CN116243565B - 电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层及制备方法和应用 - Google Patents
电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层及制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116243565B CN116243565B CN202310253020.9A CN202310253020A CN116243565B CN 116243565 B CN116243565 B CN 116243565B CN 202310253020 A CN202310253020 A CN 202310253020A CN 116243565 B CN116243565 B CN 116243565B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- photoresist
- insulating layer
- electron beam
- carbonaceous
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 87
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 title claims abstract description 75
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 97
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 81
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 45
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims abstract description 42
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 20
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 15
- 238000010790 dilution Methods 0.000 claims description 12
- 239000012895 dilution Substances 0.000 claims description 12
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 claims description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 25
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 5
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 abstract description 3
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 238000007865 diluting Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 105
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 30
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 21
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 18
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 11
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 6
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(IV) oxide Inorganic materials O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 4
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 3
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 208000032750 Device leakage Diseases 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000000879 optical micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 238000012995 silicone-based technology Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
- G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
- G03F7/20—Exposure; Apparatus therefor
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
- G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
- G03F7/16—Coating processes; Apparatus therefor
- G03F7/168—Finishing the coated layer, e.g. drying, baking, soaking
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
- G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
- G03F7/20—Exposure; Apparatus therefor
- G03F7/2051—Exposure without an original mask, e.g. using a programmed deflection of a point source, by scanning, by drawing with a light beam, using an addressed light or corpuscular source
- G03F7/2059—Exposure without an original mask, e.g. using a programmed deflection of a point source, by scanning, by drawing with a light beam, using an addressed light or corpuscular source using a scanning corpuscular radiation beam, e.g. an electron beam
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
- G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
- G03F7/26—Processing photosensitive materials; Apparatus therefor
- G03F7/30—Imagewise removal using liquid means
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/027—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34
- H01L21/0271—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34 comprising organic layers
- H01L21/0273—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34 comprising organic layers characterised by the treatment of photoresist layers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明属于微纳电子器件技术领域，公开了一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层及制备方法和应用。碳质绝缘层按照如下过程制备：首先使用有机溶剂对光刻胶进行溶解稀释；然后将稀释过的光刻胶溶液均匀地涂敷在基底表面，通过加热烘干使光刻胶溶液固化，形成覆盖于基底表面的光刻胶固态薄膜；对覆盖有光刻胶固态薄膜的基底进行电子束辐照，诱导光刻胶固态薄膜变性而成为碳质绝缘层；最后用有机溶液清洗未受到辐照的光刻胶固态薄膜。本发明制备的绝缘层性能优异稳定，耐压性良好，尤其是与基于石墨烯材料的半导体制造工艺中高度适配，可以与石墨烯基场效应管等器件的加工流程无缝耦合，具备快速、精确可控、不引入重金属、环保无污染等优势。
Description
技术领域
本发明属于微纳电子器件技术领域，具体的说，是涉及一种碳质绝缘层及其制备方法，和基于该碳质绝缘层制备的应用。
背景技术
集成电路进入后摩尔时代后，面对硅基COMS尺寸逐渐逼近于摩尔极限，自下而上的碳基电子学发展实现了重大技术突破。由于传统半导体在未来器件的技术和性能方面受到严重限制，而碳基器件具有特殊的电子能带结构，相比于硅基器件在电子学领域具有更高的性能和更低的功耗。因此，碳基电子技术被认为是最有希望代替现有硅基技术的未来信息器件研究方向。
在现有的碳基材料中，石墨烯因其独特的二维形貌在构建器件时可与传统半导体平面制备工艺兼容；此外，石墨烯具有高载流子饱和速度、高载流子迁移率和优异的导热性，因而在集成电路领域有望成为硅基材料的替代品。从基于石墨烯的场效应晶体管到大规模的集成电路，开启了石墨烯产业的新篇章。
然而，目前使用石墨烯作为沟道材料或者电极制备出的碳基电子器件，其栅介质仍然采用硅基CMOS工艺中高k值金属氧化物介电材料，例如Al2O3、HfO2等材料。然而生长Al2O3、HfO2等绝缘层需要电子束蒸镀、原子层沉积等方式互相配合形成绝缘层薄膜，还需要光刻、刻蚀、剥离等工艺对其进行图形化，所需工艺复杂繁琐，对材料的消耗也很大。而且，由于Al2O3、HfO2等绝缘层与石墨烯存在界面问题，因此在石墨烯上生长出具有稳定优异性质的传统金属氧化物绝缘层也较为困难。同时，在生长Al2O3、HfO2等绝缘层时，金属会对石墨烯造成费米钉扎现象，对石墨烯形成掺杂，破坏石墨烯原有性质。
发明内容
本发明旨在解决传统金属氧化物绝缘层工艺技术复杂，且由于存在界面问题导致传统金属氧化物绝缘层工艺不完全适配石墨烯器件等技术问题，提供了一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层及制备方法和应用，利用电子束诱导光刻胶直接生长图形化碳材料的方式制备出绝缘性优异的碳质绝缘层材料，并作为石墨烯基场效应管的绝缘层。本发明使用电子束直接诱导与石墨烯功函数相近的碳材料作为绝缘层，不仅能够避免石墨烯与传统金属氧化物绝缘层界面失配问题，而且能够减少金属对石墨烯的掺杂，避免出现费米钉扎现象，保护石墨烯原有性质，而且相比于金属材料其环保性和循环性也有所提高；同时，相比于传统金属氧化物绝缘层工艺，本发明具有工艺步骤简单、可直接图形化，而且所制备出的碳质绝缘层具有耐压性良好，绝缘性质稳定等特点，对碳基电子器件绝缘层工艺的发展有着重要的意义。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
根据本发明的一个方面，提供了一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层，由如下制备过程得到：
(1)使用有机溶剂对光刻胶进行溶解稀释；
(2)将稀释过的光刻胶溶液均匀地涂敷在基底表面，通过加热烘干使所述光刻胶溶液固化，形成覆盖于所述基底表面的光刻胶固态薄膜；
(3)利用电子束曝光设备对覆盖有所述光刻胶固态薄膜的所述基底进行电子束辐照，诱导所述光刻胶固态薄膜变性而成为碳质绝缘层；
(4)使用有机溶液对电子束辐照后的所述基底进行清洗，从而将未受到辐照的所述光刻胶固态薄膜洗去，仅在所述基底下留下被电子束辐照后形成的碳质绝缘层。
进一步地，步骤(1)中，所述光刻胶为AZ系列光刻胶、PMMA光刻胶、S系列光刻胶中的一种；用于溶解稀释的所述有机溶剂为有机醇类、二甲基亚砜中的一种。
进一步地，步骤(1)中，所述光刻胶与所述有机溶剂的体积比为3:(40-100)。
进一步地，步骤(2)中，所述基底为氧化铝、二氧化硅、硅、碳化硅、石墨烯中的一种。
进一步地，步骤(3)中，所述电子束辐照的电压为20-30KV。
进一步地，步骤(3)中，所述电子束辐照的束流为3-50nA。
进一步地，步骤(3)中，所述电子束辐照的能量为500-5000C/m2。
进一步地，步骤(3)中，所述碳质绝缘层的厚度为10-50nm。
根据本发明的另一个方面，提供了一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层的制备方法，其特征在于，包括如下制备过程：
(1)使用有机溶剂对光刻胶进行溶解稀释；
(2)将稀释过的光刻胶溶液均匀地涂敷在基底表面，通过加热烘干使所述光刻胶溶液固化，形成覆盖于所述基底表面的光刻胶固态薄膜；
(3)利用电子束曝光设备对覆盖有所述光刻胶固态薄膜的所述基底进行电子束辐照，诱导所述光刻胶固态薄膜变性而成为碳质绝缘层；
(4)使用有机溶液对电子束辐照后的所述基底进行清洗，从而将未受到辐照的所述光刻胶固态薄膜洗去，仅在所述基底下留下被电子束辐照后形成的碳质绝缘层。
根据本发明的另一个方面，提供了一种上述电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层的应用，用于石墨烯基场效应管。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种简易且稳定的碳材料生长并图形化方法，可以生长得到耐压性优异的碳质绝缘层，以此作为石墨烯基场效应管器件的绝缘层部分。经过该方法制备的碳质绝缘层性能优异稳定，且无需其他半导体加工工艺再次加工，可直接作为组成石墨烯基场效应管器件的绝缘层并实现器件性能。因此节省了石墨烯基场效应管器件的制备步骤，降低了石墨烯基场效应管器件的制备成本。
本发明制备的绝缘层性能优异稳定，耐压性良好，尤其是与基于石墨烯材料的半导体制造工艺中高度适配，可以与石墨烯基场效应管等器件的加工流程无缝耦合，具备快速、精确可控、不引入重金属、环保无污染等优势，使用其制备的碳质绝缘层石墨烯基场效应管接触及转移特性均已媲美利用传统绝缘层制备的石墨烯基场效应管，实现加工成本的大幅下降，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明所提供的碳质绝缘层的制备流程示意图；
图2为电子束诱导生长制备的碳质绝缘层，并以此制作碳质绝缘层石墨烯基场效应管的结构图；
图3为电子束诱导生长制备的碳质绝缘层，并以此制作碳质绝缘层石墨烯基场效应管的光学显微镜图；
图4为电子束诱导生长制备的碳质绝缘层，并以此制作碳质绝缘层石墨烯基场效应管的(a)测试示意图和(b)测试电路图；
图5为电子束诱导生长制备的碳质绝缘层，并以此制作碳质绝缘层石墨烯基场效应管的(a)源漏电压-沟道电流特性及(b)转移特性。
附图标记：1-碳质绝缘层，2-石墨烯沟道，3-金属源漏电极，4-金属栅极，5-样品衬底，6-第一源表，7-第二源表。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种基于电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层及其制备方法，由以下步骤制备：
首先，使用有机溶剂对光刻胶进行溶解稀释。
优选地，光刻胶采用AZ系列光刻胶、PMMA光刻胶、S系列光刻胶中的一种；用于溶解稀释的有机溶剂采用有机醇类、二甲基亚砜中的一种。
优选地，光刻胶与有机溶剂的体积比为3:(40-100)。
然后，通过匀胶机将稀释过的光刻胶溶液均匀地涂敷在基底表面，通过加热烘干使光刻胶溶液固化，形成覆盖于基底表面的光刻胶固态薄膜。
优选地，基底选用氧化铝、二氧化硅、硅、碳化硅、石墨烯中的一种。
接着，利用电子束曝光设备对覆盖有光刻胶固态薄膜的基底进行电子束辐照，诱导所述光刻胶固态薄膜变性而成为碳质绝缘层。
优选地，电子束辐照的电压为20-30KV，束流为3-50nA，能量为500-5000C/m2。
最后，使用丙酮等有机溶液对电子束辐照后的基底进行清洗，从而将未受到辐照的光刻胶固态薄膜洗去，仅在基底下留下被电子束辐照后形成的碳质绝缘层。
优选地，碳质绝缘层的厚度为10-50nm。
如图2和图3所示，本发明还提供了上述制备的碳质绝缘层的一种应用，使用该碳质绝缘层当作栅绝缘层制备了石墨烯基场效应管，包括由上至下依次设置的金属栅极4、碳质绝缘层1、石墨烯沟道2、金属源漏电极3和样品衬底5。金属源漏电极3设置两个，且均附着于样品衬底5的表面上；石墨烯沟道2附着于样品衬底5上，且位于两个金属源漏电极3之间；碳质绝缘层1覆盖石墨烯沟道2上表面，且位于两个金属漏源电极3之间；金属栅极4位于碳质绝缘层1的上表面，且与两个金属源漏电极3不接触。
进一步地，石墨烯沟道2通过图形化石墨烯得到，石墨烯由机械剥离或化学气相沉积方法制备并通过转移方法放置于样品衬底5上。
进一步地，碳质绝缘层1厚度大于10nm，且至少覆盖整个石墨烯沟道2。
图4为基于电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层并以其为绝缘层制作的碳质绝缘层石墨烯基场效应管(a)测试示意图和(b)测试电路图。通过第一源表6在源漏电极(金属电极与石墨烯沟道)之间施加源漏电压，通过第二源表7在金属栅极与源电极(金属电极)之间施加栅压，测试器件的耐压性和漏电流，并通过栅压与沟道电流的关系得到碳质绝缘层石墨烯基场效应管的转移特性曲线。测试结果如图5所示，包括(a)器件的耐压性及(b)转移特性。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1：
(1)使用300nm SiO2/Si作为样品衬底5。
(2)转移化学气相沉积生长的石墨烯，其厚度为0.2nm(单层石墨烯)。利用光刻工艺制备光刻胶掩模后，用反应离子刻蚀的方法将未被光刻胶保护的石墨烯刻蚀，完成石墨烯沟道的制备。
(3)利用光刻与电子束蒸镀的方法制备厚度为20nm Cr/10nm Au的金属作为源漏电极。
(4)将1000μL AZ5214光刻胶放于20mL异丙醇中稀释(稀释比为1：20)，在样品衬底上4000rpm转速旋涂40s，完成光刻胶的旋涂。
(5)将旋涂好光刻胶的样品放入EBL腔体中，在电子束加速电压为30kV，电子束能量为1000C/m2，电子束束流为20nA的条件下进行电子束诱导光刻胶生长绝缘层，得到厚度为30nm的图形化碳质绝缘层。
(6)利用光刻与电子束蒸镀的方法制备厚度为20nm Cr/10nm Au的金属作为栅电极。
将制备完毕的碳质绝缘层石墨烯基场效应管接入如图4所示的测试电路。施加栅压Vg＝-10-10V测试器件的耐压性及漏电流，以及施加源漏电压Vd＝0.1V、栅压Vg＝0-3V，测试源漏电压-沟道电流关系以及器件转移特性曲线，结果如图5所示。通过图5(a)中在-10V-10V电压下具有稳定且微小的漏电流，可知碳质绝缘层具有良好的耐压性可以承受-10-10V的电压；从图5(b)中器件的转移特性曲线中可知，使用碳质绝缘层制备的石墨烯基场效应管具备典型的石墨烯基场效应管转移曲线，且沟道电流最小处的栅压(中性点)为1.25V，说明碳质绝缘层可以作为栅绝缘层制备石墨烯基顶栅场效应管，且器件性能可与基于传统绝缘层Al2O3、HfO2等的石墨烯顶栅场效应管器件相媲美，同时碳质绝缘层，对石墨烯的几乎没有掺杂。
实施例2：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(1)中的衬底为Si。
实施例3：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(1)中的衬底为SiC。
实施例4：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(4)中的稀释比为3:40。
实施例5：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(4)中的稀释比为3:100。
实施例6：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(4)中的稀释比为3:200。
实施例7：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(5)中电子束加速电压为10kV。
实施例8：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(5)中电子束加速电压为20kV。
实施例9：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(5)中的电子束束流为0.5nA。
实施例10：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(5)中的电子束束流为3nA。
实施例11：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(5)中的电子束束流为50nA。
实施例12：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(5)中电子束能量为100C/m2。
实施例13：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(5)中电子束能量为5000C/m2。
实施例14：
按照实施例1的方法进行制备碳绝缘层，其区别仅在于步骤(5)中电子束能量为5000C/m2。
实施例15：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(5)中碳质绝缘层厚度为5nm。
实施例16：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(5)中碳质绝缘层厚度为10nm。
实施例17：
按照实施例1的方法进行制备碳质绝缘层，其区别仅在于步骤(5)中碳质绝缘层厚度为50nm。
对于以上实施例2-17，均对制备得到的碳质绝缘层石墨烯基场效应管的在3V电压下的漏电流以及转移特性得到的中性点进行测试，测试条件与方法与实施例1相同，来比较不同制备工艺对碳质绝缘层石墨烯基场效应管的性能影响。
(一)不同基底对碳质绝缘层石墨烯基场效应管在3V栅压下的器件的漏电流及转移特性中性点的影响，参见表1。
表1不同基底对碳质绝缘层石墨烯基场效应管在3V栅压下的器件的漏电流及转移特性中性点的影响
从表1可知，不同基底对电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层石墨烯基场效应管器件漏电流几乎没有影响，器件整体漏电流保持稳定，同时对器件转移特性中性点的影响不明显。
(二)光刻胶稀释比对碳质绝缘层石墨烯基场效应管在3V栅压下的器件的漏电流及转移特性中性点的影响，参见表2。
表2不同光刻胶稀释比对碳质绝缘层石墨烯基场效应管在3V栅压下的器件的漏电流及转移特性中性点的影响
从表2可知，降低光刻胶稀释比后，器件整体漏电流减少不明显，仍然维持在较好的一个数量级，对器件转移特性中性点会略有右移的影响，而降低光刻胶稀释比开始会使电子束诱导光刻胶生长的碳绝缘层绝缘性稍有降低，进而导致器件整体漏电流的略有增加，而当光刻胶稀释比大幅度降低时，器件绝缘性能会进一步下降，同时器件整体漏电流会进一步升高，降低光刻胶稀释比对器件转移特性的中性点会略有左移的影响。
(三)电子束加速电压对碳质绝缘层石墨烯基场效应管在3V栅压下的器件的漏电流及转移特性中性点的影响参见表3
表3不同电子束加速电压对碳质绝缘层石墨烯基场效应管在3V栅压下的器件的漏电流及转移特性中性点的影响
通过表3可以看出，降低电子束能量会降低碳绝缘层的耐压性，使得器件漏电流增加，当电子束能量大幅度下降时，碳质绝缘层的绝缘性质也会大幅度下降，器件整体电学性质会受到破坏，从而导致器件漏电，无法测到碳质绝缘层石墨烯场效应管的转移特性。
(四)电子束束流对碳质绝缘层石墨烯基场效应管在3V栅压下的器件的漏电流及转移特性中性点的影响参见表4。
表4不同电子束束流对碳质绝缘层石墨烯基场效应管在3V栅压下的器件的漏电流及转移特性中性点的影响
通过表4可以看出，大幅度降低电子束束流制备碳质绝缘层会导致能量不足，使得器件整体漏电流提高，对于绝缘层耐压性有所破坏，同时器件转移特性中性点稍微右移。而略微降低电子束束流以及增加电子束束流不会对碳质绝缘层性质造成影响，器件转移特性中性点也几乎没有变化。
(五)电子束能量对碳质绝缘层石墨烯基场效应管在3V栅压下的器件的漏电流及转移特性中性点的影响，参见表5。
表5不同电子束能量对碳质绝缘层石墨烯基场效应管在3V栅压下的器件的漏电流及转移特性中性点的影响
从表5可知，较低的电子束能量制备碳质绝缘层会导致碳质绝缘层本身结构不够致密，进而造成器件整体漏电流较大，而当电子束能量达到一定程度后，碳质绝缘层碳化完全结构致密，器件整体漏电流保持稳定。改变生长碳质绝缘层的电子束能量对器件转移特性中性点的影响不明显。
(六)碳质绝缘层厚度对碳质绝缘层石墨烯基场效应管在3V栅压下的器件的漏电流及转移特性中性点的影响，参见表6。
表6不同绝缘层厚度对碳质绝缘层石墨烯基场效应管在3V栅压下的器件的漏电流及转移特性中性点的影响
从表6可知，较薄的碳质绝缘层厚度会使得器件漏电流略微增加，而过薄的碳质绝缘层厚度会使得其耐压性下降，进而造成器件漏电流的大幅增加。碳质绝缘层变厚不会减少器件整体漏电流，而是保持稳定。改变碳质绝缘层厚度对器件转移特性中性点的影响不明显。
综上，经过本发明所提供方法制备的碳质绝缘层性能优异稳定，耐压性良好，尤其是与基于石墨烯材料的半导体制造工艺中高度适配，可以与石墨烯基场效应管等器件的加工流程无缝耦合，具备快速、精确可控、不引入重金属、环保无污染等优势，实现加工成本的大幅下降，具有良好的应用前景。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层，其特征在于，由如下制备过程得到：
(1)使用有机溶剂对光刻胶进行溶解稀释；所述光刻胶为AZ系列光刻胶、PMMA光刻胶、S系列光刻胶中的一种；
(2)将稀释过的光刻胶溶液均匀地涂敷在基底表面，通过加热烘干使所述光刻胶溶液固化，形成覆盖于所述基底表面的光刻胶固态薄膜；
(3)利用电子束曝光设备对覆盖有所述光刻胶固态薄膜的所述基底进行电子束辐照，诱导所述光刻胶固态薄膜变性而成为碳质绝缘层；
(4)使用有机溶液对电子束辐照后的所述基底进行清洗，从而将未受到辐照的所述光刻胶固态薄膜洗去，仅在所述基底下留下被电子束辐照后形成的碳质绝缘层；
所述碳质绝缘层用于石墨烯基场效应管，石墨烯基场效应管包括由上至下依次设置的金属栅极、所述碳质绝缘层、石墨烯沟道、金属源漏电极和样品衬底；所述碳质绝缘层覆盖所述石墨烯沟道上表面。
2.根据权利要求1所述的一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层，其特征在于，步骤(1)中，用于溶解稀释的所述有机溶剂为有机醇类、二甲基亚砜中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层，其特征在于，步骤(1)中，所述光刻胶与所述有机溶剂的体积比为3:(40-100)。
4.根据权利要求1所述的一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层，其特征在于，步骤(2)中，所述基底为氧化铝、二氧化硅、硅、碳化硅、石墨烯中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层，其特征在于，步骤(3)中，所述电子束辐照的电压为20-30KV。
6.根据权利要求1所述的一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层，其特征在于，步骤(3)中，所述电子束辐照的束流为3-50nA。
7.根据权利要求1所述的一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层，其特征在于，步骤(3)中，所述电子束辐照的能量为500-5000C/m2。
8.根据权利要求1所述的一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层，其特征在于，步骤(3)中，所述碳质绝缘层的厚度为10-50nm。
9.一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层的制备方法，其特征在于，包括如下制备过程：
(1)使用有机溶剂对光刻胶进行溶解稀释；所述光刻胶为AZ系列光刻胶、PMMA光刻胶、S系列光刻胶中的一种；
(2)将稀释过的光刻胶溶液均匀地涂敷在基底表面，通过加热烘干使所述光刻胶溶液固化，形成覆盖于所述基底表面的光刻胶固态薄膜；
(3)利用电子束曝光设备对覆盖有所述光刻胶固态薄膜的所述基底进行电子束辐照，诱导所述光刻胶固态薄膜变性而成为碳质绝缘层；
(4)使用有机溶液对电子束辐照后的所述基底进行清洗，从而将未受到辐照的所述光刻胶固态薄膜洗去，仅在所述基底下留下被电子束辐照后形成的碳质绝缘层；
所述碳质绝缘层用于石墨烯基场效应管，石墨烯基场效应管包括由上至下依次设置的金属栅极、所述碳质绝缘层、石墨烯沟道、金属源漏电极和样品衬底；所述碳质绝缘层覆盖所述石墨烯沟道上表面。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310253020.9A CN116243565B (zh) | 2023-03-16 | 2023-03-16 | 电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层及制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310253020.9A CN116243565B (zh) | 2023-03-16 | 2023-03-16 | 电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层及制备方法和应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116243565A CN116243565A (zh) | 2023-06-09 |
| CN116243565B true CN116243565B (zh) | 2024-07-23 |
Family
ID=86625980
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310253020.9A Active CN116243565B (zh) | 2023-03-16 | 2023-03-16 | 电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层及制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116243565B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118197912B (zh) * | 2024-05-20 | 2024-08-30 | 天津大学 | 碳质电极的制备方法、碳质电极和石墨烯基场效应管 |
| CN118201480B (zh) * | 2024-05-20 | 2024-09-17 | 天津大学 | 碳基无源器件以及碳基无源器件的制备方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104103695A (zh) * | 2013-04-02 | 2014-10-15 | 清华大学 | 薄膜晶体管及其制备方法 |
| CN108735820A (zh) * | 2017-04-19 | 2018-11-02 | 中国科学院金属研究所 | 以光刻胶为栅绝缘层的碳纳米管薄膜晶体管及制作和应用 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6919164B2 (en) * | 2001-06-08 | 2005-07-19 | The Penn State Research Foundation | Patterning compositions using E-beam lithography and structures and devices made thereby |
| GB0206226D0 (en) * | 2002-03-16 | 2002-05-01 | Intense Photonics Ltd | Electro-absorption modulator with broad optical bandwidth |
| CN102655213A (zh) * | 2011-03-02 | 2012-09-05 | 中国科学院微电子研究所 | 半导体器件结构及其制备方法 |
| WO2017166167A1 (zh) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | 华为技术有限公司 | 场效应管及其制造方法 |
-
2023
- 2023-03-16 CN CN202310253020.9A patent/CN116243565B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104103695A (zh) * | 2013-04-02 | 2014-10-15 | 清华大学 | 薄膜晶体管及其制备方法 |
| CN108735820A (zh) * | 2017-04-19 | 2018-11-02 | 中国科学院金属研究所 | 以光刻胶为栅绝缘层的碳纳米管薄膜晶体管及制作和应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116243565A (zh) | 2023-06-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN116243565B (zh) | 电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层及制备方法和应用 | |
| Goldmann et al. | Hole mobility in organic single crystals measured by a “flip-crystal” field-effect technique | |
| US8778716B2 (en) | Integrated circuits based on aligned nanotubes | |
| CN106910776B (zh) | 基于高k栅介质的大面积二硫化钼场效应晶体管及其制备 | |
| Oh | Organic thin-film transistors using pentacene and SiOC film | |
| CN116544279B (zh) | 一种全碳石墨烯器件及其制备方法 | |
| Chung et al. | Low-voltage and short-channel pentacene field-effect transistors with top-contact geometry using parylene-C shadow masks | |
| WO2023216852A1 (zh) | 一种通过点击化学反应调控二维材料掺杂特性的方法及应用 | |
| CN107275219A (zh) | 一种石墨烯器件的制造方法 | |
| Ji et al. | Polymer mask-weakening grain-boundary effect: towards high-performance organic thin-film transistors with mobility closing to 20 cm 2 V− 1 s− 1 | |
| CN101359684B (zh) | 围栅控制结构的硅基单电子晶体管及其制作方法 | |
| CN113380697A (zh) | 基于溴插层多层石墨烯或石墨薄膜的碳基器件和电路结构的制备方法 | |
| CN106340588A (zh) | 一种自组装膜优化的n型有机场效应晶体管的制备方法 | |
| CN118197912B (zh) | 碳质电极的制备方法、碳质电极和石墨烯基场效应管 | |
| CN111293085A (zh) | 基于二维过渡金属硫族化合物和碲的三维cmos及其制备方法 | |
| CN116666207A (zh) | 基于聚焦离子束刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管及其制备方法 | |
| Chang et al. | Study on the effect of electron beam curing on low-K porous organosilicate glass (OSG) material | |
| Ma et al. | Manipulating the Electrical Characteristics of Two-Dimensional Semiconductor Transistors by Gate Engineering | |
| CN221081903U (zh) | 一种碳基场效应晶体管 | |
| Zhang et al. | Tuning the charge carrier polarity of roll-to-roll gravure printed carbon nanotube-based thin film transistors by an atomic layer deposited alumina nanolayer | |
| CN217719613U (zh) | 一种GaN HEMT器件 | |
| Huang et al. | Integration and Characterization of Transparent Thin Film Transistors with Carbon Nanotubes as Aligned Channel and Electrodes | |
| US20210376271A1 (en) | Thin film transistor, manufacturing method thereof, electronic device | |
| CN101083303A (zh) | 一种基于模版制备各向异性有机场效应管的方法 | |
| CN112701156A (zh) | 背栅晶体管及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |