一种石墨烯场效应晶体管及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子器件领域，涉及一种石墨烯场效应晶体管及其制作方法，具体涉及一种石墨烯顶栅场效应晶体管及其制作方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是指一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密排列的碳原子所构成的二维碳材料，由于其优异和独特的电学性能，近年来对其在电子器件领域的应用研究越来越深入。石墨烯场效应管利用电场的调控来改变诸如器件导电类型、载流子迀移率等，从而满足特定的应用需求。石墨烯顶栅场效应晶体管是指对石墨烯导电沟道进行调控的栅电极位于石墨烯层的上方。由于顶栅器件对应的栅介质层一般较薄，这使得顶栅器件相对于背栅器件来说具有更强的栅控能力。
[0003]石墨烯顶栅场效应晶体管有源区的顶栅图形几何中心一般是处于源端与漏端之间的中心位置。百纳米内栅长的石墨烯场效应晶体管有源区的顶栅图形目前在制作过程中往往都需要通过电子束直写曝光来实现，而其中最大的困难就是顶栅图形与源端以及漏端图形的套刻对准。电子束直写曝光的套刻对准精度受多种因素影响，如电子束设备的写场拼接、子场拼接、束流稳定性以及样品对准标记的质量等。而上述影响因素在实际器件制作过程中有一定的不确定性。这大大加大了石墨烯顶栅场效应晶体管的制作难度。由于电子束直写曝光套刻对准精度的限制，器件的栅结构会出现偏离对称中心，这种结构的变化具有随机性，致使最终器件性能不稳定；而且一般顶栅器件的栅介质层较薄，当栅电极与源端或漏端发生交叠时，会导致场效应管输入或输出端的寄生电容变大，从而使器件的高频性能变差。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种石墨烯场效应晶体管，所述晶体管包括:
[0005]⑴衬底层；
[0006](ii)设置于衬底层上的第一绝缘层；
[0007](iii)设置于第一绝缘层上的石墨烯层，所述石墨烯层在第一绝缘层上的投影为有源区；
[0008](iv)设置于石墨烯层上的源漏电极层；
[0009](V)设置于源漏电极层上，以及石墨烯层上位于源电极和漏电极之间的沟道上的第二绝缘层；
[0010](Vi)设置于有源区非沟道区域第二绝缘层上的第三绝缘层；
[0011](Vii)顶栅电极，跨越源电极和漏电极。
[0012]本发明提供的石墨烯场效应晶体管采用将顶栅电极跨越源电极和漏电极的方式，扩大了有源区上方顶栅图形的实际尺寸，在相同的电子束直写曝光套刻对准精度下提高了器件制作的成品率；另一方面，跨越源电极和漏电极的设计，降低了沟道区域与源电极和漏电极的间距，减小了非栅控沟道的通路电阻，从而减小器件的寄生电阻，增大输出电流；另夕卜，由于在器件有源区非沟道区域沉积有一层较厚的氧化硅，大大减小了顶栅与源端和漏端交叠区域引入的寄生电容。
[0013]本发明所述栅电极层和源漏电极层均包括粘附性金属层和覆盖在粘附性金属层之上的导电性金属层；
[0014]优选地，所述粘附性金属层的材料为Cr、T1、Ni或Pb中的任意I种，所述导电性金属层的材料为Au或Pt ;
[0015]优选地，所述第二绝缘层的材料独立地选自A1203、11?)2或Y2O3中的任意I种。
[0016]本发明所述石墨烯场效应晶体管的制备方法包括如下步骤:
[0017](I)提供一衬底；
[0018](2)在衬底上表面形成第一绝缘层；
[0019](3)在第一绝缘层的上表面形成石墨烯层；
[0020](4)在衬底上表面非石墨烯区域设定对准标记，用于后续电子束曝光；
[0021](5)刻蚀石墨烯层，得到有源区；
[0022](6)在经过上述处理的样片表面有源区形成源漏电极层，其中在有源区区域的源电极与漏电极之间设有间距，所述间距在石墨烯区域的投影为器件的沟道；
[0023](7)在经过上述处理的样品表面有源区区域覆盖由高介电常数材料构成的第二绝缘层；
[0024](8)在覆盖有第二绝缘层的有源区非沟道区域上表面形成第三绝缘层；
[0025](9)在覆盖有第二绝缘层的沟道上方形成顶栅电极，所述顶栅电极在沟道上方跨越源电极和漏电极。
[0026]步骤(2)所述第一绝缘层和步骤(8)所述第三绝缘层为氧化硅层，第一绝缘层的形成方式优选为化学气相沉积或热氧化方法沉积，第三绝缘层的形成方式优选为化学气相沉积；
[0027]优选地，步骤(3)所述石墨烯层的形成方式为将化学气相沉积或机械剥离得到的石墨烯转移至第一绝缘层的上表面获得。
[0028]步骤(5)在所述石墨烯层形成顶栅场效应管的有源区的步骤包括:
[0029](5a)通过电子束直写曝光在石墨烯层形成有源区的电子束抗蚀图形；
[0030](5b)刻蚀去除非有源区的石墨烯；
[0031](5c)去除电子束直写曝光使用的电子束抗蚀剂；
[0032]优选地，步骤(5b)所述刻蚀通过氧等离子体进行。
[0033]步骤(6)所述源漏电极层和步骤(9)所述顶栅电极的栅电极层的粘附性金属层和导电性金属层的形成方法为电子束直写曝光或电子束蒸镀法。
[0034]步骤(7)所述覆盖第二绝缘层的步骤为:
[0035](7a)采用电子束蒸镀的方法在样品表面沉积金属材料，所述金属材料为Al、Hf或Y中的任意I种；
[0036](7b)之后将样品放置于烘箱中烘烤，以在样品表面形成金属氧化物缓冲层；
[0037](7c)采用原子层沉积法在整个样品表面覆盖由高介电常数材料构成的栅介质层，得到第二绝缘层；
[0038]优选地，步骤(7a)所述金属材料的沉积厚度为2.5?3.5nm，优选3nm厚；
[0039]优选地，步骤(7b)所述烘烤温度为180?220°C，优选200°C ;烘烤时间为I?2h。
[0040]步骤(8)所述第三绝缘层的制备步骤为:
[0041](Sa)电子束直写曝光形成特定的电子束抗蚀图形；
[0042](Sb)在步骤(Sa)的结构上表面化学气相沉积第三绝缘层；
[0043](Sc)去除电子束抗蚀剂，即形成有源区非沟道区域的二氧化硅层；
[0044](Sd)将样片进行退火处理；
[0045]优选地，所述退火处理的温度为480?550 °C，优选500 °C ;退火时间为0.8?
1.5h，优选Ih;退火处理时的真空度为0.8 X 10 3?1.2X10 3Pa量级。
[0046]步骤(9)所述顶栅电极跨越覆盖源电极和漏电极。
[0047]作为优选技术方案，本发明提供的石墨烯场效应晶体管的制备方法包括如下步骤:
[0048](I)提供一衬底；
[0049](2)在衬底上表面通过化学气相沉积形成氧化硅层，作为第一绝缘层；
[0050](3)将通过化学气相沉积法获得的石墨烯薄膜转移至第一绝缘层的上表面，形成石墨稀层；
[0051](4)在衬底上表面非石墨烯区域设定对准标记，用于后续电子束曝光；
[0052](5)电子束直写曝光在石墨烯层形成有源区的电子束抗蚀图形，通过氧等离子体刻蚀去除非有源区的石墨烯，去除电子束抗蚀剂，得到有源区；
[0053](6)在经过上述处理的样片表面有源区形成源漏电极层，该电极层材料由下向上依次包含粘附性金属层和导电性金属层，其中源电极与漏电极设有间距，所述间距在石墨烯区域的投影为器件的沟道；
[0054](7)在经过上述处理的样品表面有源区区域电子束蒸镀金属铝，之后将样品放置于烘箱中烘烤，200°C下烘烤I?2h，然后通过原子层沉积方法获得三氧化二铝层，形成由高介电常数材料构成的栅介质层，即第二绝缘层；
[0055](8)在有源区覆盖有高介电常数材料的源漏电极上表面通过化学气相沉积方法形成二氧化硅层，也即第三绝缘层；
[0056](9)用电子束直写曝光以及电子束蒸镀方法在覆盖有第二绝缘层的沟道上方形成顶栅电极，所述顶栅电极在沟道上方跨越源电极和漏电极。
[0057]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:
[0058](I)由于所制作的石墨烯场效应晶体管在有源区部分，栅结构具有跨越源、漏端的特征，所以在同一栅长下有源区上方的栅图形的实际尺寸比传统石墨烯顶栅场效应晶体管对应部分的图形尺寸大，因此，在相同的电子束直写曝光套刻对准精度下提高了器件制作的成品率；
[0059](2)本发明提供的顶栅电极在沟道上方跨越源、漏端，使得沟道区域与源端或漏端的间距只有一个栅介质层的厚度，有效减小了非栅控沟道的通路电阻，从而减小器件的寄生电阻，增大输出电流；
[0060](3)由于在器件有源区非沟道区域沉积有一层较厚的氧化硅作为绝缘层，大大减小了顶栅与源端和漏端交叠区域引入的寄生电容。
【附图说明】
[0061]图1为本发明【具体实施方式】一所述的石墨烯场效应晶体管未覆盖顶栅电极的俯视结构示意图；
[0062]图2为本发明【具体实施方式】一所述的石墨烯场效应晶体管的俯视结构示意图；
[0063]图3为本发明【具体实施方式】一所述的石墨烯场效应晶体管沿A-A’的剖视结构示意图；
[0064]其中，101为硅衬底层，102为第一绝缘层，103石墨烯层，104源漏电极层，1041为源电极，1042为漏电极，105第二绝缘层，106第三绝缘层，107顶栅电极；
[0065]图4为【具体实施方式】一提供的石墨烯场效应晶体管实施例的制作流程图。
【具体实施方式】
[0066]为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
[0067]【具体实施方式】一
[0068]图1?图3给出了本发明所述的石墨烯场效应晶体管的一种【具体实施方式】，所述的石墨稀场效应晶体管包括:
[0069]⑴娃衬底层101 ;
[0070](ii)设置于硅衬底层101上的二氧化硅层，即第一绝缘层102 ;
[0071](iii)设置于第一绝缘层102上的石墨烯层103，所述石墨烯层103在第一绝缘层102上的投影为有源区；
[0072](iv)设置于石墨稀层103上的源漏电极层104 ；
[0073](V)设置于源漏电极层104上的由高介电常数材料三氧化二铝构成的栅介质层，即第二绝缘层105，所述第二绝缘层105覆盖源电极1041、漏电极1042和石墨烯层103的沟道区域；所述沟道区域为源电极1041和漏电极1042之间的间隙在石墨烯层103上的投影部分；