一种制备金属与石墨烯欧姆接触的方法

文档序号:7087021阅读:473来源:国知局
专利名称:一种制备金属与石墨烯欧姆接触的方法
技术领域
本发明涉及新型材料石墨烯及半导体工艺技术领域,特别涉及一种制备金属与石墨烯欧姆接触的方法,通过减小金属与石墨烯欧姆接触来显著提高晶体管的直流特性及小信号特性。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子构成、具有单原子厚度的二维蜂窝状晶格结构。它以优异的特性受到了大家的广泛关注,其中他的电学特性更有突出的优势它被认为是目前迁移率最高的材料,迁移率是Si材料的100倍。它的饱和漂移速度是Si的6-7倍,它的费米速度是光速的1/300。因此应用石墨烯作为沟道材料的晶体管能实现更高的工作频率,被认为是太赫兹领域的重要材料。由于其突出的优势,石墨烯场效应管在近年来发展迅速。2006年12月,德国M. C. Lemme等人制备出第一个石墨烯双栅器件。美国IBM公司分别在2008年、2009年、2010年制备出截止频率达到26GHz、IOOGHz、170GHz的石墨烯场效应管。加州大学洛杉矶分校在2010年实现了截止频率为300GHz的石墨稀晶体管。但石墨稀场效应管性能的进一步提升却受到了很大的阻碍,场效应管的接触电阻过大,源漏端的压降占整个源漏所加电压的3/4左右,这大大的影响了器件性能的提升。因此减小金属与石墨烯欧姆接触电阻成为石墨烯器件研究的重点。

发明内容
(一 )要解决的技术问题为了显著提高石墨烯场效应管的性能,本发明的主要目的在于提供一种制备金属与石墨烯欧姆接触的方法,以减小金属与石墨烯的欧姆接触电阻。( 二 )技术方案为了实现上述目的,本发明提供了一种制备金属与石墨烯欧姆接触的方法,包括以下步骤在衬底上用微机械剥离法或CVD转移法制备单层和少数层石墨烯材料;在该石墨烯材料上旋涂光刻胶;采用光学光刻或者电子束直写的方法刻蚀石墨烯材料上的光刻胶,并用显影液显影,形成由光刻胶构成的源漏图形;用除胶仪器去除残胶,然后对源漏区的石墨烯材料进行刻蚀,同时破坏石墨烯材料的晶格结构,形成缺陷;采用电子束蒸发或者溅射在形成缺陷的样品表面淀积金属;剥离样品表面源漏极之间有源区上的光刻胶及金属,形成金属与石墨烯欧姆接触。上述方案中,所述在石墨烯材料上旋涂的光刻胶为光刻正胶9912、光刻胶AZ5214、电子束胶PMMA、电子束胶UVIII中的一种。上述方案中,所述用显影液显影的步骤中,光刻胶对应的显影液分别为正胶9912和电子束胶的显影液为⑶26、电子束胶PMMA的显影液为邻二甲苯。上述方案中,所述用除胶仪器去除残胶的步骤中,所述除胶仪器为利用氧等离子体的Matrix或者是利用氧紫外线的UV。上述方案中,所述对源漏区的石墨烯材料进行刻蚀的步骤中,是采用Matrix、RIE刻蚀机、UV仪器中用氧源实现对石墨烯材料的刻蚀。上述方案中,所述采用电子束蒸发或者溅射在形成缺陷的样品表面淀积金属的步骤中,所述金属为 Ti/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Au、Ni、Ni/Au、Cr/Au、Pd、Ti/Pd/Au、Pd/Au 中的一种。上述方案中,所述剥离样品表面源漏极之间有源区上的光刻胶及金属的步骤中,是采用热丙酮进行剥离,将样品浸泡在50°C的热丙酮中30分钟,在浸泡后除了源漏接触区域的金属,其他地方的金属都随着光刻胶的溶解而脱落。
(三)有益效果本发明提供的制备金属与石墨烯欧姆接触的方法,用氧等离子体或氧紫外线打掉了多余的光刻胶,并且破坏了石墨烯的完整的晶格结构,让淀积的金属原子掺入石墨烯晶格中,从而变原来的金属与石墨烯之间的分子力结合为一种新的结合方式,最后得到一种接触电阻小很多的金属石墨烯欧姆接触。


图I是依照本发明实施例制备金属与石墨烯欧姆接触的方法流程图;图2是依照本发明实施例在衬底上制备出单层石墨烯材料的示意图;图3是依照本发明实施例用匀胶机在样品上匀上电子束胶PMMA的示意图;图4是依照本发明实施例用电子束直写和对应显影液刻画出源漏图形的示意图;图5是依照本发明实施例用UV除去源漏区表面的残余光刻胶及破坏石墨烯晶格的不意图;图6是依照本发明实施例电子束蒸发金属的示意图;图7是依照本发明实施例用热丙酮剥离得到具有良好源漏欧姆接触的背栅器件的示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。本发明提供了一种制备金属与石墨烯欧姆接触的方法,是在石墨烯薄膜上用光学光刻或者电子束直写实现器件图形,对接触区域的石墨烯用氧紫外线或者氧等离子体照射,使得接触区域的石墨烯出现部分碳原子脱落,最后蒸发金属实现金属与石墨烯欧姆接触。如图I所示,图I是依照本发明实施例制备金属与石墨烯欧姆接触的方法流程图,该方法包括以下步骤步骤I :在衬底上用微机械剥离法或CVD转移法制备单层和少数层石墨烯材料;步骤2 :在该石墨烯材料上旋涂光刻胶;步骤3 :采用光学光刻或者电子束直写的方法刻蚀石墨烯材料上的光刻胶,并用显影液显影,形成由光刻胶构成的源漏图形;
步骤4 :用除胶仪器去除残胶,然后对源漏区的石墨烯材料进行刻蚀,同时破坏石墨烯材料的晶格结构,形成缺陷;步骤5 :采用电子束蒸发或者溅射在形成缺陷的样品表面淀积金属;步骤6 :剥离样品表面源漏极之间有源区上的光刻胶及金属,形成金属与石墨烯欧姆接触。 其中,步骤2中所述在石墨烯材料上旋涂的光刻胶为光刻正胶9912、光刻胶AZ5214、电子束胶PMMA、电子束胶UVIII中的一种。步骤3中所述用显影液显影的步骤中,光刻胶对应的显影液分别为正胶9912和电子束胶的显影液为⑶26、电子束胶PMMA的显影液为邻二甲苯。步骤4中所述用除胶仪器去除残胶的步骤中,所述除胶仪器为利用氧等离子体的Matrix或者是利用氧紫外线的UV。步骤4中所述对源漏区的石墨烯材料进行刻蚀的步骤中,是采用Matrix、RIE刻蚀机、UV仪器中用氧源实现对石墨烯材料的刻蚀。步骤5中所述采用电子束蒸发或者溅射在形成缺陷的样品表面淀积金属的步骤中,所述金属为 Ti/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Au、Ni、Ni/Au、Cr/Au、Pd、Ti/Pd/Au、Pd/Au 中的一种。步骤6中所述剥离样品表面源漏极之间有源区上的光刻胶及金属的步骤中,是采用热丙酮进行剥离,将样品浸泡在50°C的热丙酮中30分钟,在浸泡后除了源漏接触区域的金属,其他地方的金属都随着光刻胶的溶解而脱落。图2为依照本发明实施例采用微机械剥离法或者CVD法在衬底上制备的单层或者少数层石墨烯材料的示意图。选用Si/Si02为衬底,其中热氧化的SiO2为90nm的厚度。为了方便实验,我们选用的微机械剥离法制备的石墨烯材料,通过光学显微镜大概判断单层及少数层石墨烯,最后利用Raman光谱仪测试石墨烯的拉曼光谱来具体鉴定石墨烯层数。实施例中用到的是单层石墨烯。图3是依照本发明实施例在石墨烯材料上旋涂上光刻胶的示意图。本实施例是在单层石墨烯薄膜上旋涂电子束胶PMMA,旋涂过程用匀胶机完成,旋涂转速为前转3秒400_600rpm,后转 60 秒 1500_3000rpm。图4是依照本发明实施例用电子束直写和对应显影液形成由光刻胶构成的源漏图形的示意图。实施例中采用的是电子束直写的方式,电子束直写前需要前烘,实施例中180°C烘箱烘一小时。电子束直写的剂量为700-1000。最后经过显影就能够得到所需的由光刻胶构成的源漏图形,用邻二甲苯显影3分钟,氮气吹干。图5是依照本发明实施例用UV除去源漏区表面的残余光刻胶及破坏石墨烯晶格的示意图。实施例中是对源漏区的石墨烯材料进行刻蚀,在UV中用氧紫外线照射样品,在照射前需要对仪器UV进行预热,一般预热10分钟,再将样品放入UV中照射3-6分钟就能得到具有一定晶格缺陷的样品,在照射过程中有源区的石墨烯材料均在光刻胶PMMA的保护下,不用担心其影响有源区石墨烯材料的性质。在确定照射时间过程中,进行过大量的实验,发现用UV中的氧紫外线照射石墨烯时,对单层的石墨烯在照射了 2分钟后,源漏区域的光刻胶被全部清除,单层石墨烯开始出现少量的缺陷,继续照射,在4分钟的时候,出现了适量的缺陷,可用于实现良好的金属石墨烯欧姆接触,而当照射6分钟后,源漏区域的石墨烯几乎被全部清除,因此我们选用氧紫外线照射4分钟。在确定缺陷的多少以及石墨烯还是否存在的问题上,我们采用了 Raman光谱仪和原子力显微镜。 图6是依照本发明实施例电子束蒸发金属的示意图。在经过氧紫外线照射的样品上淀积金属,实施例中采用的是Ti/Pt/Au的组合方式,并用电子束蒸发来实现。之所以采用这种组合方式,是因为石墨烯不能直接与Au结合,需要一种黏附性较好的金属,我们采用的2nm的Ti。另外如果直接采用Ti/Au金属体系,会出现Au扩散,对接触影响很大,因此在Ti与Au之间加入一种过渡性质的金属20nm的Pt。实施例中采用的金属体系是2nmTi/20nmPt/IOOnmAu。图7是依照本发明实施例用热丙酮剥离得到具有良好源漏欧姆接触的背栅器件的示意图。将蒸发了金属的的样品剥离出来,一般采用热丙酮剥离,将样品浸泡在50°C左右的热丙酮中30分钟,由于光刻胶PMMA溶于热丙酮,因此在浸泡后,除了源漏接触区域的金属,其他地方的金属都随着光刻胶的溶解而脱落。最后得到具有良好欧姆接触的背栅器件。经过直流测试,发现实施例中采用这种方法实现的金属与石墨烯的欧姆接触的接触电阻比一般的金属石墨烯欧姆接触电阻减少5倍左右。这大大减小了源漏电压浪费在源漏接触处的压降,为实现更高频率的器件打下了基础。实验证明,本发明所述的方法有效,能在较大的程度上减小金属与石墨烯的欧姆接触电阻。以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种制备金属与石墨烯欧姆接触的方法,其特征在于,包括以下步骤 在衬底上用微机械剥离法或CVD转移法制备单层和少数层石墨烯材料; 在该石墨烯材料上旋涂光刻胶; 采用光学光刻或者电子束直写的方法刻蚀石墨烯材料上的光刻胶,并用显影液显影,形成由光刻胶构成的源漏图形; 用除胶仪器去除残胶,然后对源漏区的石墨烯材料进行刻蚀,同时破坏石墨烯材料的晶格结构,形成缺陷; 采用电子束蒸发或者溅射在形成缺陷的样品表面淀积金属; 剥离样品表面源漏极之间有源区上的光刻胶及金属,形成金属与石墨烯欧姆接触。
2.根据权利要求I所述的制备金属与石墨烯欧姆接触的方法,其特征在于,所述在石墨烯材料上旋涂的光刻胶为光刻正胶9912、光刻胶AZ5214、电子束胶PMMA、电子束胶UVIII中的一种。
3.根据权利要求2所述的制备金属与石墨烯欧姆接触的方法,其特征在于,所述用显影液显影的步骤中,光刻胶对应的显影液分别为正胶9912和电子束胶的显影液为CD26、电子束胶PMMA的显影液为邻二甲苯。
4.根据权利要求I所述的制备金属与石墨烯欧姆接触的方法,其特征在于,所述用除胶仪器去除残胶的步骤中,所述除胶仪器为利用氧等离子体的Matrix或者是利用氧紫外线的UV。
5.根据权利要求I所述的制备金属与石墨烯欧姆接触的方法,其特征在于,所述对源漏区的石墨烯材料进行刻蚀的步骤中,是采用Matrix、RIE刻蚀机、UV仪器中用氧源实现对石墨烯材料的刻蚀。
6.根据权利要求I所述的制备金属与石墨烯欧姆接触的方法,其特征在于,所述采用电子束蒸发或者溅射在形成缺陷的样品表面淀积金属的步骤中,所述金属为Ti/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Au、Ni、Ni/Au、Cr/Au、Pd、Ti/Pd/Au、Pd/Au 中的一种。
7.根据权利要求I所述的制备金属与石墨烯欧姆接触的方法,其特征在于,所述剥离样品表面源漏极之间有源区上的光刻胶及金属的步骤中,是采用热丙酮进行剥离,将样品浸泡在50°C的热丙酮中30分钟,在浸泡后除了源漏接触区域的金属,其他地方的金属都随着光刻胶的溶解而脱落。
全文摘要
本发明公开了一种制备金属与石墨烯欧姆接触的方法,包括在衬底上用微机械剥离法或CVD转移法制备单层和少数层石墨烯材料;在该石墨烯材料上旋涂光刻胶;采用光学光刻或者电子束直写的方法刻蚀石墨烯材料上的光刻胶,并用显影液显影,形成由光刻胶构成的源漏图形;用除胶仪器去除残胶,然后对源漏区的石墨烯材料进行刻蚀,同时破坏石墨烯材料的晶格结构,形成缺陷;采用电子束蒸发或者溅射在形成缺陷的样品表面淀积金属;剥离样品表面源漏极之间有源区上的光刻胶及金属,形成金属与石墨烯欧姆接触。与传统的金属石墨烯欧姆接触相比,本方法由于克服了石墨烯费米能级附近态密度较小的劣势,能得到接触电阻很小的金属石墨烯欧姆接触。
文档编号H01L21/04GK102623310SQ20121009314
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者彭松昂, 潘洪亮, 王显泰, 郭建楠, 金智, 陈娇, 麻芃 申请人:中国科学院微电子研究所
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