基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法

专利名称：基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，涉及到一种在石墨烯薄膜半导体材料上制造电子器件的方法，具体地说是基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法。
背景技术：
随着人们对高性能，高可靠性，低能耗设备需求的提高，对集成电路上器件特性变得愈发关注。石墨烯，这种由二维六角形碳晶格组成的材料，由于其突出的电学结构特性，自2004年被英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈.杰姆和克斯特亚.诺沃消洛夫发现得到后，即被当做制造高性能器件的备选材料。制备石墨烯的新方法层出不穷，但使用最多的主要有以下两种:一是化学气相沉积法，它是一种可控制备石墨烯的有效方法，其将平面基底，如金属薄膜、金属单晶等置于高温可分解的前驱体，如甲烷、乙烯等气氛中，通过高温退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯，最后用化学腐蚀法去除金属基底后即可得到独立的石墨烯片。通过选择基底的类型、生长的温度、前驱体的流量等参数可调控石墨烯的生长，如生长速率、厚度、面积等，此方法最大的缺点在于获得的石墨烯片层与衬底相互作用强，丧失了许多单层石墨烯的性质，而且石墨烯的连续性不是很好。二是热分解SiC法，这种方法是将单晶SiC加热以通过使表面上的SiC分解而除去Si，随后用残留的碳形成石墨烯。然而，SiC热分解中使用的单晶SiC非常昂贵，并且生长出来的石墨烯呈岛状分布，孔隙多，层数不均匀，而且做器件时由于光刻工艺会使石墨烯的电子迁移率降低，从而影响了器件性能。现有的石墨烯的制备方法，如申请号为200810113596.0的“化学气相沉积法制备石墨烯的方法”专利，其技术方案是:首先制备催化剂，再进行高温化学气相沉积，将带有催化剂的衬底放入无氧反应器中，使衬底达到500-1200°C，再通入含碳气源进行化学沉积而得到石墨烯，然后对石墨烯进行提纯，即使用酸处理或在低压、高温下蒸发，以除去催化剂。该方法的主要缺点是:工艺复杂，需要专门去除催化剂，能源消耗大，生产成本高。2005年Geim研究组与Kim研究组发现，室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率，其迁移率约为10am/V.s，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性，在300K下可达0.3m，这是石墨烯作为纳米电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，与目前电子器件中使用的硅及金属材料不同，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。最近，Geim研究组利用电子束光刻与干刻蚀的方法将同一片石墨烯加工成量子点，引线和栅极，获得了室温下可以操作的石墨烯基单电子场效应管，解决了目前单电子场效应由于纳米尺度材料的不稳定性所带来的操作温度受限问题。荷兰科学家则报道了第一个石墨烯基超导场效应管，发现在电荷密度为零的情况下石墨烯还是可以传输一定的电流，可能为低能耗，开关时间快的纳米尺度超导电子器件带来突破。IBM研究中心宣称研究出世界上速度最快的石墨烯场效应晶体管，工作频率达到26GHz，这是目前为止测量到的石墨烯晶体管的最快工作频率，栅长为150nm。因为峰值频率随着栅长的减小而增加，他们相信通过进一步减小栅长到50nm以内，石墨烯晶体管的工作频率有望突破THz。石墨烯的组成和由碳原子构成的丝网状的“蜂窝”晶格的碳纳米管类似。但碳纳米管将蜂窝晶格弯曲成纳米管形状难以仿制，石墨烯晶体管是将碳原子沉积成薄膜，并由传统的微影工具绘制出来。IBM已经证明了通过一种层状的石墨烯技术可以有效地解决用窄状石墨烯作晶体管通道所带来的噪音问题。在最近的演示中，IBM声称毫米波通信电路所要求的THz频率能通过石墨烯薄膜达到。IBM表示栅极在顶部的石墨烯晶体管由绝缘硅晶圆所制成，在不同的栅极电压和长度下均有很高的工作频率。研究结果表明随着频率的增高，石墨烯晶体管电流增益的下降遵循传统晶体管的响应曲线。而最高截止频率和栅极长度的平方成反比，在栅长为150nm的时候达到26GHz。下一个研究目标是改善栅极介电材料，以实现工作在THz频率范围的射频电路。目前，石墨烯场效应管的制造工艺需要考虑的问题和难点主要集中在几个方面:第一，材料上考虑，使用目前制备石墨烯的方法，很难在一个介质衬底上静态的淀积出大面积成片石墨烯来制造器件；第二，器件制造方面考虑，由于石墨烯是一种零带隙材料，所以为了利用类似其他半导体材料有禁带已达到控制电流传输的特性，设计一种合适的栅结构来控制沟道将十分重要；第三，介质衬底方面考虑，衬底散射会严重影响载流子的迁移率，并且对加有电场的材料，高K介质的衬底有利于防止器件击穿的发生。上述石墨烯制备方法，生成的石墨烯呈点状，难以获得类似其他制造器件的大面积半导体材料。传统的TG顶栅工艺，需要在衬底上淀积介质，导致石墨烯沟道迁移率的退化；SG侧栅工艺，即在已经有结构化石墨烯沟道的衬底上，在石墨烯沟道旁边垂直沟道方向上结构化出栅极，对这个栅加电压以达到对石墨烯沟道电流传输的控制。另外，器件制造过程中，对材料的刻蚀将使得迁移率大大退化，衬底散射效应的影响同样会使得迁移率退化，影响器件性能。

发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，以避免器件在高电压下击穿并且减少衬底散射效应，选择性地生长石墨烯形成侧栅结构可控制沟道电流，保证石墨烯的电子迁移率稳定，提高器件性能。为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤:( I)对4-12英寸的Si衬底基片进行标准清洗；(2)生长碳化层:(2a)将清洗后的Si衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10_7mbar 级别；(2b)向反应室通入H2后，使反应室逐步升温至碳化温度1000°C -1150°C，通入流量为40sccm的C3H8,对衬底进行碳化4_8min,生长一层碳化层；
(3)对反应室升温至适宜3C-SiC生长的1150°C _1350°C，通入C3H8和SiH4气体，进行3C-SiC薄膜异质外延生长，生长时间为36-60min，然后在H2保护下逐步降温至室温，完成SiC薄膜的生长；(4)在生长好的3C_SiC薄膜表面利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，淀积一层0.5-1 μ m厚的SiO2掩膜层；(5)在SiO2层上光刻出侧栅晶体管图形窗口:(5a)按照侧栅石墨烯晶体管的侧栅极，源极，漏极，导电沟道位置制作成光刻版；(5b)在掩膜表面以旋涂一层浓度为3%的丙烯酸树脂PMMA溶液，并在180°C下烘烤60秒，使其与掩膜紧密结合在一起；(5c)用电子束对PMMA层进行曝光，将光刻版上的图形转移到SiO2掩膜上；(5d)使用缓冲氢氟酸对SiO2掩膜层进行腐蚀，露出3C_SiC，形成侧栅晶体管的侧栅极、源极、漏极和导电沟道图形的窗口 ；(6)将开窗后的样片置于石英管中，加热至700-1100°C ；(7)向石英管中通入Ar气和Cl2气的混合气体，持续4_7min，使Cl2与裸露的3C-SiC发生反应，生成具有侧栅晶体管的侧栅极，源极，漏极和导电沟道图形的碳膜；(8)将生成的碳膜样片置于缓冲氢氟酸溶液中以去除窗口之外多余的SiO2 ；(9)将去除SiO2后的碳膜样片置于Cu膜上，再将它们一同置于Ar气中，在温度为900-1100°C下退火10-30分钟，使碳膜在侧栅晶体管的侧栅极，源极，漏极和导电沟道位置重构成连续石墨烯，再将Cu膜从生成石墨烯的样片上去除；(10)在生成石墨烯的样片上用电子束蒸发的方法淀积金属Pd/Au层；(11)光刻金属接触层:(Ila)按照侧栅晶体管的侧栅极、源极、漏极金属电极位置制作光刻版；(IIb)将浓度为7%的的丙烯酸树脂PMMA溶液旋涂于金属层上，并用180°C烘烤60秒，使其与金属层紧密接触；(11(:)用电子束曝光丙烯酸树脂PMMA，使光刻版上的图形转移到金属层上，再用氧气作为刻蚀气体对金属层进行RIE刻蚀，得到刻蚀后的样片；(12)使用丙酮溶液浸泡刻蚀后的样片10分钟，以去除残留的丙烯酸树脂PMMA，并烘干，获得侧栅石墨烯晶体管。本发明与现有技术相比具有如下优点:1.本发明提到的侧栅结构石墨烯晶体管由于没有顶栅介质，不会引入过多的散射源，同时由于没有光刻工艺过程，保证了石墨烯膜也不会而受到破坏，进而保证了石墨烯的迁移率，避免了由栅介质引起的介质击穿现象以及由于顶栅下电介质引起的磁滞现象。2.本发明通过合理配置侧栅与沟道间的距离CU，以及侧栅结构带来的相对大的单位面积电容C’e，可减小沟道电阻，提高沟道电导，同时由于石墨烯是一种零带隙材料，所以大部分金属与其接触都会形成欧姆接触，可方便进行金属化电极。3.本发明由于利用在Cu膜上退火，因而生成的碳膜更容易重构形成连续性较好的石墨烯。4.本发明中3C_SiC与Cl2生成碳膜的反应，可以在较低的温度和常压下进行，且反应速率快。由于3C-SiC可异质外延生长在Si圆片上，因而生长石墨烯时成本低。
5.本发明采用选择性在衬底上结构化生长出石墨烯，不需要大面积生长石墨烯材料，故材料利用率高。6.本发明与现有技术相比，其工艺简单，节约能源，安全性高。


图1是本发明制备石墨烯的装置示意图；图2是本发明制作连接型侧栅石墨烯晶体管的流程图；图3是本发明制作连接型侧栅石墨烯晶体管的版图示意图；图4是本发明制作非连接型侧栅石墨烯晶体管的流程图；图5是本发明制作非连接型侧栅石墨烯晶体管的版图示意图。
具体实施例方式本发明制备包括光刻系统，电子束蒸发系统，化学气相淀积系统CVD，等离子体增强化学气相淀积系统PECVD，反应离子刻蚀RIE等成熟的微电子工艺系统和专有设备。其中专有设备如图1所示，该设备主要由石英管I和电阻炉2组成，该石英管I设有进气口 3和出气口 4，电阻炉为2为环状空心结构，石英管I插装在电阻炉2内。本发明给出制作石墨烯晶体管的如下三种实施例。实施例1，制作连接型侧栅石墨烯晶体管。参照图2和图3，本实施例的制作步骤如下:步骤1:去除样品表面污染物，如图2 U)。(1.1)对4英寸的Si衬底基片进行表面清洁处理，使用ΝΗ40Η+Η202试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；(1.2)使用HC1+H202试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。步骤2:生长碳化层。(2.1MfSi衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10_7mbar级别；(2.2)在H2保护的情况下，将反应室温度升至碳化温度1000°C，然后向反应室通入流量为40SCCm的C3H8，持续4min，在Si衬底上生长出一层碳化层。步骤3:在碳化层上生长3C_SiC薄膜，如图2 (b)。(3.1)将反应室温度迅速升至1150°C，通入流量分别为15sccm和35sccm的SiH4和C3H8,持续36min，进行3C_SiC薄膜异质外延生长；(3.2)在H2气保护下逐步降低温度至室温，完成3C_SiC薄膜的生长。步骤4:在生长好的3C_SiC薄膜表面淀积一层SiO2掩膜层，如图2(c)。(4.1)将生长好的3C_SiC薄膜放入PECVD系统内，将系统内部压力调为3.0PaJf频功率调为100W，温度调为150°C ；(4.2)向 PECVD 系统内通入流速分别为 30sccm、60sccm 和 200sccm 的 SiH4、N20 和N2,持续30min，使SiH4和N2O发生反应，从而在3C_SiC样片表面淀积一层0.5 μ m厚的SiO2
掩膜层。步骤5:在SiO2层上刻出侧栅结构窗口，如图2 (d)。(5.1)按照图3所示的侧栅石墨烯晶体管的侧栅极G、源极S、漏极D和导电沟道图形制作成光刻版；(5.2)在SiO2掩膜层旋涂浓度为3%的PMMA溶液，并放入烘箱中在180°C下烘烤60s ；(5.3)对旋涂有PMMA溶液的样片进行曝光处理，其工艺条件为:电子加速电压为IOOkV,曝光强度为 8000 μ C/cm2 ；(5.4)用缓冲氢氟酸对SiO2掩膜层进行腐蚀，将光刻版上图形转移到SiO2掩膜层上，露出3C-SiC，形成侧栅结构图形。步骤6:将形成侧栅结构图形的样片装入石英管，并排气加热。(6.1)将开窗后的样片装入石英管I中，把石英管置于电阻炉2中；(6.2)从进气口 3向石英管中通入流速为80SCCm的Ar气，对石英管进行10分钟的排空，将空气从出气口 4排出；(6.3)打开电阻炉电源开关，对石英管加热至700°C。步骤7:3C_SiC与氯气反应生成碳膜，如图2 (e)。向石英管通入流速分别为95sccm和5sccm的Ar气和Cl2气，持续4min,使Cl2与裸露的3C-SiC反应生成有侧栅石墨烯晶体管侧栅极、源极、漏极和导电沟道图形的碳膜。步骤8:去除剩余的Si02。将生成碳膜的样片从石英管取出并置于氢氟酸与水配比为1:10的缓冲氢氟酸溶液中，以去除窗口之外的Si02。步骤9:重构结构化石墨烯。(9.1)将去除SiO2后的碳膜样片置于厚度为250nm的Cu膜上，如图2 Cf)；(9.2)将碳膜样片和Cu膜整体置于流速为25sCCm的Ar气中，在温度为900°C下退火10分钟，使碳膜在侧栅石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极和导电沟道位置重构成连续的侧栅结构图形石墨烯，如图2 (g)；(9.3)将Cu膜从结构化石墨烯样片上去除，获得结构化石墨烯样片。步骤10:淀积金属层，如图2 (h)。(10.1)在已刻蚀出侧栅晶体管侧栅极，源极，漏极和导电沟道结构图形的石墨烯样片上用电子束蒸发的方法淀积金属Pd，厚度为5nm ；(10.2)利用电子束蒸发的方法淀积金属Au，厚度为lOOnm。步骤11:光刻形成金属接触，如图2 (i)。(11.1)在金属层上旋涂浓度为7%的PMMA溶液，并放入烘箱中，在180°C下烘烤60s,使PMMA溶液固化附着在金属上；(11.2)按照侧栅结构石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极的金属接触图形制成光刻版；(11.3)先使用电子束对旋涂有PMMA的样片进行曝光，再在氧气环境下，以氧气为刻蚀气利用RIE法刻蚀金属接触层，刻蚀出侧栅结构石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极金属接触，其工艺条件为:功率为100W，氧气流量为20sCCm，刻蚀时间为60s。步骤12:使用丙酮溶液浸泡制作好的样品10分钟，取出后烘干，获得连接型侧栅石墨稀晶体管。实施例2，制作非连接型侧栅石墨烯晶体管。
参照图4和图5，本实施例的实现步骤如下:步骤一:对12英寸的Si衬底基片进行表面清洁处理，即先使用ΝΗ40Η+Η202试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；再使用HC1+H202试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物，如图4 (a)。步骤二:生长碳化层。将Si衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10_7mbar级别；再在H2保护的情况下将反应室温度升至1150°C的碳化温度，然后向反应室通入流量为40SCCm的C3H8，持续8min，在Si衬底上生长一层碳化层。步骤三:在碳化层上生长3C_SiC薄膜。将反应室温度迅速升至1350°C的生长温度，再通入流量分别为25sccm和55sccm的SiH4和C3H8,持续60min，进行3C_SiC薄膜异质外延生长；然后在H2保护下逐步降低温度至室温，完成3C-SiC薄膜的生长，如图4 (b)。步骤四:将生长好的3C_SiC薄膜样片放入PECVD系统内，将系统内部压力调为
3.0Pa，射频功率调为100W，温度调为150°C;再向系统内通入流速分别为30sccm、60sccm和200sccm的SiH4、N2O和N2,持续lOOmin，使SiH4和N2O发生反应，从而在3C_SiC薄膜表面淀积一层Iym厚的Si02掩膜层，如图4 (C)。步骤五:在SiO2掩膜层上刻蚀出侧栅结构图形窗口，如图4 (d)。(5a)按照图5所示的侧栅石墨烯晶体管的侧栅极G、源极S、漏极D和导电沟道位置制作成光刻版；(5b)在SiO2掩膜层旋涂浓度为3%的PMMA溶液，并放入烘箱中在180°C下烘烤60s ；(5c)对旋涂有PMMA溶液的样片进行曝光处理，其工艺条件为:电子加速电压为IOOkV,曝光强度为 9000 μ C/cm2 ；(5d)用缓冲氢氟酸溶液对SiO2掩膜层进行腐蚀，将光刻版上图形转移到SiO2掩膜层上，露出3C-SiC，形成侧栅石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极和导电沟道的侧栅结构图形窗口。步骤六:将形成侧栅结构图形窗口的样片装入石英管，并排气加热。(6a)将开窗后的样片置于石英管I中，把石英管置于电阻炉2中；(6b)从进气口 3向石英管中通入流速为80SCCm的Ar气，对石英管进行10分钟排空，将空气从出气口 4排出；(6c)打开电阻炉电源开关，对石英管加热至1100°C。步骤七:3C_SiC与氯气反应生成碳膜向石英管通入流速为98sccm的Ar气和流速为2sccm的Cl2气,持续7min,使Cl2与裸露的3C-SiC反应生成碳膜，如图4 (e)。步骤八:去除剩余的SiO2。将生成碳膜的样片从石英管取出并置于氢氟酸与水配比为1:10的缓冲氢氟酸溶液中，以去除窗口之外的Si02。步骤九:重构成结构化石墨烯。将去除SiO2后的碳膜样片置于厚度为300nm的Cu膜上，如图4 Cf);再将碳膜样片和Cu膜整体置于流速为lOOsccm的Ar气中，在温度为1100°C下退火30分钟，使碳膜在侧栅石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极和导电沟道位置重构成连续的侧栅结构图形石墨烯；最后将Cu膜从结构化石墨烯样片上取开，获得结构化石墨烯样片，如图4 (g)。步骤十:淀积金属层，如图4 (h)。在已刻蚀出侧栅晶体管侧栅极，源极，漏极和导电沟道结构图形的石墨烯样片上用电子束蒸发的方法淀积厚度为5nm的金属Pd ;再利用电子束蒸发的方法淀积厚度为IOOnm的金属Au。步骤^^一:光刻形成金属接触，如图4 (i)。首先，在金属层上旋涂浓度为7%的PMMA溶液，并放入烘箱中，在180°C下烘烤60s ；其次，按照侧栅结构石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极的金属接触图形制成光刻版；然后,使用电子束对PMMA曝光。再在氧气环境下，以氧气为刻蚀气利用RIE法刻蚀金属接触层，刻蚀出侧栅结构石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极金属接触，其工艺条件为:功率为100W，氧气流量为20sccm，刻蚀时间为60s。步骤十二:使用丙酮溶液浸泡制作好的样品10分钟，取出后烘干，获得非连接型侧栅石墨烯晶体管。实施例3，制作 连接型侧栅石墨烯晶体管。参照图2和图3，本实施例的实现步骤如下:步骤A:去除样品表面污染物，如图2 U)。(Al)对8英寸的Si衬底基片进行表面清洁处理，即先使用ΝΗ40Η+Η202试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；(A2)使用HC1+H202试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。步骤B:生长碳化层。(BI)将Si衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10_7mbar级别；(B2)在H2保护的情况下将反应室温度升至1050°C的碳化温度，然后向反应室通入流量为40SCCm的C3H8，持续6min，在Si衬底上生长一层碳化层。步骤C:在碳化层上生长3C_SiC薄膜，如图2 (b)。(Cl)将反应室温度迅速升至1250°C的生长温度，再通入流量分别为20sccm和45sccm的SiH4和C3H8,持续48min，进行3C_SiC薄膜异质外延生长；(C2)在H2保护下逐步降低温度至室温，完成3C_SiC薄膜的生长。步骤D:在生长好的3C_SiC薄膜表面淀积一层SiO2，如图2 (C)。(Dl)将生长好的3C_SiC薄膜样片放入PECVD系统内，将系统内部压力调为3.0Pa,射频功率调为100W，温度调为150°C ；(D2)向 PECVD 系统内通入流速分别为 30sccm、60sccm 和 200sccm 的 SiH4、N2O 和N2,持续65min，使SiH4和N2O发生反应，从而在3C_SiC薄膜表面淀积一层0.8 μ m厚的SiO2
掩膜层。步骤E:在SiO2掩膜层上刻蚀出侧栅结构图形窗口，如图2 (d)。(El)按照图3所示的侧栅石墨烯晶体管的侧栅极G、源极S、漏极D和导电沟道位置制作成光刻版；(E2)在SiO2掩膜层旋涂浓度为3%的PMMA溶液，并放入烘箱中在180°C下烘烤60s ；(E3)对旋涂有PMMA溶液的样片进行曝光处理，其工艺条件为:电子加速电压为IOOkV,曝光强度为 8500 μ C/cm2 ；(E4)用缓冲氢氟酸溶液对SiO2掩膜层进行腐蚀，将光刻版上图形转移到SiO2掩膜层上，露出3C-SiC，形成侧栅石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极和导电沟道的侧栅结构图形窗口。步骤F:将形成侧栅结构图形窗口的样片装入石英管，并排气加热。(Fl)将开窗后的样片置于石英管I中，把石英管置于电阻炉2中；(F2)从进气口 3向石英管中通入流速为80SCCm的Ar气，对石英管进行10分钟排空，将空气从出气口 4排出；(F3)打开电阻炉电源开关，对石英管加热至1100°C。步骤G:3C_SiC与氯气反应生成碳膜，如图2 (e)。向石英管通入流速分别为97sccm和3sccm的Ar气和Cl2气,持续5min,使Cl2与裸露的3C-SiC反应生成碳膜。步骤H:去除剩余的SiO2。将生成碳膜的样片从石英管取出并置于氢氟酸与水配比为1:10的缓冲氢氟酸溶液中，以去除窗口之外的Si02。步骤1:重构成结构化石墨烯。将去除SiO2后的碳膜样片置于厚度为280nm的Cu膜上，如图2 (f)，再将该整体置于流速为65sccm的Ar气中，在温度为1000°C下退火20分钟,使碳膜在侧栅石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极和导电沟道位置重构成连续的侧栅结构图形石墨烯；然后将Cu膜从结构化石墨烯样片上取开，获得结构化石墨烯样片，如图2 (g)。步骤J:淀积金属层，如图2 (h)。在已刻蚀出侧栅晶体管侧栅极，源极，漏极和导电沟道结构图形的石墨烯样片上先用电子束蒸发的方法淀积厚度为5nm金属Pd，再利用电子束蒸发的方法淀积厚度为IOOnm的金属Au。步骤K:光刻形成金属接触，如图2 (i)。(Kl)在金属层上旋涂浓度为7%的PMMA溶液，并放入烘箱中，在180°C下烘烤60s ；(K2)按照侧栅结构石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极的金属接触图形制成光刻版；(K3)使用电子束对PMMA进行曝光，再在氧气环境下，以氧气为刻蚀气利用RIE法刻蚀金属层，刻蚀出侧栅结构石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极金属接触，其刻蚀的工艺条件为:功率为100W，氧气流量为20SCCm，刻蚀时间为60s。步骤L:使用丙酮溶液浸泡制作好的样品10分钟，取出后烘干，获得连接型侧栅石墨烯晶体管。以上描述仅是本发明的几个具体实施例，并不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理，结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
权利要求
1.一种基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯制备方法，包括以下步骤: (1)对4-12英寸的Si衬底基片进行标准清洗； (2)生长碳化层: (2a)将清洗后的Si衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10_7mbar级别； (2b)向反应室通入H2后，使反应室逐步升温至碳化温度1000°C _1150°C，通入流量为40sccm的C3H8,对衬底进行碳化4_8min,生长一层碳化层； (3)对反应室升温至适宜3C-SiC生长的1150°C-1350°C，通入C3H8和SiH4气体，进行3C-SiC薄膜异质外延生长，生长时间为36-60min，然后在H2保护下逐步降温至室温，完成SiC薄膜的生长； (4)在生长好的3C-SiC薄膜表面利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，淀积一层0.5-1 μ m厚的SiO2掩膜层； (5)在SiO2层上光刻出侧栅晶体管图形窗口: (5a)按照侧栅石墨烯晶体管的侧栅极，源极，漏极，导电沟道位置制作成光刻版； (5b)在掩膜表面以旋涂一层浓度为3%的丙烯酸树脂PMMA溶液，并在180°C下烘烤60秒，使其与掩膜紧密结合在一起； (5c)用电子束对PMMA层进行曝光，将光刻版上的图形转移到SiO2掩膜上； (5d)使用缓冲 氢氟酸对SiO2掩膜层进行腐蚀，露出3C-SiC，形成侧栅晶体管的侧栅极、源极、漏极和导电沟道图形的窗口 ； (6)将开窗后的样片置于石英管中，加热至700-1100°C； (7)向石英管中通入Ar气和Cl2气的混合气体，持续4-7min，使Cl2与裸露的3C_SiC发生反应，生成具有侧栅晶体管的侧栅极，源极，漏极和导电沟道图形的碳膜； (8)将生成的碳膜样片置于缓冲氢氟酸溶液中以去除窗口之外多余的SiO2； (9)将去除SiO2后的碳膜样片置于Cu膜上，再将它们一同置于Ar气中，在温度为900-1100°C下退火10-30分钟，使碳膜在侧栅晶体管的侧栅极，源极，漏极和导电沟道位置重构成连续石墨烯，再将Cu膜从生成石墨烯的样片上去除； (10)在生成石墨烯的样片上用电子束蒸发的方法淀积金属Pd/Au层； (11)光刻金属接触层: (Ila)按照侧栅晶体管的侧栅极、源极、漏极金属电极位置制作光刻版； (IIb)将浓度为7%的的丙烯酸树脂PMMA溶液旋涂于金属层上，并用180°C烘烤60秒，使其与金属层紧密接触； (IIc)用电子束曝光丙烯酸树脂PMMA，使光刻版上的图形转移到金属层上，再用氧气作为刻蚀气体对金属层进行RIE刻蚀，得到刻蚀后的样片； (12)使用丙酮溶液浸泡刻蚀后的样片10分钟，以去除残留的丙烯酸树脂PMMA，并烘干，获得侧棚石墨稀晶体管。
2.根据权利要求1所述的基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，其特征在于所述步骤(3)中生长碳化层的工艺条件为:反应室温度为1000°C -1150°C，反应气体C3H8流量为40sccm，反应时间5-lOmin。
3.根据权利要求1所述的基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，其特征在于所述步骤(4)中通入的SiH4和C3H8，其流量分别为15-25sccm和35_55sccm。
4.根据权利要求1所述的基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，其特征在于所述步骤(5)中利用PECVD淀积SiO2，其工艺条件为: SiH4、N2O 和 N2 的流速分别为 30sccm、60sccm 和 200sccm, 反应腔内压力为3.0Pa, 射频功率为100W， 淀积温度为150°C， 淀积时间为30-100min。
5.根据权利要求1所述的基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，其特征在于步骤6c)所述的用电子束对PMMA层进行曝光，其工艺条件是:电子加速电压IOOkV,曝光强度为 8000-9000 μ C/cm2。
6.根据权利要求1所述的基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，其特征在于所述步骤(8)通入的Ar气和Cl2气，流速分别为95-98sccm和5_2sccm，Ar气和Cl2气的总流速为lOOsccm。
7.根据权利要求1所述的基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，其特征在于所述步骤(10)退火时通入Ar气，其流速为25-100sccm ;使用Cu膜覆盖，其厚度为250_300nm。
8.根据权利要求1所述的基 于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，其特征在于所述步骤(11)中的电子束蒸发淀积金属接触Pd/Au层，其金属Pd层厚度为5nm，金属Au层厚度为lOOnm。
9.根据权利要求1所述的基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制造方法，其特征在于所述步骤(12)中利用RIE法刻蚀金属接触层，其工艺条件是:功率为100W，氧气流量为20sccm，刻蚀时间为60s。
全文摘要
本发明公开了一种基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，主要解决现有技术制备的石墨烯连续性差及石墨烯器件载流子迁移率低等问题。其实现步骤是在清洗后Si样片上生长碳化层进而形成3C-SiC薄膜；在3C-SiC薄膜上淀积SiO2，并在SiO2上光刻出侧栅晶体管图形窗口；将光刻后的3C-SiC与Cl2反应，生成碳膜；将碳膜样片置于氢氟酸溶液中去除SiO2；将去除SiO2后的碳膜样片置于Cu膜上，再将该整体置于Ar气中，高温下退火，使碳膜重构为石墨烯；在石墨烯样片上淀积金属Pd层和Au层，再刻蚀出侧栅晶体管的金属接触。本发明制作的石墨烯连续性好，其工艺过程保证了晶体管的迁移率，提升了器件性能。
文档编号H01L29/786GK103151246SQ20131003982
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者郭辉, 韦超, 张玉明, 张克基, 雷天民, 胡彦飞 申请人:西安电子科技大学