一种石墨烯器件的制造方法与流程

本发明涉及微电子与纳米电子技术领域，尤其涉及一种石墨烯器件的制造方法。

背景技术：

随着硅基半导体工艺技术的发展和进步，按比例缩小电子器件尺寸可以有效地提高器件性能，延续摩尔定律。然而，当器件尺寸进入22nm技术节点后，硅基晶体管已接近其物理极限，继续减小器件尺寸，受到短沟道效应影响，器件性能严重下降。为了突破传统硅基半导体器件所面临的技术瓶颈，使得器件尺寸进一步减小，业内探索使用石墨烯的二维材料。石墨烯的室温载流子迁移率高达2×10⁵cm²/vs(硅的100倍)，电流密度耐性为2×10⁹a/cm²(铜的100倍)，导热率3×10³～5×10³w/mk(与碳纳米管相当)。这些特性使得石墨烯在微电子与纳米电子领域，特别是高速电子器件与电路领域有着巨大的优势。

但是，石墨烯难以形成较好的金属石墨烯欧姆接触。由于石墨烯的线性能带结构在狄拉克点附近电子的态密度很小，载流子很难从金属注入到石墨烯中，造成了器件较大的接触电阻。另外，石墨烯为单原子层结构，本身方块电阻较大，并且由于通路区的石墨烯不受栅极电压的调控，费米能级靠近狄拉克点附近，电子能态密度较低，也会产生较大电阻。在石墨烯器件中，由接触电阻与通路区电阻合成的寄生电阻较大，导致器件的频率特性随着器件尺寸的进一步减小很难继续增加。并且，较大的寄生电阻会使得器件频率特性在去除外围寄生影响之前很低，不利于石墨烯器件在射频领域的应用。

因此，亟需一种能够降低石墨烯器件寄生电阻的石墨烯器件的制造方法，从而提高石墨烯器件的直流和频率特性。

技术实现要素：

本发明提供的石墨烯器件的制造方法，能够针对现有技术的不足，不仅能避免石墨烯表面的有机残留沾污，并且能够大大降低器件的寄生电阻，提高石墨烯器件的直流和频率特性。

本发明提供一种石墨烯器件的制造方法，包括：一种石墨烯器件的制造方法，其特征在于，包括：

步骤一、提供衬底，在所述衬底上生长绝缘层，在所述绝缘层上生长石墨烯层；

步骤二、在所述器件上沉积金属掩膜层；

步骤三、对所述金属掩膜层和所述石墨烯层进行有源区刻蚀；

步骤四、在所述有源区的金属掩膜层上形成t型栅结构；

步骤五、去除所述有源区的金属掩膜层，对暴露出的石墨烯层进行表面预处理；

步骤六、以所述t型栅结构为掩膜，沉积自对准接触金属层；

步骤七、在所述自对准接触金属层周边选择性沉积外围测试金属电极，所述外围测试金属电极部分覆盖所述自对准金属层。

可选地，上述金属掩膜层材料为au、ti、cr、pd、ni、pt、ta、mo或者其任意组合。

可选地，上述金属掩膜层通过电子束蒸发沉积在所述石墨烯层表面，沉积厚度为10-30nm。

可选地，上述步骤四包括利用多层光刻胶工艺以及曝光显影形成t型栅图形，将显影区内的金属掩膜层腐蚀，沉积栅介质层和栅金属层并剥离形成t型栅结构。

可选地，上述多层光刻胶工艺包括zep/pmgi/zep、pmma/al/uviii或pmma/mma/pmma多层胶工艺。

可选地，上述栅介质层的材料为al或y的氧化物。

可选地，上述石墨烯层的表面预处理包括uv处理、等离子体轰击、化学表面修饰或掺杂。

可选地，上述步骤六在以所述t型栅结构为掩膜沉积自对准接触金属层之前还包括利用光刻胶在所述有源区进行光刻显影出有源区窗口。

可选地，上述光刻胶包括翻转胶az5214和/或pmgi，或者电子束胶pmma、mma、uviii或zep。

可选地，上述自对准接触金属层材料为pd、ni或ti。

可选地，上述步骤六在沉积所述自对准接触金属层后还包括对器件进行退火处理。

可选地，上述外围测试电极金属可采用ti、au、cr、pd、pt或其组合。

本发明实施例提供的石墨烯器件的制造方法，具有良好的可操作性，能够与顶栅石墨烯场效应晶体管制备工艺兼容，避免后续工艺对石墨烯表面的有机残留沾污，并且大大降低短栅长石墨烯射频器件的寄生电阻，提高器件的直流和频率特性。

附图说明

图1为本发明一实施例的顶栅石墨烯射频场效应晶体管的结构示意图；

图2a-2g为本发明一实施例的石墨烯器件的制造步骤中的结构示意图；

图3为本发明一实施例的石墨烯器件的制造方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例的顶栅石墨烯射频场效应晶体管的结构示意图。如图所示，该顶栅石墨烯场效应晶体管利用降低短栅长石墨烯射频器件寄生电阻的方法制备而成。该顶栅石墨烯场效应晶体管包括半导体衬底100、绝缘层101、石墨烯导电层102、t型栅结构104、自对准接触金属105、外围测试金属电极106。绝缘层101沉积在半导体衬底100上。石墨烯导电层102设置于绝缘层101上，t型栅结构104设置于石墨烯导电层102上，自对准接触金属层105选择性地沉积在器件有源区，外围测试金属电极106沉积在自对准接触金属层105周围并部分覆盖自对准接触金属层105。

图2a-2g为本发明一实施例的石墨烯器件的制造步骤中的结构示意图。

如图2a所示，在衬底100上生长绝缘层101，在绝缘层101上制备石墨烯材料。特别的，半导体衬底100包括但不限于si、sic、al2o3、gaas、aln、zno等材料的半绝缘或绝缘衬底，厚度为300-800nm。绝缘层101包括但不限于sio2、si3n4、sion等材料。优选的，石墨烯材料的原子层数为5-10层，更加优选的，石墨烯材料的原子层数为2-5层，最优选的，石墨烯材料具有1-2层原子层。典型地，可以采用化学气相沉积(cvd)生长的方法在衬底100上制备石墨烯导电层102。特别的，衬底100为sio2层，衬底100的厚度为300nm。制备石墨烯导电层102的方法包括但不限于微机械剥离、sic外延等方法。

如图2b所示，在衬底100上沉积金属掩膜层103。特别的，金属掩膜层103的材料可以包括但不限于au、ti、cr、pd、ni、pt、ta、mo等金属以及它们之间的任意组合。特别的，在衬底100上通过电子束蒸发沉积金属掩膜层103，进一步的，金属掩膜层103的厚度为10-30nm。典型地，本发明的一个实施例采用au作为金属掩膜层103的材料，厚度为20nm。

如图2c所示，在金属掩膜层103上旋涂光刻胶，对石墨烯导电层102和金属掩膜层103进行有源区刻蚀。可选的，光刻胶可以是9920型光刻胶、正胶9912、电子束胶pmma、mma、uviii或zep胶，优选为9920型光刻胶。典型的，在金属掩膜层103上旋涂光刻胶的步骤为：前转3秒，转速为400-600rpm；后转60秒，转速为1500-4000rpm；随后加热90秒，优选的，在100℃的热板上进行加热；曝光4.5秒，优选的，利用ma6曝光机进行曝光，优选的，曝光的光强定为5；然后显影15-50秒，优选的，在cd26中进行显影；进一步的，通过di水漂洗并使用氮气吹干。从而在金属掩膜层103上形成了有源区的光刻胶掩膜。然后将器件样品浸泡在i、ki和h2o的混合溶液中，特别的，浸泡时间为2-6分钟；将有源区外的掩膜金属腐蚀掉，优选的，使用湿法腐蚀掩膜金属，腐蚀液根据掩膜金属的种类确定，典型地，例如对于au使用i、ki与h2o的混合溶液，对于pd使用fecl3与h2o的混合溶液，对于ni使用hcl与h2o的混合溶液。当使用湿法刻蚀掉有源区以外的金属掩膜后，将有源区外的石墨烯导电层102进行刻蚀，典型地，可以使用rie或matrix产生的氧等离子体进行刻蚀；最后将光刻胶掩膜去除。

如图2d所示，在有源区金属掩膜层103上旋涂光刻胶，可选的，光刻胶可以是9920型光刻胶、正胶9912、电子束胶pmma、mma、uviii或zep胶，优选为zep型光刻胶。典型的，在有源区金属掩膜层103上旋涂光刻胶的步骤为：前转3秒，转速为400-600rpm；后转60秒，转速为1500-4000rpm；加热3分钟，优选的，在200℃的热板上进行加热。

进一步的，继续在衬底100上旋涂光刻胶，可选的，光刻胶可以是9920型光刻胶、正胶9912、电子束胶pmma、mma、uviii或zep胶，优选为pmgi型光刻胶。典型的，在衬底100上旋涂光刻胶的步骤为：前传3秒，转速为400-600rpm；后转60秒，转速为4000-6000rpm；加热5分钟，优选的，在180℃的热板上进行加热。

进一步的，继续在衬底100上旋涂光刻胶，可选的，光刻胶可以是9920型光刻胶、正胶9912、电子束胶pmma、mma、uviii或zep胶，优选为zep型光刻胶。典型的，在衬底100上旋涂光刻胶的步骤为：前传3秒，转速为400-600rpm；后转60秒，转速为1500-4000rpm；加热5分钟，优选的，在200℃的热板上进行加热。

可选地，t型栅结构可以由多层胶工艺制程，包括但不限于zep/pmgi/zep，pmma/al/uviii,pmma/mma/pmma等多层胶工艺。

再进一步的，形成t型栅结构104。优选的，采用电子束曝光直写形成t型栅结构104。特别的，电子束曝光的剂量为600-800；曝光后在进行显影，优选的，在mibk和mek的混合液中进行显影，显影时间为20-60秒；显影后进行定影，优选的，在ipa中进行定影，定影时间为10秒；定影后吹干，优选的，使用氮气吹干；进行再次显影，优选的，在cd26中进行显影，显影时间为15-50秒；显影后进行漂洗和吹干，优选的，使用di水进行漂洗，使用氮气吹干；进行第三次显影，优选的，在n50中进行显影，显影时间为30-60秒；第三次显影后进行定影，优选的，使用ipa进行定影，定影时间为45秒，定影后吹干，优选的，使用氮气吹干。

又进一步的，腐蚀t型栅显影区的金属掩膜。特别的把样品浸泡在i、ki和h2o的混合溶液中，浸泡时间为15-60秒，腐蚀显影区的au掩膜；腐蚀金属掩膜后，形成栅介质层。特别的，栅介质层材料可以包括但不限于al、y等活泼金属的氧化物，栅材料层的厚度为2-10nm，典型地，利用电子束蒸发al薄膜，薄膜厚度为3nm，自然氧化后作为栅介质；典型地，再利用电子束蒸发ti或au薄膜作为栅电极金属，特别的，以ti为材料的栅电极金属层厚度为2nm，以au为栅电极金属层的厚度为350nm；将样品在60℃的zdmac中浸泡，浸泡时间10-30分钟，剥离曝光图形以外的金属，就得到了t型栅结构104。

如图2e所示，利用金属腐蚀液对有源区金属掩膜进行腐蚀，然后再对有源区暴露出的石墨烯进行表面预处理。特别的，表面预处理包括但不限于uv处理、等离子体轰击、化学表面修饰、掺杂等预处理有利于形成良好的欧姆接触。典型地，对于uv处理，处理时间为1-3分钟。

如图2f所示，利用光刻胶在有源区再次光刻显影处有源区窗口，光刻胶包括但不限于az5214、pmgi、电子束胶pmma、mma、uviii或zep等光刻胶。为使得沉积自对准金属层105后的器件栅源间距即通路区大大减小，以t型栅作为掩膜，在有源区选择性沉积自对准接触金属层105。特别的，使用电子束蒸发沉积自对准接触金属层105，剥离后可以形成自对准接触结构，自对准接触金属层105的沉积厚度为20nm。特别的，自对准接触金属层105的材料包括但不限于pd、ti等有利于形成化学接触的金属。自对准接触金属层105与石墨烯导电层102之间能够形成紧密的接触，并可以对石墨烯导电层102进行较重的掺杂，形成良好的金属石墨烯欧姆接触。特别的，可以在沉积自对准金属层105之后对器件进行退火处理，从而进一步降低器件的接触电阻。

如图2g所示，再次利用az5214光刻胶作为掩膜，沉积外围测试电极金属106。特别的，外围测试电极金属即源漏电极金属层106包括但不限于采用ti、au、cr、pd、pt等金属材料。在本发明的一个实施例中，通过电子束蒸发沉积ti或者au作为外围测试电极金属106，典型地，使用ti作为外围测试电极金属106的材料时，ti层的厚度为2nm；当使用au作为外围测试电极金属106的材料时，au层的厚度为200nm。

图3为本发明一实施例的石墨烯器件的制造方法流程图。如图所示，s31为首先提供衬底，在衬底上生长绝缘层，在绝缘层上继续生长石墨烯层；优选的，石墨烯层可以通过微机械剥离或化学气相沉积的方法沉积在绝缘层上；s32为在器件上沉积金属掩膜层；s33为对金属掩膜层和石墨烯导电层进行有源区刻蚀；s34为在有源区金属层上形成t型栅结构；特别的，使用电子束曝光直写形成t型栅图形，并腐蚀掉显影区部分的金属掩膜，沉积栅介质和栅金属后剥离形成t型栅结构；s35为去除有源区金属掩膜层，对暴露出来的石墨烯进行有利于形成欧姆接触的表面预处理；s36为以t型栅结构为掩膜沉积自对准接触金属；s37为在自对准金属层周边选择性沉积外围测试金属电极，并部分覆盖自对准金属层。

本发明提供的石墨烯器件的制造方法，采用先将有源区金属掩膜腐蚀掉再二次沉积有源区自对准接触金属的方法，以t型栅为掩膜，能够实现器件自对准结构，缩短通路区从而减小通路区电阻并降低器件的寄生电阻，还能够通过可选金属与石墨烯之间的耦合欧姆接触，降低接触电阻，并且能够通过对有源区石墨烯进行表面预处理进一步形成良好的欧姆接触。另外，本发明提供的石墨烯期间的制造方法在石墨烯表面覆盖金属掩膜，能够避免对石墨烯表面的沾污。本发明的可操作性良好，与顶栅石墨烯场效应晶体管制备工艺兼容，可以大大降低石墨烯器件的寄生电阻，提高器件的直流和频率特性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。