本发明专利技术公开了一种基于Ni膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，其实现步骤是：(1)在Si衬底基片上生长一层碳化层作为过渡；(2)在碳化层上生长3C-SiC薄膜；(3)在3C-SiC样片表面淀积一层SiO2，并在SiO2上光刻出侧栅结构晶体管图形窗口；(4)将光刻后裸露的3C-SiC与Cl2反应，生成碳膜；(5)将生成的碳膜样片置于缓冲氢氟酸溶液中去除剩余的SiO2；(6)在碳膜样片上电子束沉积一层Ni膜；(7)将淀积有Ni膜的碳膜样片置于Ar气中，在900-1100℃下退火15-30min，使碳膜在重构成侧栅石墨烯；(8)在石墨烯样片上淀积金属Pd/Au层，并采用RIE刻蚀成侧栅晶体管的侧栅极、源极、漏极金属接触。本发明专利技术制作出的侧栅石墨烯晶体管保证了石墨烯的迁移率，能有效控制器件的沟道载流子浓度，同时避免栅介质引起的散射效应。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微电子
，涉及半导体器件制备方法，具体地说是。
技术介绍
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。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，公开的方法是:首先制备催化剂，然后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，以除去催化齐U。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。近年来，关于石墨烯的器件研究的文献大量涌现，石墨烯在电容、太阳能电池、透明电极方面都有很多报道，例如Stoller等人利用石墨烯研制出超级电容，Wang.X等人用石墨烯作为太阳能电池的电极等。在晶体管应用方面也有很多报道，例如Georgia技术学会利用外延石墨烯层制作出顶栅晶体管，Purdue大学的J.F.Tian等人制作出金属侧栅石墨烯晶体管等。目前，石墨烯晶体管制造工艺的问题和难点主要集中在以下几个方面:第一，在材料方面，使用现有的制备方法，很难在一个衬底上淀积出用于制作晶体管的大面积连续石墨烯；第二，在制造方面，由于石墨烯禁带宽度几乎为零，因而需要设计一种特殊的栅结构来控制沟道载流子浓度；第三，在衬底方面，衬底散射会使载流子的迁移率大幅下降，同时有可能导致器件击穿。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种，以生成大面积连续的石墨烯，提高石墨烯的电子迁移率，并且能够通过改变侧栅电压实现对晶体管电流精确控制，避免顶栅石墨烯晶体管顶栅介质的散射效应。为实现上述目的，本专利技术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)将清洗后的Si衬底基片放入化学气相淀积CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10_7mbar级别；在H2保护的情况下，使反应室逐步升温至900°C -1200°C，通入C3H8气体，生长一层碳化层；(3)对反应室升温至3C_SiC的生长温度，通入C3H8和SiH4，进行3C_SiC薄膜异质外延生长，生长时间为30-60min，然后在H2保护下逐步降温至室温，完成3C_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G、源极S、漏极D、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)将形成窗口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3-5min，使Cl2与裸露的3C-SiC发生反应，生成具有侧栅晶体管侧栅极、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的SiO2 ；(9)在碳膜样片上电子束沉积300_500nm厚的Ni膜；(10)将沉积有Ni膜的碳膜样片置于Ar气中，在温度为900-1100°C下退火15-30分钟，使碳膜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石墨烯；将石墨烯样片置于HCl和CuSO4混合溶液中以去除Ni膜；(11)在已经形成侧栅极、源极、漏极和导电沟道的石墨烯样片上用电子束蒸发的方法淀积金属Pd/Au接触层；(12)光刻金属接触层:按照侧栅石墨烯晶体管的侧栅、源、漏金属电极位置制作光刻版；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；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接触层上，再用氧气作为刻蚀气体对金属接触层进行RIE刻蚀；(13)使用丙酮溶液浸泡制作好的样品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。本专利技术与现有技术相比具有如下优点:1.本专利技术制造的侧栅石墨烯晶体管因为没有顶栅介质，不会引入更多的散射源，石墨烯膜也不会因为光刻而受到破坏，因而保证了石墨烯的迁移率，同时避免了由栅介质引起的介质击穿现象。2.本专利技术制造的石墨烯晶体管采用侧栅结构，能够有效控制器件的沟道载流子浓度。3.本专利技术利用在Ni膜上退火，碳膜更容易重构成连续性较好的石墨烯。4.本专利技术中3C_SiC与Cl2生成碳膜的反应，可以在较低温度和常压下进行，且反应速率快。5.本专利技术由于3C_SiC可异质外延生长在Si衬底上，因而制作石墨烯晶体管成本 低。附图说明图1是本专利技术制备石墨烯的装置示意图；图2是本专利技术制作连接型侧栅石墨烯晶体管的流程图；图3是本专利技术连接型侧栅石墨烯晶体管的版图示意图；图4是本专利技术制作非连接型侧栅石墨烯晶体管的流程图；图5是本专利技术非连接型侧栅石墨烯晶体管的版图示意图。具体实施例方式参照图1，本专利技术的制备设备主要由石英管I和电阻炉2组成，其中石英管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。本专利技术中还用到了光刻系统，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，及反应离子刻蚀RIE等成熟的微电子工艺系统。实施例1参照图2和图3，本专利技术制作连接型侧栅石墨烯晶体管的步骤如下:步骤1:去除样品表面污染物，如图2 U)。对4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。步骤2: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；在H2保护的情况下，将反应室温度升至900°C的碳化温度，然后向反应室通入流量为30sCCm的C3H8，在Si衬底上生长一层碳化层，生长时间为lOmin。步骤3:在碳化层上生长3C_SiC薄膜，如图2 (b)。将反应室温度迅速升至1200°C，通入流量为20sccm的SiH4和流量为40sccm的C3H8，进行3C-SiC薄膜异质外延生长，生长时间为30min ;然后在H2保护下逐步降温至室温，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薄膜样片放入PECVD系统内，调节系统内部压力为3.0Pa，射频功率为100W，温度为150。。；(4.2)向 PECVD 系统内通入流速分别为 30sccm、60sccm 和 200s本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于Ni膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，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）将清洗后的Si衬底基片放入化学气相淀积CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10?7mbar级别；在H2保护的情况下，使反应室逐步升温至900℃?1200℃，通入C3H8气体，生长一层碳化层；（3）对反应室升温至3C?SiC的生长温度，通入C3H8和SiH4，进行3C?SiC薄膜异质外延生长，生长时间为30?60min，然后在H2保护下逐步降温至室温，完成3C?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?1μm厚的SiO2掩膜层；（5）在SiO2层上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G、源极S、漏极D、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℃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）将形成窗口的样片置于石英管中，加热至700?1100℃；（7）向石英管中通入Ar气和Cl2气的混合气体，持续3?5min，使Cl2与裸露的3C?SiC发生反应，生成具有侧栅晶体管侧栅极、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的SiO2；（9）在碳膜样片上电子束沉积300?500nm厚的Ni膜；（10）将沉积有Ni膜的碳膜样片置于Ar气中，在温度为900?1100℃下退火15?30分钟，使碳膜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石墨烯；将石墨烯样片置于HCl和CuSO4混合溶液中以去除Ni膜；（11）在已经形成侧栅极、源极、漏极和导电沟道的石墨烯样片上用电子束蒸发 的方法淀积金属Pd/Au接触层；（12）光刻金属接触层：按照侧栅石墨烯晶体管的侧栅、源、漏金属电极位置制作光刻版；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℃烘烤60秒，使其与金属层紧密接触；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接触层上，再用氧气作为刻蚀气体对金属接触层进行RIE刻蚀；（13）使用丙酮溶液浸泡制作好的样品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。...
【技术特征摘要】
1.一种基于Ni膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，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)将清洗后的Si衬底基片放入化学气相淀积CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10_7mbar级别；在H2保护的情况下，使反应室逐步升温至900°C -1200°C，通入C3H8气体，生长一层碳化层； (3)对反应室升温至3C-SiC的生长温度，通入C3H8和SiH4，进行3C-SiC薄膜异质外延生长，生长时间为30-60min，然后在H2保护下逐步降温至室温，完成3C_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G、源极S、漏极D、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 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)将形成窗口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3-5min，使Cl2与裸露的3C_SiC发生反应，生成具有侧栅晶体管侧栅极、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的SiO2； (9)在碳膜样片上电子束沉积300-500nm厚的Ni膜； (10)将沉积有Ni膜的碳膜样片置于Ar气中，在温度为900-1100°C下退火15-30分钟，使碳膜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石墨烯；将石墨烯样片置于HCl和CuSO4混合溶液中以去除Ni膜； (11)在已经形成侧栅极、源极、漏极和导电沟道的石墨烯样片上用电子束蒸发的方法淀积金属Pd/Au接触层； (12)光刻金属接触层: 按照侧栅石墨烯晶体管的侧栅、源、漏金属电极位置制作光刻版； 将浓度为7%的的丙烯酸树脂PMMA溶液旋涂于金属层...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭辉，张晨旭，张克基，张玉明，雷天民，邓鹏飞，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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