触到任何溶液，可以有效的解决现有二维材料晶体管制作过程中材料表面被污染的问题，达到提升二维材料晶体管性能的目的。

进一步地，步骤S1中，所述绝缘衬底为二氧化硅、蓝宝石、金刚石、碳化硅、氧化镓、氮化镓或砷化镓衬底中的一种。

进一步地，步骤S1中，所述二维材料层为单层或多层。

进一步地，步骤S1中，二维材料为石墨烯、碳纳米管、MoS₂、WS₂、MoSe₂、WSe₂、ReSe₂、SnSe₂、PtSe₂、PdS₂、MoTe₂或GaTe中的一种。

进一步地，步骤S2中，所述第一金属层的厚度为1～10nm；所述第二金属层的厚度为20～50nm，作为保护层的同时，作为牺牲材料形成沟道，得到栅介质。

进一步地，步骤S3中，所述金属腐蚀液包括用于腐蚀Au的碘化钾溶液、用于腐蚀Ti的氢氟酸溶液和用于腐蚀Ni的三氯化铁溶液；所述氧等离子体的功率为50W～100W，隔离时间为4～6min。

进一步地，步骤S4中，所述源漏电极的底层为钛，上层为钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴或铁中的一种或两种以上组成的合金，所述源漏电极的厚度为15～500nm。

进一步地，步骤S6中，栅型为直栅或T型栅，栅的长为10～2000nm，宽为2～150μm。

进一步地，步骤S6中，Ti或Ni自氧化的温度为20～80℃，时间为6～24h，保证Ti或Ni完全氧化形成TiO₂或NiO栅介质，保证绝缘隔离效果。

进一步地，步骤S6中，所述栅金属的底层为铝、镍或钛，上层为钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴或铁中的一种或两种以上组成的合金，所述栅金属的厚度为100～500nm。

附图说明

图1是本发明实施例1中蒸镀金属层后的Au/Ti/石墨烯/SiC衬底结构示意图；

图2是本发明实施例1中进行台面隔离后晶体管的俯视图；

图3为本发明实施例1中曝光并显影后的沟道结构示意图；

图4为本发明实施例1中腐蚀沟道处金后的栅槽结构示意图；

图5为本发明实施例1中Ti自氧化为栅介质的晶体管的示意图；

图6为本发明实施例1中蒸发栅金属后的晶体管的示意图；

图7为本发明实施例1中剥离光刻胶上的栅金属后晶体管的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种二维材料场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：

S1，在绝缘衬底上生长或转移二维材料层；

S2，在所述二维材料层表面依次蒸镀由Ti或Ni形成的第一金属层和由Au形成的第二金属层；

S3，在所述第二金属层表面旋涂台面胶，光刻显影形成台面图形，使用氧等离子体隔离台面，并用金属腐蚀液腐蚀台面外的第二金属层和第一金属层；

S4，去除台面胶，旋涂电极光刻胶，光刻显影，在台面两侧腐蚀掉金属的二维材料表面得到源漏电极图形，蒸镀源漏电极并剥离电极光刻胶；

S5，旋涂电子束光刻胶，对台面进行曝光并显影，得到沟道图形，腐蚀沟道图形处的由Au形成的第二金属层形成栅槽，并清洗；

S6，在空气气氛下，使栅槽处第一金属层中的Ti或Ni自氧化，形成TiO₂或NiO栅介质，蒸发栅金属并剥离，得到二维材料场效应晶体管。

为了更好的说明本发明实施例提供的二维材料场效应晶体管的制备方法，下面通过实施例做进一步的举例说明。

实施例1

一种二维材料场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：

S1，在SiC衬底上热解制备石墨烯；

S2，在石墨烯表面依次蒸镀由Ti形成的第一金属层和由Au形成的第二金属层，得到Au/Ti/石墨烯/SiC衬底(如图1所示)，Ti层厚度为1nm，Au层厚度为20nm，；

S3，在第二金属层表面旋涂台面胶，光刻显影形成台面图形，使用功率为70W的氧等离子体隔离台面5min，并用金属腐蚀液腐蚀台面外的第二金属层和第一金属层，用碘化钾溶液腐蚀Au，用氢氟酸溶液腐蚀Ti，裸露出石墨烯(如图2所示)；

S4，去除台面胶，旋涂电极光刻胶，光刻显影，在台面两侧腐蚀掉金属的石墨烯表面得到源漏电极图形，蒸镀源漏电极，源漏电极的底层为Ti层，厚度为20nm，上层为Au层，厚度为150nm，利用溶胶剥离技术剥离电极光刻胶；

S5，旋涂电子束光刻胶，对台面进行曝光并显影，得到沟道图形(如图3所示)，用碘化钾溶液腐蚀去除沟道图形处的由Au形成的第二金属层形成栅槽(如图4所示)，并使用去离子水清洗；

S6，在空气气氛下，于50℃使栅槽处第一金属层中的Ti自氧化8h，形成TiO₂栅介质(如图5所示)，蒸发栅金属(如图6所示)，底层为Ti层，厚度为20nm，上层为Au层，厚度为150nm，，栅型为直栅(栅长为300nm，宽为2μm)，放入剥离液中剥离，得到二维材料场效应晶体管(如图7所示)。

实施例2

一种二维材料场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：

S1，在蓝宝石衬底上生长高质量二硫化钼层；

S2，在二硫化钼层表面依次蒸镀由Ni形成的第一金属层和由Au形成的第二金属层，Ni层厚度为1nm，Au层厚度为20nm；

S3，在第二金属层表面旋涂台面胶，光刻显影形成台面图形，使用功率为100W的氧等离子体隔离台面5min，并用金属腐蚀液腐蚀台面外的第二金属层和第一金属层，用碘化钾溶液腐蚀Au，用三氯化铁溶液腐蚀Ni；

S4，去除台面胶，旋涂电极光刻胶，光刻显影，在台面两侧腐蚀掉金属的二硫化钼层表面得到源漏电极图形，蒸镀源漏电极，源漏电极的底层为Ti层，厚度为20nm，上层为Au层，厚度为150nm，利用溶胶剥离技术剥离电极光刻胶；

S5，旋涂电子束光刻胶，对台面进行曝光并显影，得到沟道图形(宽度为50nm)，用碘化钾溶液腐蚀去除沟道图形处的由Au形成的第二金属层形成栅槽，并使用去离子水清洗；

S6，在空气气氛下，于80℃使栅槽处第一金属层中的Ni自氧化6h，形成NiO栅介质，蒸发栅金属，底层为Ti层，厚度为20nm，上层为Au层，厚度为150nm，栅型为直栅(栅长为50nm，宽为2μm)，放入剥离液中剥离，得到二维材料场效应晶体管。

实施例3

一种二维材料场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：

S1，在金刚石衬底上生长二硒化钼层；

S2，在二硒化钼层表面依次蒸镀由Ti形成的第一金属层和由Au形成的第二金属层，Ti层厚度为10nm，Au层厚度为50nm；

S3，在第二金属层表面旋涂台面胶，光刻显影形成台面图形，使用功率为50W的氧等离子体隔离台面6min，并用金属腐蚀液腐蚀台面外的第二金属层和第一金属层，用碘化钾溶液腐蚀Au，用氢氟酸溶液腐蚀Ti；

S4，去除台面胶，旋涂电极光刻胶，光刻显影，在台面两侧腐蚀掉金属的二硒化钼层表面得到源漏电极图形，蒸镀源漏电极，源漏电极的底层为Ti层，厚度为30nm，上层为Ni层，厚度为200nm，利用溶胶剥离技术剥离电极光刻胶；

S5，旋涂电子束光刻胶，对台面进行曝光并显影，得到沟道图形，用碘化钾溶液腐蚀去除沟道图形处的由Au形成的第二金属层形成栅槽，并使用去离子水清洗；

S6，在空气气氛下，于20℃使栅槽处第一金属层中的Ti自氧化24h，形成TiO₂栅介质，蒸发栅金属，底层为Ti层，厚度为30nm，上层为NI层，厚度为300nm，栅型为直栅(栅长为2000nm，宽为4μm)，放入剥离液中剥离，得到二维材料场效应晶体管。

由以上实施例可知，本发明提供的二维材料场效应晶体管的制备方法，在二维材料表面依次蒸镀由Ti或Ni形成的第一金属层和由Au形成的第二金属层作为二维材料的保护层，在自对准工艺过程中，只腐蚀沟道处的第二金属层的Au而保留第一金属层的Ti或Ni形成栅槽，使Ti或Ni暴露在空气中自氧化形成TiO₂或NiO栅介质，整个晶体管制作过程中沟道处的二维材料不会接触到任何溶液，可以有效的解决现有二维材料晶体管制作过程中材料表面被污染的问题，能够制备得到超洁净的二维材料场效应晶体管，改善二维材料场效应晶体管的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种二维材料场效应晶体管的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1，在绝缘衬底上生长或转移二维材料层；

S2，在所述二维材料层表面依次蒸镀第一金属层和第二金属层，所述第一金属层为Ti或Ni，所述第二金属层为Au，所述第一金属层的厚度为1～10nm；所述第二金属层的厚度为20～50nm；

S3，在所述第二金属层表面旋涂台面胶，光刻显影形成台面图形，使用氧等离子体隔离台面，并用金属腐蚀液腐蚀台面外金属，所述氧等离子体的功率为50W～100W，隔离时间为4～6min；

S4，去除台面胶，旋涂电极光刻胶，光刻显影，得到源漏电极图形，蒸镀源漏电极并剥离电极光刻胶；所述金属腐蚀液包括用于腐蚀Au的碘化钾溶液、用于腐蚀Ti的氢氟酸溶液和用于腐蚀Ni的三氯化铁溶液；

S6，在空气气氛下，使栅槽处第一金属层中的Ti或Ni自氧化形成栅介质，蒸发栅金属并剥离，得到二维材料场效应晶体管；Ti或Ni自氧化的温度为20～80℃，时间为6～24h。

2.如权利要求1所述的二维材料场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述绝缘衬底为二氧化硅、蓝宝石、金刚石、碳化硅、氧化镓、氮化镓或砷化镓衬底中的一种。

3.如权利要求1所述的二维材料场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述二维材料层为单层或多层。

4.如权利要求3所述的二维材料场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤S1中，二维材料为石墨烯、碳纳米管、MoS₂、WS₂、MoSe₂、WSe₂、ReSe₂、SnSe₂、PtSe₂、PdS₂、MoTe₂或GaTe中的一种。

5.如权利要求1所述的二维材料场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤S4中，所述源漏电极的底层为钛，上层为钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴或铁中的一种或两种以上组成的合金，所述源漏电极的厚度为15～500nm。

6.如权利要求1所述的二维材料场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤S6中，栅型为直栅或T型栅。

7.如权利要求1至6任一项所述的二维材料场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤S6中，所述栅金属的底层为铝、镍或钛，上层为钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴或铁中的一种或两种以上组成的合金，所述栅金属的厚度为100～500nm。