石墨烯場效應(yīng)管的制備方法及形成的石墨烯場效應(yīng)管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種石墨烯場效應(yīng)管的制備方法及形成的石墨烯場效應(yīng)管，所述方法包括：在襯底上制備或轉(zhuǎn)移石墨烯材料；在所述石墨烯材料上制備源電極及漏電極；采用光學(xué)光刻的方式使溝道區(qū)的石墨烯材料形成多個(gè)石墨烯條帶；在所述多個(gè)石墨烯條帶上沉積高介電常數(shù)介質(zhì)；以所述高介電常數(shù)介質(zhì)為掩膜對所述多個(gè)石墨烯條帶進(jìn)行刻蝕，形成石墨烯納米帶；在所述石墨烯納米帶上制備柵電極，形成場效應(yīng)管。本發(fā)明能夠獲得高開關(guān)比的場效應(yīng)管，同時(shí)工藝成本低。
【專利說明】
石墨烯場效應(yīng)管的制備方法及形成的石墨烯場效應(yīng)管
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯場效應(yīng)管的制備方法及形成的石墨稀場效應(yīng)管。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，集成電路的設(shè)計(jì)多是基于硅半導(dǎo)體的器件，而隨著科技的發(fā)展，對集成電路的性能如速度等提出了更高的要求，需要開發(fā)新的具有更高載流子迀移率的材料體系和新的技術(shù)手段來進(jìn)一步延展摩爾定律以及超越硅材料體系，推進(jìn)集成電路技術(shù)的發(fā)展。
[0003]以碳材料為基的納米電子學(xué)，尤其是石墨稀(Graphene)材料，由于其較高的載流子迀移率和飽和速度，及其二維平面結(jié)構(gòu)可與傳統(tǒng)的Si工藝集成，被認(rèn)為具有極大的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是可替代硅的下一代集成電路新材料。自從2004年石墨烯被成功研制以來，石墨烯器件的研究取得了巨大進(jìn)展。
[0004]在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在如下技術(shù)問題:對于普通的石墨烯晶體管，由于具有較小的開關(guān)比，很難用于邏輯器件的制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種石墨烯場效應(yīng)管的制備方法及形成的石墨烯場效應(yīng)管，采用光學(xué)光刻的方式制得石墨烯納米帶場效應(yīng)管，獲得的場效應(yīng)管具有高開關(guān)比，同時(shí)工藝成本低。
[0006]第一方面，本發(fā)明提供一種石墨烯場效應(yīng)管的制備方法，所述方法包括:
[0007]在襯底上制備或轉(zhuǎn)移石墨烯材料；
[0008]在所述石墨稀材料上制備源電極及漏電極；
[0009]采用光學(xué)光刻的方式使溝道區(qū)的石墨烯材料形成多個(gè)石墨烯條帶；
[0010]在所述多個(gè)石墨烯條帶上沉積高介電常數(shù)介質(zhì)；
[0011]以所述高介電常數(shù)介質(zhì)為掩膜對所述多個(gè)石墨烯條帶進(jìn)行刻蝕，形成石墨烯納米帶；
[0012]在所述石墨稀納米帶上制備柵電極，形成場效應(yīng)管。
[0013]可選地，所述襯底上層是絕緣層，所述的絕緣層為Si02、Si3N4、Al203、Hf02、BN、SiC、或玻璃，所述襯底的下層為半導(dǎo)體材料。
[0014]可選地，所述在襯底上制備或轉(zhuǎn)移石墨烯材料包括:
[0015]采用機(jī)械剝離、CVD生長或直接外延在所述襯底上形成1-3層石墨烯層。
[0016]可選地，所述在所述石墨烯材料上制備源電極及漏電極包括:
[0017]在所述石墨烯材料上涂光刻膠，通過曝光顯影形成源電極圖形及漏電極圖形，在所述源電極圖形及漏電極圖形區(qū)域蒸發(fā)金屬形成源電極及漏電極。
[0018]可選地，所述高介電常數(shù)介質(zhì)材料為Si02、Si3N4、Al203、Hf 02、Ti02或Y2O3，或者所述高介電常數(shù)介質(zhì)材料3池、5丨辦4^1203、!1?)2、1102、￥203中的一種或多種組合。
[0019]可選地，所述在所述石墨稀納米帶上制備柵電極包括:
[0020]在所述石墨烯納米帶上沉積柵電極介質(zhì)，沉積柵電極金屬后形成柵電極。
[0021]第二方面，本發(fā)明提供一種石墨烯場效應(yīng)管，所述石墨烯場效應(yīng)管采用上述所述的石墨烯場效應(yīng)管的制備方法制備而成。
[0022]本發(fā)明實(shí)施例提供的石墨烯場效應(yīng)管的制備方法及形成的石墨烯場效應(yīng)管，通過光學(xué)光刻對石墨烯進(jìn)行圖形化，使溝道區(qū)的石墨烯層形成多個(gè)石墨烯條帶;然后用原子層沉積高介電常數(shù)介質(zhì)，因?yàn)樵訉映练e需要額外的懸掛鍵，使得高介電常數(shù)介質(zhì)主要沉積在石墨烯條帶的邊緣處，以此高介電常數(shù)介質(zhì)為掩膜，對石墨烯進(jìn)行刻蝕，得到了石墨烯納米帶溝道;最后在石墨烯納米帶上制備柵金屬。石墨烯納米帶溝道增大了器件的開關(guān)比，光學(xué)光刻的制備方式降低了成本。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例石墨烯場效應(yīng)管的制備方法的流程圖；
[0024]圖2為本發(fā)明一實(shí)施例石墨烯場效應(yīng)管的制備方法中形成石墨烯層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為本發(fā)明一實(shí)施例石墨烯場效應(yīng)管的制備方法中形成源電極及漏電極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖4為本發(fā)明一實(shí)施例石墨烯場效應(yīng)管的制備方法中形成石墨烯條帶的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖5為本發(fā)明一實(shí)施例石墨烯場效應(yīng)管的制備方法中形成石墨烯納米帶的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖6為本發(fā)明一實(shí)施例石墨烯場效應(yīng)管的制備方法中形成柵電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0030]本發(fā)明提供一種石墨烯場效應(yīng)管的制備方法，如圖1所示，所述方法包括:
[0031]SI I在襯底上制備或轉(zhuǎn)移石墨烯材料；
[0032]S12在所述石墨烯材料上制備源電極及漏電極；
[0033]S13采用光學(xué)光刻的方式使溝道區(qū)的石墨烯材料形成多個(gè)石墨烯條帶；
[0034]S14在所述多個(gè)石墨烯條帶上沉積高介電常數(shù)介質(zhì)；
[0035]S15以所述高介電常數(shù)介質(zhì)為掩膜對所述多個(gè)石墨烯條帶進(jìn)行刻蝕，形成石墨烯納米帶；
[0036]S16在所述石墨烯納米帶上制備柵電極，形成場效應(yīng)管。
[0037]本發(fā)明實(shí)施例提供的石墨烯場效應(yīng)管的制備方法，通過光學(xué)光刻對石墨烯進(jìn)行圖形化，使溝道區(qū)的石墨烯片形成多個(gè)石墨烯條帶;然后用原子層沉積高介電常數(shù)介質(zhì)，因?yàn)樵訉映练e需要額外的懸掛鍵，使得高介電常數(shù)介質(zhì)主要沉積在石墨烯條帶的邊緣處，以此高介電常數(shù)介質(zhì)為掩膜，對石墨烯進(jìn)行刻蝕，得到了石墨烯納米帶溝道;最后在石墨烯納米帶上制備柵金屬。石墨烯納米帶溝道增大了器件的開關(guān)比，光學(xué)光刻的制備方式降低了成本。
[0038]可選地，所述襯底上層是絕緣層，所述的絕緣層為Si02、Si3N4、Al203、Hf02、BN、SiC、或玻璃，所述襯底的下層為半導(dǎo)體材料。
[0039]可選地，所述在襯底上制備或轉(zhuǎn)移石墨烯材料包括:
[0040]采用機(jī)械剝離、CVD生長或直接外延在所述襯底上形成1-3層石墨烯層。
[0041 ]可選地，所述在所述石墨烯材料上制備源電極及漏電極包括:
[0042]在所述石墨烯材料上涂光刻膠，通過曝光顯影形成源電極圖形及漏電極圖形，在所述源電極圖形及漏電極圖形區(qū)域蒸發(fā)金屬形成源電極及漏電極。
[0043]可選地，所述高介電常數(shù)介質(zhì)材料為S12、Si3N^Al2O3、Hf O2、Ti02或Y2O3，或者所述高介電常數(shù)介質(zhì)材料3丨02、3刷4、六1203、!1?)2、1102、￥203中的一種或多種組合。
[0044]可選地，所述在所述石墨烯納米帶上制備柵電極包括:
[0045]在所述石墨烯納米帶上沉積柵電極介質(zhì)，沉積柵電極金屬后形成柵電極。
[0046]本發(fā)明實(shí)施例提供的石墨烯場效應(yīng)管的制備方法的一具體實(shí)施例的操作流程如圖2所示，包括:
[0047]步驟1:石墨稀材料的制備。如圖2所不，米用CVD生長的方法制備石墨稀材料層12，并轉(zhuǎn)移到覆蓋有二氧化硅絕緣層11的重?fù)诫s硅襯底10上。
[0048]步驟2:源電極及柵電極的形成。如圖3所示，在形成的石墨烯材料上涂敷光刻膠AZ5214后，經(jīng)過曝光顯影后形成源電極圖形區(qū)及漏電極圖形區(qū)，在所述源電極圖形區(qū)及漏電極圖形區(qū)蒸發(fā)金屬。利用電子束蒸發(fā)及剝離工藝得到源電極金屬及漏電極金屬，從而形成源電極14及漏電極13。該金屬層采用金屬Pd/Au，底層金屬Pd厚度選擇為20nm，頂層金屬Au為80nm。
[0049]步驟3:石墨烯圖形化，如圖4:根據(jù)需要設(shè)計(jì)石墨烯條帶的尺寸，利用光學(xué)光刻及干法刻蝕得到溝道區(qū)的N條石墨烯帶，其他部分的石墨烯全部利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)刻蝕機(jī)刻蝕掉，石墨稀干法刻蝕采用的方法為利用Matrix、RIE刻蝕機(jī)或trymax等半導(dǎo)體設(shè)備，在惰性氣體或者氧氣與惰性氣體結(jié)合的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對石墨烯材料的干法刻蝕。具體地選擇氣體源為Ar:02 = 30sccm: 30sccm，功率選擇20w，刻蝕時(shí)間設(shè)置在5?30s之間。在此實(shí)施例中形成2條石墨烯條帶。
[0050]步驟4:在形成的石墨烯條帶上原子層沉積高介電常數(shù)介質(zhì)，如沉積1nm厚的AI2O3 O
[0051 ]步驟5:無掩膜刻蝕，結(jié)果如圖5，因?yàn)槭У倪吘壧幋嬖谌毕菁皯覓戽I，使得原子層沉積高介電常數(shù)介質(zhì)僅在邊緣處存在，用沉積的高介電常數(shù)介質(zhì)作為掩模對石墨烯條帶進(jìn)行刻蝕，從而使得在石墨烯條帶中，覆蓋有高介電常數(shù)介質(zhì)的部分保留下來，形成石墨烯納米帶，其尺度在幾十納米，沒有覆蓋高介電常數(shù)介質(zhì)的部分被刻蝕掉。因在此實(shí)施例中為2條石墨烯條帶，每條石墨烯條帶具有上下兩個(gè)邊緣，從而形成4條石墨烯納米帶。
[0052]步驟6:柵電極金屬制備，如圖6所示，在形成的石墨烯納米帶上通過原子層沉積得到柵電極介質(zhì)層15，在柵電極介質(zhì)層15上利用電子束蒸發(fā)及剝離工藝形成柵電極16的金屬層。該金屬層采用金屬Pd/Au，底層金屬Pd厚度選擇為20nm，頂層金屬Au為I OOnm0
[0053]本發(fā)明實(shí)施例還提供一種石墨烯場效應(yīng)管，所述石墨烯場效應(yīng)管采用上述所述的墨烯場效應(yīng)管的制備方法制備而成。
[0054]本發(fā)明實(shí)施例提供的石墨烯場效應(yīng)管，通過光學(xué)光刻對石墨烯進(jìn)行圖形化，使溝道區(qū)的石墨烯片形成多個(gè)石墨烯條帶;然后用原子層沉積高介電常數(shù)介質(zhì)，因?yàn)樵訉映练e需要額外的懸掛鍵，使得高介電常數(shù)介質(zhì)主要沉積在石墨烯條帶的邊緣處，以此高介電常數(shù)介質(zhì)為掩膜，對石墨烯進(jìn)行刻蝕，得到了石墨烯納米帶溝道;最后在石墨烯納米帶上制備柵金屬。石墨烯納米帶溝道增大了器件的開關(guān)比，光學(xué)光刻的制備方式降低了成本。
[0055]本發(fā)明實(shí)施例提供的石墨烯場效應(yīng)管制備方法及形成的石墨烯場效應(yīng)管具有以下優(yōu)勢:
[0056]通過采用光學(xué)光刻及干法刻蝕工藝得到多個(gè)石墨烯條帶，再利用原子層沉積只在石墨烯邊緣處得到很好的介質(zhì)覆蓋，而非邊緣處被刻蝕，得到多條并列的石墨烯納米帶。區(qū)別于電子束光刻得到的納米帶圖形，本發(fā)明采用光學(xué)光刻，大大降低了工藝成本。
[0057]本發(fā)明將源漏電極的制備放在器件制備的第一步，一方面，避免了后續(xù)工藝中光刻膠在源漏電極與石墨烯之間的殘留，另一方面，電極的存在使其下方的石墨烯在后續(xù)的工藝中不受影響，且接觸面積即為金屬電極的面積，大的接觸面積減小了器件的接觸電阻。
[0058]利用石墨烯納米帶做柵控溝道區(qū)，有效增大了石墨烯場效應(yīng)管的開關(guān)比，而且具有低的工藝成本，可用于石墨烯邏輯器件的制備。
[0059]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種石墨烯場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于，包括: 在襯底上制備或轉(zhuǎn)移石墨烯材料； 在所述石墨烯材料上制備源電極及漏電極； 采用光學(xué)光刻的方式使溝道區(qū)的石墨烯材料形成多個(gè)石墨烯條帶； 在所述多個(gè)石墨烯條帶上沉積高介電常數(shù)介質(zhì)； 以所述高介電常數(shù)介質(zhì)為掩膜對所述多個(gè)石墨烯條帶進(jìn)行刻蝕，形成石墨烯納米帶； 在所述石墨稀納米帶上制備柵電極，形成場效應(yīng)管。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于， 所述襯底上層是絕緣層，所述絕緣層為Si02、Si3N4、Al203、Hf02、BN、SiC、或玻璃，所述襯底的下層為半導(dǎo)體材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石墨烯場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于，所述在襯底上制備或轉(zhuǎn)移石墨烯材料包括: 采用機(jī)械剝離、CVD生長或直接外延在所述襯底上形成1-3層石墨烯層。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石墨烯場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于，所述在所述石墨烯材料上制備源電極及漏電極包括: 在所述石墨烯材料上涂光刻膠，通過曝光顯影形成源電極圖形及漏電極圖形，在所述源電極圖形及漏電極圖形區(qū)域蒸發(fā)金屬形成源電極及漏電極。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的石墨烯場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于，所述高介電常數(shù)介質(zhì)材料為Si02、Si3N^Al2O3、Hf02、Ti02或Y2O3,或者所述高介電常數(shù)介質(zhì)材料S12、Si3N4、Al203、Hf02、Ti02、Y203中的一種或多種組合。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的石墨烯場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于，所述在所述石墨烯納米帶上制備柵電極包括: 在所述石墨烯納米帶上沉積柵電極介質(zhì)，沉積柵電極金屬后形成柵電極。7.一種石墨烯場效應(yīng)管，其特征在于，所述石墨烯場效應(yīng)管采用權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的石墨烯場效應(yīng)管的制備方法制備而成。
【文檔編號】H01L29/78GK105914148SQ201610269687
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】金智, 王少青, 毛達(dá)誠, 史敬元, 彭松昂, 張大勇
【申請人】中國科學(xué)院微電子研究所