一种基于Ni催化制备石墨烯电极MoS2场效应晶体管的方法与流程

本发明涉及微纳电子制造中的一种大规模制备高性能mos2场效应晶体管的方法。

背景技术：

近十几年，数字逻辑电路发展关键的在于制造出更小的金属-氧化物-半导体晶体管。而当传统晶体管的栅长小于10nm时，传统硅工艺制造出的晶体管稳定性变差(短沟道量子效应)，10nm将成为硅基晶体管的极限。自2004年geim等人发现石墨烯以来，性能优异的二维材料一直吸引着各国科研工作者的注意。单层mos2拥有1.8ev带隙且开关比接近10⁸，使其具备作为高性能场效应晶体管沟道材料的潜质。由于mos2的电子亲和能与金属功函数不匹配以及原子级厚度的mos2表面没有悬挂键等问题，使得直接沉积常用金属电极时会出现较大接触电阻从而影响性能。为了更好的提升mos2场效应晶体管电学性能，需要使用一定的方法来改善mos2与电极之间的接触电阻。

目前改善接触电阻的方法主要有选用低功函数金属作电极、化学掺杂法和石墨烯电极法等。然而这几种方法都存在一定程度的不足。选用低功函数金属作电极，可以一定程度上减少金属电极与mos2之间的肖特基势垒从而减小接触电阻。然而由于单层mos2表面不具有悬挂键，使得金属电极与原子级厚度的沟道材料之间很难形成共价键从而退化电学性能。此外功函数不完全匹配使得肖特基势垒也无法完全消除。化学掺杂是传统体材料晶体管减少接触电阻的有效办法，然而在原子级mos2上应用需要严格控制条件以防止破坏沟道材料性能。由于石墨烯线性色散和有限态密度具有独特的关系，石墨烯的功函数和费米能级可以通过栅压进行调节并和mos2实现很好的匹配。石墨烯电极也成为公认的改善接触电阻的优良方法。然而由于石墨烯与mos2之间界面的洁净度会直接影响器件的性能，传统光刻技术由于光刻胶残留问题，很难适用于制备高性能的mos2场效应晶体管。目前使用的干法转移可以获得高性能的石墨烯电极mos2场效应晶体管，然而只适用于理论研究不适用于大规模制备。

技术实现要素：

针对目前制备高性能的mos2场效应晶体管的制备工艺复杂，不适用大规模制造等问题。本发明提出一种图形化ni纳米层直接催化生长石墨烯电极的方法。

通过利用热式扫描探针直写技术，在sio2/si衬底上直接沉积图形化ni纳米层。并以此作为催化剂直接cvd生长石墨烯电极。在石墨烯电极上直接cvd生长的mos2并对其进行图形化。本发明解决了传统光刻技术对石墨烯图形化时光刻胶残留问题，同时提出了一种简单高效的石墨烯电极制备mos2场效应晶体管工艺。

技术方案如下：

一种基于ni催化制备石墨烯电极mos2场效应晶体管的方法，步骤如下：

步骤1、制备图形化的ni催化纳米层：在sio2/si衬底上分别沉积聚甲基环己亚酸胺(pmgi)和盐酸苯丙醇胺(ppa)，利用热式扫描探针纳米加工技术根据所需形状与尺寸直写出大规模图形化的ni金属纳米层，采用蒸镀技术形成图形化的ni催化纳米层；

步骤2、制备图形化的石墨烯电极：将制备好ni催化纳米层的sio2/si衬底放入醋酸中浸泡去除ni催化层表面氧化物；再进行cvd法生长石墨烯，得到图形化的石墨烯电极；

步骤3、生长单层mos2：将moo3粉末和s粉末分别放置于管式炉中不同的石英盅内，控制moo3与s粉末的距离，将sio2/si衬底置于盛有moo3粉末的石英盅上方；将管式炉加热对加入管式炉内的材料进行处理，得到单层mos2，得到的产品记为mos2/石墨烯/ni纳米层；

步骤4、刻蚀mos2沟道：在制备好的mos2/石墨烯/ni纳米层样品上，刻蚀出所需的mos2沟道。

步骤1中，聚甲基环己亚酸胺的厚度为0.5～1μm，盐酸苯丙醇胺的厚度为20nm；ni催化纳米层尺寸为5×10μm，厚度为500～800nm。

步骤2中，所述ni表层氧化物处理条件为：醋酸浸泡5～10min，通入体积百分比为5％h2/ar混合气，温度1200～1500℃，时间为2小时，压强10^-6torr。

步骤2中，所述cvd法生长石墨烯的条件为：调节温度至1000～1200℃，通入ch4、ar、h2混合气持续30～60min；停止通入ch4，进行冷却。

步骤3中，mos2的生长条件为：moo3粉末0.03g，s粉末0.01g，moo3与s粉距离为18～20cm，通入ar气，ar气流量为10～20sccm，反应温度为650℃，持续30～60min。

步骤4中，分别沉积ppa、sio2、ppa，所沉积的ppa的厚度为20nm，sio2的厚度为3nm，ppa的厚度为9nm；利用热式扫描探针直写出所需mos2沟道的尺寸和形状；采用o2/n2反应离子刻蚀法对ppa进行减薄，随后通入chf3反应离子刻蚀sio2层，最后利用o2反应离子刻蚀ppa层和mos2，得到所需的mos2沟道。

有益效果：

通过利用热式扫描探针直写技术，在sio2/si衬底上直接沉积图形化ni纳米层。并以此作为催化剂直接cvd生长石墨烯电极。在石墨烯电极上直接cvd生长的mos2并对其进行图形化。本发明解决了传统光刻技术对石墨烯图形化时光刻胶残留问题，同时提出了一种简单高效的石墨烯电极制备mos2场效应晶体管工艺。

附图说明

图1sio2/si衬底上ni纳米层图形化示意图

图2ni纳米层催化生长石墨烯示意图

图3图形化cvd生长mos2示意图

图中：1—ni纳米层；2—sio2/si衬底；3—单层石墨烯；4—少层mos2

具体实施方式

下面通过具体实施进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅仅限于所述的实施例。

实施例1：

具体实施步骤如下：

1、在sio2/si衬底上分别沉积0.5～1μm聚甲基环己亚酸胺(pmgi)和20nm盐酸苯丙醇胺(ppa)，利用热式扫描探针纳米加工技术直写出5×10μm宽度的图形，蒸镀500～800nm厚度的ni金属，形成图形化的ni催化纳米层。如图1所示。

2、将制备好ni纳米层的sio2/si衬底放入醋酸浸泡5～10min中去除ni催化层表面氧化物。将衬底置于石英管式炉中抽真空至10^-6torr,通入h2/ar(体积百分比为5％)气氛中1200～1500℃退火2小时去除ni纳米层表面杂质。调节温度至1000～1200℃通入ch4、ar、h2混合气持续30～60min。停止通入ch4，进行冷却得到图2所示图形化石墨烯电极。

3、将0.03gmoo3粉末和0.01gs粉末分别放置于管式炉中不同的石英盅内。moo3与s粉末距离保持在18～20cm。将sio2/si衬底置于moo3粉末石英盅上方。将管式炉加热至650℃并向管式炉内通入ar气(10～20sccm)，温度650℃，持续30～60min后得到单层mos2。

4、在制备好的mos2/石墨烯/ni纳米层样品上，分别沉积ppa、sio2、ppa(20nm/3nm/9nm)，并利用热式扫描探针直写出所需mos2沟道的尺寸和形状。采用o2/n2反应离子刻蚀法对9nmppa进行减薄，随后通入chf3反应离子刻蚀sio2层，最后利用o2反应离子刻蚀20nmppa层和mos2，得到所需的mos2沟道。如图3所示。