专利名称：一种基于石墨烯的双栅mosfet的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种双栅MOSFET的制备方法，特别是涉及一种基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，属于微电子与固体电子领域。
背景技术：
随着技术的不断进步，对于计算机运行速度的要求也不断提高，目前的硅基集成电路的发展受到了本身材料的限制，在室温下硅基晶体管的截止频率达4-5GHZ后就很难在继续提高。石墨烯材料(2X 105cm2/V s)拥有比硅材料(I. 6X 103cm2/V s)更高的载流子迁移率，同时石墨烯正是晶体管中导电通道最理想的材料。由于电子在石墨烯中的运行速度能够达到光速的1/300，要比在其它介质中的运行速度高很多，电子可不被散射而进行传输，用其制备的晶体管尺寸更小、速度更快、产热更少、能耗更低。 目前将石墨烯用于晶体管的前提是要把在催化金属上制备的石墨烯转移下来后，放在合适衬底上才能制作晶体管。但是对于在金属基体上生长的石墨烯，生长后能否高质量地将石墨烯从金属基体转移到合适的衬底上是实现其在晶体管领域中应用的前提。但现有转移方法的工艺图如图Ia至图If所示，在一 Si衬底I上生长一层SiO2层2，然后在所述SiO2层2上制备一层催化金属3 ;在所述催化金属3表面旋涂一层厚度均匀的高聚物4 ;将样品进行高温退火工艺，在所述高聚物4与催化金属3界面形成石墨烯40，多余高聚物4挥发掉；转移过程中为保护所述石墨烯40的结构不被破坏，不受污染，其上方区域重新旋涂一层高聚物4 ;施加外力，将催化金属3/石墨烯40/高聚物4堆垛结构从SiO2层2上撕下；采用氯化铁腐蚀催化金属3，将石墨烯40/高聚物4堆垛结构放入丙酮中，溶解高聚物4;用所需的衬底将悬浮的所述石墨烯40捞起，再用酒乙醇和去离子水清洗，通过以上步骤将所述石墨烯转移到所需要的新衬底9上，然后再制备晶体管。在上述现有工艺中，在转移的过程中还会造成石墨烯结构的破坏和污染，尤其不适合化学稳定性强的贵金属上石墨烯的转移，使用这样的石墨烯制作的晶体管，很难与常规的硅基晶体管相比，其优越性将荡然无存。鉴于此，本发明提出的一种基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，用以克服现有技术中工艺流程复杂、制备石墨烯时转移衬底所造成的石墨烯结构破坏和污染、以及造成催化金属浪费的缺点。
发明内容
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基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，用于解决现有技术中在制备基于石墨烯的双栅MOSFET过程中工艺流程复杂、制备石墨烯时由于转移衬底所造成的石墨烯结构破坏和污染、以及造成催化金属浪费的缺点的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤
I)提供一单晶硅衬底，在所述单晶硅衬底上生长一层SiO2层；2)在所述SiO2层上旋涂一层高聚物作为制备石墨烯的碳源；3)采用电子束蒸发或者溅射工艺在所述高聚物上制备一层催化金属层；4)将样品放置于管式炉中，将所述管式炉抽真空至预定压强，然后向所述管式炉中通入预定比例的混合气体作为保护气氛，在所述保护气氛下对该样品进行高温退火处理，以在所述催化金属层与高聚物界面处形成石墨烯；5)利用光刻及化学腐蚀工艺在所述催化金属层上开窗，并形成源、漏电极；6)利用原子层沉积技术在所述催化金属层开窗区域的石墨烯上沉积一层高K栅介质薄膜，并利用掩膜板在所述高K栅介质薄膜上制备前栅极；7)利用HF将高温退火处理时在所述单晶硅衬底背面形成的SiO2腐蚀掉，然后制备背栅极。可选地，于所述步骤I)中，生长的SiO2层的厚度为5 15nm。可选地，于所述步骤2)中，在所述SiO2层上旋涂的高聚物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、或酚醛树脂。可选地，于所述步骤3)中，在所述高聚物上制备一层催化金属层的催化金属材质为Cu、Ni、Co、Ir、Ru、或Pt,所述催化金属的厚度200nm 300nm。可选地，于所述步骤4)中，所述高温退火处理为对所述衬底进行加热至95(TlOO(rC，保持恒温30min，然后将其迅速冷却至室温。可选地，于所述步骤4)中，当所述预定压强为I. 2E-2Pa时，通入包含H2和Ar的所述混合保护气体，且所述H2和Ar的流量比为 IOsccm :200sccm。可选地，于所述步骤4)中，形成的所述石墨烯为广3层。可选地，所述化学腐蚀工艺为于所述步骤5)中，采用5 8mol/L的Fecl3配液腐蚀所述催化金属，然后用去离子水反复冲洗。可选地，于所述步骤6)中，在所述催化金属层开窗区域的石墨烯上沉积的高K栅介质薄膜的厚度为3nm 8nm,所述高K栅介质薄膜的材料为 HfSiO、HfSiON, HfTaO, HfTaON, HfAlON, HfLaON, HfTiON、或 HfZrON。可选地，所述背栅极或前栅极的材料为Pt、Cu、Au、TiN、Al、W、*TaN。如上所述，本发明的一种基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，具有以下有益效果本发明提出的一种基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，该方法工艺流程简单，制备的石墨烯直接附着于所需衬底上，无需进行转移，有效避免了由于转移所造成的石墨烯结构破坏和污染。同时顶层的催化金属也没有浪费，催化金属可以二次再利用，将其制备成晶体管的源极和漏极，此举可降低晶体管的制备成本，适合基于石墨烯MOSFET晶体管的大规模生产；此外，用该方法制备的双栅M0SFET，其前栅和背栅可同时调制石墨烯材料的电学性质，使得制备的基于石墨烯沟道材料和高K栅介质的双栅MOSFET器件具备更加优异的开断性能，更高的载流子迁移率以及更小的栅漏电流。由于引入的SiO2较薄，即可采用较小的背栅，进行调制，成功将所需的衬底偏压降至CMOS工艺中典型的3V甚至更小。
图Ia If显示为现有技术中制备石墨烯的工艺流程示意图。、
图2a 2g显示为本发明的一种基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法工艺流程示意图。元件标号说明I单晶硅衬底2SiO2 层3催化金属层30源极31漏极
4高聚物40石墨烯5开窗区6高K栅介质薄膜7前栅极8后栅极9新衬底
具体实施例方式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。请参阅图2a至图2g。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。下面结合说明书附图进一步说明本发明提供的一种基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，为了示出的方便附图并未按照比例绘制，特此述明。如图2a_2g所示，本发明提供一种基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，包括以下步骤步骤一如图2a所述，提供一单晶硅衬底1，在所述单晶硅衬底I上生长一层高质量的SiO2层2，该SiO2层2厚度为5nm 15nm，本实施例中优选为10nm。在该步骤中，如果不引入一层高质量的SiO2层2，而是直接在Si衬底I上直接旋涂高聚物4，会在后续退火中形成不稳定的SiOx的界面，从而引入更多界面态，造成器件性能恶化。步骤二 如图2b所示，在所述SiO2层2上旋涂一层高聚物4作为制备石墨烯40的碳源，所选用的高聚物4为PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)、PDMS (聚二甲基硅氧烷)、或酚醛树脂中的一种，但并不限于这些高聚物4，能够为本发明中石墨烯提供碳源的高聚物4材料都能够作为本实施例中的高聚物4材料，本实施例中优选为PMMA。步骤三如图2c所示，采用电子束蒸发或者溅射工艺在所述高聚物4上制备一层厚度为200nm 300nm的催化金属层3，本实施例中催化金属层3的厚度优选为250nm，此厚度根据需要可以调整；所述催化金属层3的材料选自但不限于CU、Ni、Co、Ir、RU、或Pt等中的一种，本实施例中优选为Ni。步骤四将样品放置于一个可加热的管式炉中，然后用真空泵将所述管式炉中的空气抽出，直至所述管式炉的真空度达到预定的压强，例如I. 2E_2Pa。当所述管式炉中的真空度达到上述预定的压强时，然后向所述管式炉中通入一定比例的H2和Ar混合气体作为保护气氛，但本发明中不限于该两种气体，也可以用其它惰性气体及其组合作为保护气氛，并使所述真空管中的真空度降至一定程度时，在所述保护气氛下对所述衬底进行高温退火处理；通入的H2和Ar的流量分别为IOsccm和200sccm，高温退火温度为950°C 1000°C，本实施例中优选为950°C，在该温度下持续30min。通过对样品施加高温，使所述高聚物4中的碳源在所述催化金属层3内部扩散，然后迅速将其冷却至室温，随着温度的减低，碳原子 在所述催化金属层3的溶解度降低，就会析出在所述SiO2层与催化金属层3界面形成石墨烯40，同时多余高聚物4挥发掉，本实施例中所形成的石墨烯40为I层 3层，如图2d所
/Jn o步骤五如图2e所示，利用光刻及化学腐蚀工艺在所述催化金属层3上形成开窗区5，并形成源电极30、漏电极31，具体工艺为首先在所述催化金属层3上旋涂一层粘附性好、厚度适当、均匀的光刻胶，通过掩膜板对光刻胶进行前烘、曝光、显影、坚膜工艺将掩膜板上的图形转移到所述催化金属层3上，然后通过选择性化学腐蚀将掩膜板窗区的催化金属层3去除形成开窗区5,暴露出其下方的石墨烯40,所选用的化学腐蚀液为5 8mol/L的Fecl3溶液，腐蚀后用去离子水反复冲洗，最后去除光刻胶。步骤六如图2f所示，利用ALD (原子层沉积)技术在所述催化金属开窗区5的石墨烯40上沉积一层3 8nm的高K栅介质薄膜6,本实施例中优选为5nm,所述高K栅介质薄膜6材料为各种铪基材料的一种，例如HfSiO、HfSiON, HfTaO, HfTaON, HfAlON, HfLaON,HfTiON、或HfZrON等，但并不限于本实施例中所涉及的这些材料，本实施例中优选为HfSiO材料。然后利用掩膜板在所述高K栅介质薄膜6上制备前栅极7，在本实施例中，所述前栅极7所用材料暂选为Pt。但并不限于此，在其他的实施例中，所述前栅极7所用材料亦可为W、Al、Cu、Au、TiN,或TaN中的一种，特此述明。步骤七如图2g所示，利用HF将高温退火处理时在所述单晶硅衬底I背面形成的SiO2层(图中未示出)腐蚀掉，由于在退火处理后，衬底I下表面会形成较厚的SiO2层(图中未示出)，无形中又引入了一层栅介质，对背栅的调制造成恶化效应，因此在沉积背栅前，先用氢氟酸HF (HF H20=2 8即20%)酸漂洗掉SiO2层。然后所述单晶硅衬底I背面制备背栅极8，在本实施例中，所述背栅极8所用材料暂选为Al。但并不限于此，在其他的实施例中，所述背栅极8所用材料亦可为W、Pt、Cu、Au、TiN、或TaN中的一种，特此述明。至此，则制备出了本发明的基于石墨烯的双栅M0SFET。由上可知，本发明提供的制备方法解决了现有技术中在制备基于石墨烯的双栅MOSFET过程中工艺流程复杂、制备石墨烯时由于转移衬底所造成的石墨烯结构破坏和污染、以及造成催化金属浪费的缺点的问题。综上所述，本发明提出的一种基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，该方法工艺流程简单，制备的石墨烯直接附着于所需衬底上，无需进行转移，有效避免了由于转移所造成的石墨烯结构破坏和污染。同时顶层的催化金属也没有浪费，催化金属可以二次再利用，将其制备成晶体管的源极和漏极，此举可降低晶体管的制备成本，适合基于石墨烯MOSFET晶体管的大规模生产；此外，用该方法制备的双栅M0SFET，其前栅和背栅可同时调制石墨烯材料的电学性质，使得制备的基于石墨烯沟道材料和高K栅介质的双栅MOSFET器件具备更加优异的开断性能，更高的载流子迁移率以及更小的栅漏电流。由于引入的SiO2较薄，即可采用较小的背栅，进行调制，成功将所需的衬底偏压降至CMOS工艺中典型的3V甚至更小。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。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
1.一种基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤 1)提供一单晶娃衬底，在所述单晶娃衬底上生长一层SiO2层； 2)在所述SiO2层上旋涂一层高聚物作为制备石墨烯的碳源； 3)采用电子束蒸发或者溅射工艺在所述高聚物上制备一层催化金属层； 4)将样品放置于管式炉中，将所述管式炉抽真空至预定压强，然后向所述管式炉中通入预定比例的混合气体作为保护气氛，在所述保护气氛下对该样品进行高温退火处理，以在所述催化金属层与高聚物界面处形成石墨烯； 5)利用光刻及化学腐蚀工艺在所述催化金属层上开窗，并形成源、漏电极； 6)利用原子层沉积技术在所述催化金属层开窗区域的石墨烯上沉积一层高K栅介质薄膜，并利用掩膜板在所述高K栅介质薄膜上制备前栅极； 7)利用HF将高温退火处理时在所述单晶硅衬底背面形成的SiO2腐蚀掉，然后制备背栅极。
2.根据权利要求I所述的基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，其特征在于于所述步骤I)中，生长的SiO2层的厚度为5nm 15nm。
3.根据权利要求I所述的基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，其特征在于于所述步骤2)中，在所述SiO2层上旋涂的高聚物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、或酚醛树脂。
4.根据权利要求I所述的基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，其特征在于于所述步骤3)中，在所述高聚物上制备一层催化金属层的催化金属材质为Cu、Ni、Co、Ir、Ru、或Pt。
5.根据权利要求4所述的基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，其特征在于所述催化金属的厚度200nm 300nm。
6.根据权利要求I所述的基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，其特征在于，于所述步骤4)中，所述高温退火处理为对所述衬底进行加热至95(Γ1000 ，保持恒温30min，然后将其迅速冷却至室温。
7.根据权利要求I所述的基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，其特征在于于所述步骤4)中，当所述预定压强为I. 2E-2Pa时，通入包含H2和Ar的所述混合保护气体，且所述H2和Ar的流量比为IOsccm :200sccm。
8.根据权利要求I所述的基于石墨烯的双栅MOSFET制备方法，其特征在于于所述步骤4)中，形成的所述石墨烯为广3层。
9.根据权利要求I所述的基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，其特征在于，所述化学腐蚀工艺为于所述步骤5)中，采用5lmol/L的Fecl3配液腐蚀所述催化金属，然后用去离子水反复冲洗。
10.根据权利要求I所述的基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，其特征在于于所述步骤6)中，在所述催化金属层开窗区域的石墨烯上沉积的高K栅介质薄膜的厚度为3nm 8nm。
11.根据权利要求10所述的基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，其特征在于所述高 K 栅介质薄膜的材料为 HfSiO、HfSiON, HfTaO, HfTaON, HfAlON, HfLaON, HfTiON、或HfZrON0
12.根据权利要求I所述的基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，其特征在于所述背栅极或前栅极的材料为Pt、Cu、Au、TiN, Al、W、或TaN。
全文摘要
本发明提供一种基于石墨烯的双栅MOSFET的制备方法，属于微电子与固体电子领域，该方法包括在单晶硅衬底上生长一层高质量的SiO2，然后在该SiO2层上旋涂一层高聚物作为制备石墨烯的碳源；再在高聚物上淀积一层催化金属，通过高温退火，在所述SiO2层和催化金属层的交界面处形成有石墨烯；利用光刻技术及刻蚀工艺，在所述催化金属层上开窗并形成晶体管的源极和漏极；利用原子沉积系统在开窗区沉积一层高K薄膜，然后在该高K薄膜上方制备前金属栅，最后在Si衬底的背面制备金属背栅极，最终形成基于石墨烯沟道材料和高K栅介质的双栅MOSFET器件。
文档编号H01L21/336GK102683217SQ201210165018
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者伍青青, 余涛, 柴展, 罗杰馨, 陈静 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所