一种降低石墨烯与电极接触电阻的方法
【专利摘要】本发明提供一种降低石墨烯与电极接触电阻的方法，包括步骤：首先，提供衬底，在所述衬底上形成石墨烯；然后，在所述石墨烯表面形成暴露出石墨烯两端的边缘的BN薄膜，；接着，定义源、漏电极区域，形成金属催化层，并在氢气气氛中进行退火，使所述金属催化层团聚形成催化颗粒，所述氢气沿着所述催化颗粒的边缘与石墨烯及BN反应，在石墨烯及BN表面形成锯齿状结构的孔洞；形成源、漏金属电极、栅介质层以及栅极。本发明采用金属催化层刻蚀石墨烯，在氢气氛围下退火的过程中，金属催化层团聚形成小的颗粒，氢气沿着颗粒的边缘刻蚀BN/石墨烯表面，形成具有Zigzag边缘结构的孔洞，并能与随后沉积的源、漏金属电极形成极强的化学键，使金属电极与石墨烯接触更好。
【专利说明】一种降低石墨烯与电极接触电阻的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子【技术领域】，特别是涉及一种降低石墨烯与电极接触电阻的方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯自问世以来，其优异的电学特性如极高的电子迁移率，导热性强，导电率高，结构稳定，电子迁移速度快，引起了人们的广泛关注，有望被用于制造新一代高性能电子学器件。然而，基于石墨烯器件的研究中，发现测试得到的电学性能与理论值相差甚远。其中石墨烯-金属接触电阻成为影响石墨烯晶体管性能的最重要的因素。目前，已有报道用各种不同的方法来减小石墨烯与金属之间的电极接触电阻，最常用的方法为对在进行金属化之前对石墨烯进行后退火处理，研究表明退火虽然能去除石墨烯表面的污染，对电极接触电阻的影响并不大。或者采用原子力扫描处理，紫外/臭氧(UVO)处理，等离子体处理等方法，然而这些方法不仅费时而且会破坏石墨烯结构。实验证明，仅仅通过去除石墨烯表面的残留光刻胶并不能有效降低石墨烯金属的接触电阻。而通过电子束曝光或者氧等离子体处理再退火的方法，能在石墨烯中边缘缺陷，随后沉积金属，形成”无接触”的石墨烯一金属接触界面，能有效降低石墨烯器件的接触电阻。然而如果不退火，沿着石墨烯被刻蚀的边缘会形成无序非晶的结构，石墨烯与金属的接触面积也将变小。
[0003]而本文将采用一种更简便的方法有效的降低石墨烯器件的电极接触电阻，即采用金属催化刻蚀石墨烯，随后在氢气氛围中退火石墨烯中会形成具有Zigzag边界孔洞，再沉积金属可以获得较小的石墨烯金属接触电阻。本发明与CMOS制造工艺兼容，可以应用于石墨烯纳米电子器件的制作及并有希望应用于石墨烯基集成电路中。
【发明内容】
[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种降低石墨烯与电极接触电阻的方法，用于解决现有技术中石墨烯与金属电极之间的接触电阻大的问题。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种降低石墨烯与电极接触电阻的方法，所述方法至少包括以下步骤:
[0006]I)提供一衬底，在所述衬底上形成石墨烯；
[0007]2)在所述石墨烯表面形成BN薄膜，所述BN薄膜暴露出石墨烯两端的边缘；
[0008]3)图形化定义包含暴露的石墨烯边缘及部分BN薄膜的源、漏电极区域，在所述源、漏电极区域沉积形成金属催化层，并在氢气气氛中进行退火，使所述金属催化层团聚形成催化颗粒，在催化颗粒的催化作用下，所述氢气沿着所述催化颗粒的边缘与石墨烯及BN薄膜反应，在石墨烯及BN薄膜表面形成锯齿状结构的孔洞；
[0009]4)在所述源、漏电极区域沉积金属形成源、漏金属电极，所述源、漏金属电极填充并覆盖所述孔洞中，与所述石墨烯形成接触；
[0010]5)在所述金属电极之间石墨烯及BN薄膜上形成栅介质层，并在所述栅介质层上形成栅极。
[0011]优选地，所述步骤I)中的衬底材料为S1、SiO2, Si02/S1、GaAs或者GaN中的任意一种。
[0012]优选地，所述步骤I)中采用机械剥离或者化学气相沉积生长转移的方法获得石墨烯薄膜，再采用光刻或电子束曝光定义石墨烯刻蚀图形，最后采用反应离子束刻蚀方法通过氧等离子体刻蚀石墨烯薄膜形成步骤I)中所需的带状石墨烯。
[0013]优选地，所述步骤2)中的BN薄膜为机械剥离获得，再转移至步骤I)所述的结构上；所述BN薄膜的厚度为10?30nm。
[0014]优选地，所述步骤2)中露出的石墨烯边缘宽度为I?2个原子层深度。
[0015]优选地，所述步骤3)中沉积形成的金属催化层的厚度为I?10nm。
[0016]优选地，所述金属催化层为镍、金、铬、铜、钼中的任意一种。
[0017]优选地,所述步骤3)的退火过程中还包括通入気气,采用150?250sccm流量的IS氢混合气氛进行退火，其中，Ar和H2流量比为1.8:1?2:1,退火温度为200?600°C,退火时间范围为10?30min。
[0018]优选地，所述步骤4)中的源、漏金属电极的厚度为30?lOOnm。
[0019]优选地，所述源、漏金属电极材料为镍。
[0020]优选地，所述步骤5)中采用原子层沉积的方法生长形成所述栅介质层。
[0021]优选地,形成的所述栅介质层为Al2O3,栅介质层的厚度为10?50nm。
[0022]优选地，在所述步骤5)之后，还包括分别在所述源、漏金属电极以及栅电极上形成接触电极的步骤。
[0023]如上所述，本发明的降低石墨烯与电极接触电阻的方法，包括步骤:首先，提供一衬底，在所述衬底上形成石墨烯；然后，在所述石墨烯表面形成BN薄膜，所述BN薄膜暴露出石墨烯两端的边缘；接着，图形化定义包括暴露的石墨烯边缘及部分BN薄膜的源、漏电极区域，在所述源、漏电极区域沉积形成金属催化层，并在氢气气氛中进行退火，使所述金属催化层团聚形成催化颗粒，在催化颗粒的催化作用下，所述氢气沿着所述催化颗粒的边缘与石墨烯及BN薄膜反应，在石墨烯及BN薄膜表面形成锯齿状结构的孔洞；接着在所述源、漏电极区域沉积形成源、漏金属电极；最后在所述金属电极之间石墨烯及BN薄膜上形成栅介质层，并在所述栅介质层上形成栅极。本发明采用金属催化层刻蚀石墨烯:在氢气氛围下退火的过程中，金属催化层团聚形成小的颗粒，氢气沿着镍颗粒的边缘开始刻蚀BN/石墨烯表面,形成具有Zigzag边缘结构的三角形或者六角形的孔洞。而BN/石墨烯被刻蚀的孔洞数量取决于所沉积的薄层镍薄膜的厚度，镍厚度越薄，刻蚀所形成的石墨烯孔洞越多。金属催化层刻蚀工艺使得石墨烯表面形成的无缺陷的具有Zigzag结构的孔洞边缘，并能与随后沉积的源、漏金属电极形成极强的化学键，使得金属电极与石墨烯接触更好。本发明所得到的金属电极无需另外在退火，石墨烯金属接触电阻也将极大的降低，能够获得较高的载流子迁移率。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1显示为本发明降低石墨烯与电极接触电阻的方法流程示意图。
[0025]图2a为本发明的衬底立体示意图。[0026] 图2b为本发明的衬底剖视图。
[0027]图3a为衬底上形成石墨烯的结构立体示意图。
[0028]图3b为衬底上形成石墨烯的结构剖视图。
[0029]图4a为石墨烯被刻蚀的结构立体示意图。
[0030]图4b为石墨烯被刻蚀的结构剖视图。
[0031]图5a为衬底上形成BN薄膜的结构立体示意图。
[0032]图5b为衬底上形成BN薄膜的剖视图。
[0033]图6a为刻蚀BN薄膜后的结构立体示意图。
[0034]图6b为刻蚀BN薄膜后的结构剖视图。
[0035]图7a在S/D区域形成薄层金属催化层的结构俯视图。
[0036]图7b在S/D区域形成薄层金属催化层的剖视图。
[0037]图8为衬底结构退火后结构俯视图。
[0038]图9为S/D区域沉积厚层金属镍电极的结构俯视图。
[0039]图10为ALD生长栅介质层的结构俯视图。
[0040]图11为在栅介质层上生长栅电极的结构俯视图。
[0041]图12为刻蚀栅介质露出源、漏金属电极的结构俯视图。
[0042]图13为形成S/D/G电极接触的结构俯视图。
[0043]元件标号说明
[0044]S1 ~S5 步骤
[0045]I衬底
[0046]2石墨烯
[0047]3BN 薄膜
[0048]4金属催化镍薄膜层
[0049]5源、漏金属电极
[0050]6栅介质层
[0051]7栅极
[0052]8接触电极
【具体实施方式】
[0053]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0054]请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0055]本发明提供一种减低石墨烯与电极接触电阻的方法，如图1所示，所述方法至少包括一下步骤:[0056]SI,提供一衬底，在所述衬底上形成石墨稀；
[0057]S2，在所述石墨烯表面形成BN薄膜，所述BN薄膜暴露出石墨烯两端的边缘；
[0058]S3，图形化定义包括暴露的石墨烯边缘及部分BN薄膜的源、漏电极区域，在所述源、漏电极区域沉积形成金属催化层，并在氢气气氛中进行退火，使所述金属催化层团聚形成催化颗粒，在催化颗粒的催化作用下，所述氢气沿着所述催化颗粒的边缘与石墨烯及BN薄膜反应，在石墨烯及BN薄膜表面形成锯齿状(zigzag)结构的孔洞；
[0059]S4，在所述源、漏电极区域沉积形成源、漏金属电极，所述源、漏金属电极填充于所述孔洞中，与所述石墨烯形成接触；
[0060]S5，在所述金属电极之间石墨烯及BN薄膜上形成栅介质层，并在所述栅介质层上形成栅极。
[0061]下面结合具体附图对本发明的降低石墨烯与电极接触电阻的方法做详细的介绍。
[0062]首先执行步骤SI，提供一衬底，在所述衬底上形成石墨烯。
[0063]请参阅附图2a和图2b，为本发明提供的衬底1，所述衬底I包括但不限于S1、Si02、Si02/S1、GaAs、GaN等，本实施例中，优选为Si02/Si衬底。在此步骤中还包括衬底I的清洗步骤，本实施例中采用标准RCA工艺清洗所述Si02/Si衬底。
[0064]请参阅附图3a和图3b，为在所述衬底I表面形成石墨烯2薄膜。其中，石墨烯2薄膜可以通过化学气相沉积(CVD)生长转移到所述衬底I上获得，也可以是直接通过机械剥离的方法得到。本实施例优选为采用CVD生长转移得到。
[0065]请参阅附图4a和图4b，为通过刻蚀所述石墨烯2薄膜形成所需的石墨烯2。具体过程为:通过光刻或者电子束曝光定义石墨烯2的刻蚀图形，并采用反应离子刻蚀(RIE)通过氧等离子体刻蚀石墨烯薄膜形成带状结构的石墨烯2。
[0066]之后执行步骤S2，在所述石墨烯表面形成BN薄膜，所述BN薄膜暴露出石墨烯两端的边缘。
[0067]可以采用机械剥离法获得BN薄膜后将获得的BN薄膜转移至所述衬底，从而在所述衬底I上形成覆盖所述石墨烯2的BN薄膜3，如图5a和5b所示。所述BN薄膜3的厚度控制在10?30nm范围内。
[0068]如图6a和6b所示为刻蚀图5a和5b中的BN薄膜形成的结构，以使所述BN薄膜3暴露出石墨烯2两端的边缘，暴露的石墨烯2边缘宽度为I?2个原子层深度。具体形成过程为:先后在图5a和5b获得的的结构上形成90nm PMMA及90nm氢基硅氧烷HSQ电子束胶作为刻蚀掩模层，经过电子束曝光之后，采用ICP刻蚀BN薄膜获得如图6a和6b的BN薄膜3结构。由于BN薄膜3晶格与石墨烯2近似且表面较为平整，是良好的绝缘材料，可以隔绝石墨烯表面与金属电极的直接接触，使得金属电极通过后续金属催化刻蚀BN/石墨烯后形成的孔洞与刻蚀得到的石墨烯Zigzag边缘形成金属接触。
[0069]接着执行步骤S3，图形化定义包含暴露的石墨烯边缘及部分BN薄膜的源、漏电极区域，在所述源、漏电极区域沉积形成金属催化层，并在氢气气氛中进行退火，使所述金属催化层团聚形成催化颗粒，在催化颗粒的催化作用下，所述氢气沿着所述催化颗粒的边缘与石墨烯及BN反应，在石墨烯表及BN面形成锯齿状结构的孔洞。
[0070]形成的金属催化镍薄膜层4如图7a和7b所示。具体地，采用光刻或者电子束曝光定义源、漏电极区域，并沉积薄层金属催化镍薄膜4，随后剥离去胶。所述源、漏电极区域包含暴露的石墨烯2边缘及部分BN薄膜3，因此，沉积的金属催化镍薄膜4覆盖石墨烯2边缘及部分BN薄膜3。可以采用溅射或者电子束蒸发沉积金属催化镍薄膜4，该薄层金属催化镍薄膜4的厚度为I~10nm。本实施例中金属催化镍薄膜4优选为2nm左右。
[0071]将图7a和7b的结构在流量为200sccm的氩氢混合气氛中进行退火，其中，Ar和H2流量比为2:1。退火温度设置在200~600°C范围内，退火时间为10~30min。在氢气退火的过程中，薄层金属催化镍薄膜4团聚形成小的颗粒，氢气沿着这些镍颗粒的边缘开始刻蚀石墨烯2及BN薄膜3表面，使得BN/石墨烯表面形成具有锯齿状(Zigzag)边缘结构的三角形或者六角形的孔洞，退火后的结构如图8所示。其中镍催化刻蚀的机理为:在镍
的催化作用下，石墨烯2与氢气发生反应:C(solid)+2?(gas)-CH4(gas) ;BN薄膜3与氢
气发生反应:BN(solid)+H2(gas)-BxHy (Gas)+NH3 (gas)。镍原子团最终形成镶嵌在石墨
烯2及BN薄膜3中的小岛，而石墨烯被刻蚀的孔洞数量取决于所沉积的薄层镍催化薄膜的厚度，镍厚度越薄，刻蚀所形成的石墨烯孔洞越多。镍催化刻蚀工艺使得石墨烯表面形成的无缺陷的具有Zigzag结构的孔洞边缘，并能与随后沉积的厚层镍薄膜形成极强的化学键。所得到的电极无需另外在退火，石墨烯金属接触电阻也将极大的降低。所述的金属催化材料可以为镍，金，铬，钛，铜，钼等。本实施例中，优选采用镍作为金属催化材料。 [0072]接着执行步骤S4，在所述源、漏电极区域沉积形成源、漏金属电极，所述源、漏金属电极填充于所述孔洞中，与所述石墨烯形成接触。
[0073]具体地，重复步骤S3中定义源、漏电极区域的步骤。在定义的源、漏电极区域中沉积厚层镍薄膜作为金属电极材料，剥离去胶得到源、漏金属电极5，如图9所示为俯视图，该源、漏金属电极5覆盖在石墨烯2、BN薄膜3表面以及孔洞中，与所述石墨烯2形成接触。
[0074]由于步骤S3中薄层金属镍催化层的催化刻蚀作用，在沉积厚层金属镍电极之前，BN/石墨烯表面已经被刻蚀形成了具有Zigzag边缘结构的三角形或者六角形的孔洞，因此，石墨烯2与金属电极4之间通过轨道杂化能形成极强的化学键，从而使获得的石墨烯一金属电极接触电阻有效降低。同时步骤S2中露出的I~2个原子宽度的石墨烯2边缘同样会被刻蚀形成Zigzag结构，可以直接与金属接触形成良好的近似一维的电极接触结构。其中厚层源、漏金属电极4镍薄膜的厚度为30~lOOnm。
[0075]再执行步骤S5，在所述金属电极之间石墨烯及BN薄膜上形成栅介质层，并在所述栅介质层上形成栅极。
[0076]请参阅附图10，先采用原子层沉积(ALD)的方法在整个衬底表面生长厚度为10~50nm的栅介质层6，该栅介质层6将步骤S4获得的结构表面全部覆盖，该栅介质层6可以是 Al2O3O
[0077]请参阅附图11，再采用光刻或电子束曝光(EBL)图形化定义栅电极图形，沉积金属Ti/Au在源、漏金属电极4之间的栅介质层上形成栅电极7。
[0078]请参阅附图12，采用光刻或电子束曝光(EBL)图形化定义栅介质层的刻蚀图形，刻蚀栅介质层6露出源、漏金属电极4。
[0079]请参阅附图13，形成源、漏金属电极4以及栅电极7之后，采用光刻或电子束曝光(EBL)图形化定义S/D/G电极接触图形，沉积金属Ti/Au，剥离去胶形成S/D/G的接触电极8，便于后续器件性能测试。
[0080]综上所述，本发明提供一种降低石墨烯与电极接触电阻的方法，采用金属催化刻蚀石墨烯的方法对石墨烯进行处理，随后沉积金属薄膜形成石墨烯一金属电极接触。该方法将石墨烯在氢气氛围下退火时，金属材料会催化刻蚀石墨烯形成了完美的Zigzag结构的孔洞，因此能有效降低石墨烯器件的石墨烯金属接触电阻，使得载流子迁移率提高1.5倍。同时器件工艺完成之后可以不用进一步再退火。本发明提供的制备方法与传统CMOS制造工艺兼容，为石墨烯应用于纳米电子器件及石墨烯基集成电路提供了良好的解决方案。
[0081]所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0082]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种降低石墨烯与电极接触电阻的方法，其特征在于，所述降低石墨烯与电极接触电阻的方法至少包括步骤: 1)提供一衬底，在所述衬底上形成石墨稀； 2)在所述石墨烯表面形成BN薄膜，所述BN薄膜暴露出石墨烯两端的边缘； 3)图形化定义包含暴露的石墨烯边缘及部分BN薄膜的源、漏电极区域，在所述源、漏电极区域沉积形成金属催化层，并在氢气气氛中进行退火，使所述金属催化层团聚形成催化颗粒，在催化颗粒的催化作用下，所述氢气沿着所述催化颗粒的边缘与石墨烯及BN薄膜反应，在石墨烯及BN薄膜表面形成锯齿状结构的孔洞； 4)在所述源、漏电极区域沉积形成源、漏金属电极，所述源、漏金属电极填充并覆盖所述孔洞中，与所述石墨烯形成接触； 5)在所述金属电极之间的石墨烯及BN薄膜上形成栅介质层，并在所述栅介质层上形成栅极。
2.根据权利要求1所述的降低石墨烯与电极接触电阻的方法，其特征在于:所述步骤I)中的衬底材料为S1、Si02、Si02/S1、GaAs或者GaN中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的降低石墨烯与电极接触电阻的方法，其特征在于:所述步骤1)中采用机械剥离或者化学气相沉积生长转移的方法获得石墨烯薄膜，再采用光刻或电子束曝光定义石墨烯刻蚀图形 ，最后采用反应离子束刻蚀方法通过氧等离子体刻蚀石墨烯薄膜形成步骤I)中所需的带状石墨烯。
4.根据权利要求1所述的降低石墨烯与电极接触电阻的方法，其特征在于:所述步骤2)中的BN薄膜为机械剥离获得，再转移至步骤I)所述的结构上；所述BN薄膜的厚度为10 ~30nm。
5.根据权利要求1所述的降低石墨烯与电极接触电阻的方法，其特征在于:所述步骤2)中露出的石墨烯边缘宽度为I~2个原子层深度。
6.根据权利要求1所述的降低石墨烯与电极接触电阻的方法，其特征在于:所述步骤3)中沉积形成的金属催化层的厚度为I~10nm。
7.根据权利要求6所述的降低石墨烯与电极接触电阻的方法，其特征在于:所述金属催化层为镍、金、铬、铜、钼中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的降低石墨烯与电极接触电阻的方法，其特征在于:所述步骤3)中锯齿状结构的孔洞为三角形或六角形。
9.根据权利要求1所述的降低石墨烯与电极接触电阻的方法，其特征在于:所述步骤3)的退火过程中还包括通入氩气，采用150~250sCCm流量的氩氢混合气氛进行退火，其中，Ar和H2流量比为1.8:1~2:1，退火温度为200~600°C，退火时间范围为10~30min。
10.根据权利要求1所述的降低石墨烯与电极接触电阻的方法，其特征在于:所述步骤4)中的源、漏金属电极的厚度为30~lOOnm。
11.根据权利要求10所述的降低石墨烯与电极接触电阻的方法，其特征在于:所述源、漏金属电极材料为镍。
12.根据权利要求1所述的降低石墨烯与电极接触电阻的方法，其特征在于:所述步骤5)中采用原子层沉积的方法生长形成所述栅介质层。
13.根据权利要求12所述的降低石墨烯与电极接触电阻的方法，其特征在于:形成的所述栅介质层为Al2O3,栅介质层的厚度为10~50nm。
14.根据权利要求1所述的降低石墨烯与电极接触电阻的方法，其特征在于:在所述步骤5)之后，还 包括分别在所述源、漏金属电极以及栅电极上形成接触电极的步骤。
【文档编号】H01L21/28GK103943512SQ201410189193
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月7日 优先权日:2014年5月7日
【发明者】王浩敏, 谢红, 王慧山, 孙秋娟, 卢光远, 陈吉, 张学富, 吴天如, 谢晓明, 江绵恒 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所