专利名称：一种旁栅石墨烯场效应晶体管的制备方法
技术领域：
本发明属于集成电路制造领域，涉及半导体器件的设计与加工，特别是一种基于化学气相沉积石墨烯的旁栅石墨烯场效应晶体管结构的制备方法，可用于提高石墨烯器件的生产效率和电学性能。
背景技术：
石墨烯是一种新兴的二维材料，其导电类型为双极输运，这为制造石墨烯新型器件提供了可能性。利用石墨烯制作高频场效应晶体管的潜力引起了广泛的研究兴趣。除此以外，由于石墨烯具备高迁移率、高载流子饱和速度、高热导率，所以也被认为是新一代高频电子器件的理想材料。·当前石墨烯制作的场效应晶体管的栅极普遍采用了顶栅、背栅或是两者的结合，这样制作的石墨烯场效应晶体管可以应用于射频、探测以及光通信。然而，背栅对石墨烯的调制是全局的调制，不能做到针对沟道载流子的调制，而且单单应用背栅的场效应晶体管所需栅电压太高、跨导较低。至于顶栅场效应晶体管，制作石墨烯场效应晶体管的顶栅需要预先在石墨烯表明淀积栅介质层，但是石墨烯表面淀积的介质层会导致石墨烯的性质恶化，降低石墨烯的载流子迁移率，不仅如此，顶栅结构还需要考虑栅介质层击穿和石墨烯磁滞效应，因此制作顶栅所需的介质层需要额外的工艺优化。另一方面，旁栅结构已经在众多量子器件中得到应用，例如单电子器件和量子点器件。旁栅结构既可以调制沟道中的载流子密度，也可以引入可变的电势垒来改变载流子的隧穿几率，从而起到调节电流的作用。具体到石墨烯器件，通过旁栅来调制石墨烯沟道载流子输运，省去了在石墨烯表面沉积栅介质，避免了介质层对石墨烯电学性质的不利影响，因此，旁栅场效应晶体管有希望成为代替背栅-顶栅石墨烯场效应晶体管的一个可行方案。目前，利用热解SiC制作的旁栅石墨烯场效应晶体管已经证明旁栅结构确实具备控制石墨烯导电沟道输运性质的能力，但目前旁栅单位面积电容只有O. 12 μ F/cm2-0. 16μ F/cm2，低于石墨烯制作的顶栅场效应晶体管(O. 74 μ F/cm2)，这样小的旁栅单位面积电容不利于进一步提高场效应晶体管跨导。更重要的是，目前要达到旁栅结构的最大跨导，需要在源漏电极上施加5 V-8 V的外加驱动电压，过高的电压电流容易破坏作为导电沟道的石墨烯。而且，虽然目前旁栅结构已经被应用于机械剥落制备的石墨烯和SiC热解法制备的石墨烯，但机械剥落法难以获得大面积的石墨烯材料，而SiC热解法制备的石墨烯需要很高的热解温度和昂贵的SiC圆片。与这两者相比，CVD法制备的石墨烯能够更为经济的达到晶圆级，石墨烯单晶筹面积已经达到厘米级别，因此也更适合大规模器件制造。所以，探索兼容CVD法制备石墨烯的旁栅场效应晶体管制作工艺尤为必要。本发明针对现有石墨烯背栅、顶栅场效应晶体管的不足，结合CVD制备石墨烯的优势，提出一种基于CVD石墨烯的旁栅石墨烯场效应晶体管结构，属于新型半导体器件制造的关键技术，涉及物理、化学、半导体制造和半导体器件研究等诸多领域。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有结构的不足，提供一种基于CVD石墨烯的旁栅石墨稀场效应晶体管结构，以提闻石墨稀场效应晶体管的生广效率和电学性能。实现本发明目的技术关键是使用铜箔上CVD生长的均匀大面积石墨烯，淀积有高k介质的衬底作为转移石墨烯的目标衬底。设计特殊的掩膜版，旁栅与石墨烯晶体管的源漏接触可以在同一步骤中即可完成。其实现步骤包括如下将铜箔放入反应室中，反应室抽真空至气压低于O. 01 Pa。向反应室通入流量为f20sccm的H2，升高反应室内温度至90(Tl30(TC，对铜箔进行热退火，退火时间为20 60min ；
向反应室通入流量为2(T200sccm的H2和流量为2 20sccm的CH4，通过化学气象淀积CVD生长石墨烯l(T20min ；在反应室自然降温到室温后，取出生长样品，在石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，形成铜箔一石墨烯一PMMA的叠层结构样品；对所述铜箔一石墨烯一PMMA的叠层结构样品进行风干，然后使PMMA面朝上漂浮在浓度为50g/L-100g/L的(NH4)3 (S2O4)2水溶液液面上，通过腐蚀去除掉样品中的最下层铜箔，形成石墨烯一PMMA的叠层样品；将石墨烯一PMMA叠层样品从(NH4) 3 (S2O4) 2水溶液中捞起，置于预先淀积有高k介质的绝缘衬底上风干，再在120°C条件下加热30min，得到高k衬底一石墨烯一PMMA的叠层样品；利用光刻机曝光源漏以及旁栅位置的光刻胶，曝光时间10-20s;然后显影，EPD1000，时间l-20min ;将样品在超纯水液面下冲洗2min，使用纯氮气吹干；使这些位置处的下层石墨烯暴露出来；利用氧等离子刻蚀机刻蚀旁栅位置处的石墨烯，刻蚀功率为100-1000W，时间5-70s，没有被氧等离子刻蚀掉的石墨烯作为晶体管的导电沟道。使用E-beam设备向样品上蒸发金属，保持真空度彡2.0X10-6 Torr ;分为两步金属厚度Ni/Au=500-1000/1000-3000A ;第I阶段蒸发速率(每层金属蒸发前100A) :Ni/Au=L0-5.0/1.0-5.0A/S ;第2阶段蒸发速率(每层金属蒸发IOOA后)Ni/Ti=3. 0-50. 0/3. 0-50. θΑ/S。将蒸发金属完成的样品放在丙酮中进行超声，超声功率10-30W，时间4_6min ;然后在无水乙醇中漂洗5min,用去离子水冲洗5min,最后使用纯氮气吹干。用上述方法制作的晶体管，使用了旁栅结构，基于高k衬底，是一种专门应用于石墨烯这种二位材料的新型晶体管。本发明具有如下优点1.由于采用旁栅结构，省去了顶栅介质的淀积，避免了顶栅介质对石墨烯材料性质的不良影响。2.由于采用高k衬底，提高了旁栅对石墨烯导电沟道的调制能力。
图1是本发明的工艺流程图；图2是本发明的旁栅晶体管顶视图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描 述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。参照图1，本发明给出如下实施例实施例1:本发明的实现步骤如下步骤一将铜箔放入反应室中，反应室抽真空至气压低于O. 01 Pa。向反应室通入流量为IOsccm的H2，升高反应室内温度至900°C，对铜箔进行热退火，退火时间为60min ；步骤二 向反应室通入流量为50sccm的H2和流量为IOsccm的CH4，通过化学气象淀积CVD生长石墨烯15min ；步骤三在反应室自然降温到室温后，取出生长样品，在石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，形成铜箔一石墨烯一PMMA的叠层结构样品；步骤四对所述铜箔一石墨烯一PMMA的叠层结构样品进行风干，然后使PMMA面朝上漂浮在浓度为60g/L的(NH4)3(S2O4)2水溶液液面上，通过腐蚀去除掉样品中的最下层铜箔，形成石墨烯一PMMA的叠层样品；步骤五将石墨烯一PMMA叠层样品从(NH4)3(S2O4)2水溶液中捞起，置于预先淀积有高k介质的绝缘衬底上风干，再在120°C条件下加热30min，得到高k衬底一石墨烯一PMMA的置层样品；步骤六利用光刻机曝光源漏以及旁栅位置的光刻胶，曝光时间15s ;然后显影，时间Imin ;将样品在超纯水液面下冲洗2min，使用纯氮气吹干；使这些位置处的下层石墨烯暴露出来；步骤七利用氧等离子刻蚀机刻蚀旁栅位置处的石墨烯，刻蚀功率为100W，时间60s，没有被氧等离子刻蚀掉的石墨烯作为晶体管的导电沟道。步骤八使用E-beam设备向样品上蒸发金属，保持真空度彡2. OX 10-6 Torr ；分为两步金属厚度Ni/Au=500/1000A ;第I阶段蒸发速率(每层金属蒸发前IOOA) =Ni/Au=L 0/1. 0A/S ;第2阶段蒸发速率(每层金属蒸发IOOA后)Ni/Ti=3. 0/3. OA/S。步骤九将蒸发金属完成的样品放在丙酮中进行超声，超声功率15W，时间5min ；然后在无水乙醇中漂洗5min，用去离子水冲洗5min，最后使用纯氮气吹干。实施例2 本发明的实现步骤如下步骤A :将铜箔放入反应室中，反应室抽真空至气压低于O. 01 Pa。向反应室通入流量为15SCCm的H2，升高反应室内温度至950°C，对铜箔进行热退火，退火时间为40min ；步骤B :向反应室通入流量为IOOsccm的H2和流量为15sccm的CH4，通过化学气象淀积CVD生长石墨烯IOmin ；
步骤C :在反应室自然降温到室温后，取出生长样品，在石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，形成铜箔一石墨烯一PMMA的叠层结构样品；步骤D :对所述铜箔一石墨烯一PMMA的叠层结构样品进行风干，然后使PMMA面朝上漂浮在浓度为50g/L的(NH4)3(S2O4)2水溶液液面上，通过腐蚀去除掉样品中的最下层铜箔，形成石墨烯一PMMA的叠层样品；步骤E :将石墨烯一PMMA叠层样品从(NH4)3(S2O4)2水溶液中捞起，置于预先淀积有高k介质的绝缘衬底上风干，再在120°C条件下加热30min，得到高k衬底一石墨烯一PMMA的置层样品；步骤F :利用光刻机曝光源漏以及旁栅位置的光刻胶，曝光时间IOs ;然后显影，时间1. 5min ;将样品在超纯水液面下冲洗2min，使用纯氮气吹干；使这些位置处的下层石墨烯暴露出来；步骤G :利用氧等离子刻蚀机刻蚀旁栅位置处的石墨烯，刻蚀功率为500W，时间 40s，没有被氧等离子刻蚀掉的石墨烯作为晶体管的导电沟道。步骤H :使用E-beam设备向样品上蒸发金属，保持真空度彡2. OX 10-6 Torr ；分为两步金属厚度Ni/Au=800/2000A ;第I阶段蒸发速率(每层金属蒸发前IOOA) =Ni/Au=5. 0/5. OA/S ;第2阶段蒸发速率(每层金属蒸发IOOA后)Ni/Ti=10. 0/10. OA/S。步骤1:将蒸发金属完成的样品放在丙酮中进行超声，超声功率10W，时间6min ;然后在无水乙醇中漂洗5min,用去离子水冲洗5min,最后使用纯氮气吹干。实施例3 本发明的实现步骤如下步骤1:将铜箔放入反应室中，反应室抽真空至气压低于O. 01 Pa。向反应室通入流量为20SCCm的H2，升高反应室内温度至1000°C，对铜箔进行热退火，退火时间为20min ；步骤2 :向反应室通入流量为200sccm的H2和流量为20sccm的CH4,通过化学气象淀积CVD生长石墨烯IOmin ；步骤3 :在反应室自然降温到室温后，取出生长样品，在石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，形成铜箔一石墨烯一PMMA的叠层结构样品；步骤4 :对所述铜箔一石墨烯一PMMA的叠层结构样品进行风干，然后使PMMA面朝上漂浮在浓度为70g/L的(NH4)3(S2O4)2水溶液液面上，通过腐蚀去除掉样品中的最下层铜箔，形成石墨烯一PMMA的叠层样品；步骤5 :将石墨烯一PMMA叠层样品从(NH4)3(S2O4)2水溶液中捞起，置于预先淀积有高k介质的绝缘衬底上风干，再在120°C条件下加热30min，得到高k衬底一石墨烯一PMMA的置层样品；步骤6 :利用光刻机曝光源漏以及旁栅位置的光刻胶，曝光时间15s ;然后显影，时2min ;将样品在超纯水液面下冲洗2min，使用纯氮气吹干；使这些位置处的下层石墨烯暴露出来；步骤7 :利用氧等离子刻蚀机刻蚀旁栅位置处的石墨烯，刻蚀功率为700W，时间20s，没有被氧等离子刻蚀掉的石墨烯作为晶体管的导电沟道。步骤8 :使用E-beam设备向样品上蒸发金属，保持真空度彡2. OX 10-6 Torr ；分为两步金属厚度Ni/Au=100/2000A ;第I阶段蒸发速率(每层金属蒸发前IOOA) =Ni/Au=5. 0/5. OA/S ;第2阶段蒸发速率(每层金属蒸发IOOA后)Ni/Ti=50. 0/50. OA/S。步骤9 :将蒸发金属完成的样品放在丙酮中进行超声，超声功率30W，时间4min ;然后在无水乙醇中漂洗5min,用去离子水冲洗5min,最后使用纯氮气吹干。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。·
权利要求
1.一种基于化学气相沉积石墨烯的旁栅石墨烯场效应晶体管结构的制备方法，其特征在于，该制备方法制作的晶体管，使用了旁栅结构，基于高k衬底，是一种专门应用于石墨烯；该制备方法实现步骤包括如下将铜箔放入反应室中，反应室抽真空；向反应室通入流量为f20SCCm的H2，升高反应室内温度至90(Tl30(TC，对铜箔进行热退火，退火时间为2(T60min ；向反应室通入流量为2(T200sccm的H2和流量为2 20sccm的CH4，通过化学气象淀积 CVD生长石墨烯l(T20min ；在反应室自然降温到室温后，取出生长样品，在石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA，形成铜箔一石墨烯一PMMA的叠层结构样品；对所述铜箔一石墨烯一PMMA的叠层结构样品进行风干，然后使PMMA面朝上漂浮在浓度为50g/L-100g/L的(NH4)3(S2O4)JjC溶液液面上，通过腐蚀去除掉样品中的最下层铜箔， 形成石墨烯一PMMA的叠层样品；将石墨烯一PMMA叠层样品从(NH4) 3 (S2O4) 2水溶液中捞起，置于预先淀积有高k介质的绝缘衬底上风干，再加热得到高k衬底一石墨烯一PMMA的叠层样品；利用光刻机曝光源漏以及旁栅位置的光刻胶，曝光时间10-20s ;然后显影，EPD1000, 时间l-20min ;将样品在超纯水液面下冲洗，使用纯氮气吹干；使这些位置处的下层石墨烯暴露出来；利用氧等离子刻蚀机刻蚀旁栅位置处的石墨烯，刻蚀功率为100-1000W，时间5-70s， 没有被氧等离子刻蚀掉的石墨烯作为晶体管的导电沟道；使用E-beam设备向样品上蒸发金属,保持真空度彡2. OX 10-6 Torr ；将蒸发金属完成的样品放在丙酮中进行超声，超声功率10-30W，时间4-6min ;然后在无水乙醇中漂洗，用去离子水冲洗，最后使用纯氮气吹干。
2.如权利要求1所述的基于化学气相沉积石墨烯的旁栅石墨烯场效应晶体管结构的制备方法，其特征在于，将铜箔放入反应室中，反应室抽真空至气压低于O. 01 Pa。
3.如权利要求1所述的基于化学气相沉积石墨烯的旁栅石墨烯场效应晶体管结构的制备方法，其特征在于，将石墨烯一PMMA叠层样品从(NH4)3(S2O4)2水溶液中捞起，置于预先淀积有高k介质的绝缘衬底上风干，再在120°C条件下加热30min，得到高k衬底一石墨烯一PMMA的叠层样品。
4.如权利要求1所述的基于化学气相沉积石墨烯的旁栅石墨烯场效应晶体管结构的制备方法，其特征在于，将样品在超纯水液面下冲洗2min，使用纯氮气吹干使这些位置处的下层石墨烯暴露出来。；
5.如权利要求1所述的基于化学气相沉积石墨烯的旁栅石墨烯场效应晶体管结构的制备方法，其特征在于，使用E-beam设备向样品上蒸发金属，保持真空度彡2.0X10-6 Torr ;分为两步金属厚度 Ni/Au=500-1000/1000-3000A ；第I阶段，每层金属蒸发前100A，蒸发速率Ni/Au=l. 0-5. 0/1. 0-5. θΑ/S ；第2阶段，每层金属蒸发IOOA后，蒸发速率Ni/Ti=3. 0-50. 0/3. 0-50. OA/S。
6.如权利要求1所述的基于化学气相沉积石墨烯的旁栅石墨烯场效应晶体管结构的制备方法，其特征在于，将蒸发金属完成的样品放在丙酮中进行超声，超声功率10-30W，时间4-6min ;然后在无水乙醇中漂洗5min，用去离子水冲洗5min，最后使用纯氮气吹干。
全文摘要
本发明公开了一种基于化学气相沉积石墨烯的旁栅石墨烯场效应晶体管结构的制备方法，将铜箔放入反应室中，反应室抽真空，对铜箔进行热退火；通过化学气象淀积CVD生长石墨烯；石墨烯转移至高k衬底；利用光刻机曝光源漏以及旁栅位置；利用氧等离子刻蚀机刻蚀旁栅位置处的石墨烯；使用E-beam设备向样品上蒸发金属；将蒸发金属完成的样品放在丙酮中进行超声，然后在无水乙醇中漂洗，用去离子水冲洗，最后使用纯氮气吹干。本发明由于采用旁栅结构，省去了顶栅介质的淀积，避免了顶栅介质对石墨烯材料性质的不良影响。由于采用高k衬底，提高了旁栅对石墨烯导电沟道的调制能力。
文档编号H01L21/336GK103000535SQ20121059395
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者闫景东, 王东, 宁静, 柴正, 韩砀, 张进成, 郝跃 申请人:西安电子科技大学