一种基于碳基材料的Y型栅结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于碳基材料的Y型栅结构，包括一碳基材料沟道层的衬底，在其上具有由栅金属栅根和栅金属栅帽组成的一体化栅金属结构，所述栅金属结构与所述碳基材料沟道层之间具有一第一高K栅介质层，所述栅金属栅帽下部具有第一宽度，其上部具有大于或等于所述第一宽度的第二宽度，所述栅金属栅帽上部和下部之间形成有两个侧面，在所述侧面上分别包覆有第二高K栅介质层。同时还提出该Y型栅结构的制备方法，只须一次曝光即可形成自对准Y型栅结构，工艺简单，操作方便。本发明专利技术提出的基于碳基材料的Y型栅结构在降低栅电阻的同时，进一步降低寄生效应，可以提升碳基高速、高频器件性能。性能。性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于碳基材料的Y型栅结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及晶体管电子器件制备
，尤其涉及一种基于碳基材料的Y型栅结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]以三维体材料金刚石、二维材料石墨烯和准一维材料碳纳米管为代表的碳基电子材料,分别拥有超宽禁带、超高载流子迁移率、优异的导热性能和机械特性,以及独特的低维结构带来的各种量子效应,在射频大功率、高线性、太赫兹以及光电混频等器件领域,具有巨大的潜力。随着碳基射频器件的发展，现有实验结果表明碳基射频器件的性能，受限于当前的材料以及器件结构的不完善，仍滞后于理论预期。
[0003]T型栅由于可以显著的降低栅电阻，故广泛应用于射频器件。T型栅器件有两种结构，一是gate-first自对准结构，其缺点在于自对准的源漏电极所定义的沟道长度取决于栅帽的长度，这样在长栅帽(更大的栅帽横截面积，更小的栅电阻)的设计下，无法制备短沟道的晶体管，而短沟道对于射频器件而言是必要的。二是gate-last非自对准结构，通过两次曝光，增加了工艺的复杂度，虽然可以解决前者的问题，但缩小了源漏电极与栅极之间的距离，从而增大了器件的寄生效应，不利于器件的高频性能。
[0004]因此需要开发一种在降低栅电阻的同时，降低寄生效应的新型栅极结构。

技术实现思路

[0005]针对以上现有技术中T型栅极结构存在的不足，本专利技术提出了一种能够同时减低栅电阻、降低寄生效应的全新的Y型栅结构及其制备方法。
[0006]本专利技术一方面提供了一种基于碳基材料的Y型栅结构，包括一碳基材料沟道层的衬底，在所述碳基材料沟道层上具有由栅金属栅根和栅金属栅帽组成的一体化栅金属结构，其特征在于：
[0007]所述栅金属结构与所述碳基材料沟道层之间具有一第一高K栅介质层，所述栅金属栅帽与所述栅金属栅根一体化形成，所述栅金属栅帽下部具有第一宽度，其上部具有大于或等于所述第一宽度的第二宽度，所述栅金属栅帽上部和下部之间形成有两个侧面，在所述侧面上分别包覆有具有与第一高K栅介质层相同材质的第二高K栅介质层。
[0008]进一步地，所述侧面与所述衬底所在平面的夹角为60
°-
80
°
。
[0009]进一步地，所述低电阻栅金属栅帽的上表面低于Y型栅结构(2)的顶端。
[0010]进一步地，所述衬底为硬质绝缘材料或耐高温柔性绝缘材料，其中所述硬质绝缘材料选自氧化硅、石英、玻璃、氧化铝，所述耐高温柔性绝缘材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚酰亚胺。
[0011]进一步地，所述碳基材料为金刚石、石墨烯、碳纳米管、碳纳米线、富勒烯、碳纳米纤维或碳纳米球等，其中碳纳米管包括单壁、多壁碳纳米管。
[0012]进一步地，所述第一高K栅介质层和第二高K栅介质层为氧化铪或氧化钇。
[0013]进一步地，所述栅金属结构采用低电阻率金属材料，优选为银、金或铜中的一种或多种叠层结构。
[0014]另一方面，本专利技术的还提供一种如上基于碳基材料的Y型栅结构的制备方法，具体步骤如下：
[0015]步骤A：提供一具有碳基材料沟道层的衬底，在其上分别旋涂低灵敏度光刻胶、中灵敏度光刻胶和高灵敏度光刻胶三层光刻胶，根据栅结构掩膜图案对所述三层光刻胶进行一次曝光，并进行显定影，从而在所述低灵敏度光刻胶中形成具有垂直侧面的栅根图形，在所述中灵敏度光刻胶和高灵敏度光刻胶中形成具有倾斜梯度侧面的栅帽图形；
[0016]步骤B：在步骤A所获得的图形上形成一高k栅介质层，使得在所述栅根图形底部以及所述栅帽图形侧面分别形成第一高k栅介质层和第二高k栅介质层；
[0017]步骤C：进一步在步骤B获得的结构上沉积一栅金属层，使栅金属层的厚度大于低灵敏度光刻胶的厚度，小于三层光刻胶的总厚度；
[0018]步骤D：将上述结构泡入丙酮溶脱剥离，形成含有高k栅介质、低电阻率栅金属的自对准Y型栅结构。
[0019]进一步地，步骤A中所述衬底为硬质绝缘材料或耐高温柔性绝缘材料，其中所述硬质绝缘材料选自氧化硅、石英、玻璃、氧化铝，所述耐高温柔性绝缘材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚酰亚胺。
[0020]进一步地，步骤A中在旋涂光刻胶后还需要涂覆导电胶。
[0021]进一步地，所述低灵敏度光刻胶采用PMMA系列中的低灵敏度胶，旋涂所述低灵敏度后即刻烘干，所述中灵敏度光刻胶采用PMMA系列中的高灵敏度胶，所述高灵敏度光刻胶采用AR-P 617高灵敏度胶。
[0022]进一步地，在旋涂所述中灵敏度光刻胶后继续旋涂所述高灵敏度，使得两种电子束光刻胶的灵敏度在界面发生梯度变化，并通过控制匀胶机转速控制胶厚。
[0023]进一步地，所述步骤B中所述生长高k栅介质的方法包括采用ALD法直接生长氧化铪高k栅介质。
[0024]进一步地，在所述步骤B中首先采用电子束蒸发法沉积一层金属钇，然后对所述金属钇进行紫外臭氧氧化形成高k氧化钇栅介质。
[0025]进一步地，所述金属钇的厚度为1～4nm，所述紫外臭氧氧化时间为5-10min。
[0026]进一步地，所述步骤C中采用电子束蒸发、磁控溅射或电镀形成所述栅金属层，所述栅金属选自银、金、铜中的一种或多种金属。
[0027]进一步地，步骤A中所述碳基材料为金刚石、石墨烯、碳纳米管、碳纳米线、富勒烯、碳纳米纤维或碳纳米球等，其中碳纳米管包括单壁、多壁碳纳米管。
[0028]以上基于碳基材料的Y型栅结构的制备方法中底层电子束光刻胶由于灵敏度低，故在受到曝光、显影后在竖直方向形成较为理想的垂直于底面的结构。旋涂底层光刻胶后即刻烘干目的是为了防止中层电子束光刻胶影响其灵敏度，使得垂直结构产生倾斜。旋涂中层PMMA电子束光刻胶后，不烘干，继续旋涂顶层AR-P 6179电子束光刻胶，使得两种电子束光刻胶在界面处发生互溶，因此胶的灵敏度会在界面处，由顶部到底部，从高到低发生梯度变化。这样在受到曝光时，由于曝光的邻近效应，灵敏度高的结构被显影掉的成分更多，灵敏度低的结构被显影掉的成分更少。由于灵敏度是梯度变化的，因此可形成如附图1所示
的倾斜结构，从而得到Y栅的栅帽结构。
[0029]本专利技术的有益效果为：
[0030]相较于T型栅结构，本专利技术的Y型栅结构栅帽距离接触电极更远，可降低栅极与源漏电极之间的寄生效应，从而抑制短沟道效应。相较于现有T型栅结构中通常需要沉积金属铝来进行栅介质和栅金属的制备，本专利技术采用电阻率更低的栅金属(如：银，金，铜的一种或多种叠层结构)，可以降低栅电阻，从而提高碳基射频器件的最大振荡频率(与栅电阻负相关)和碳基集成电路的工作频率。
[0031]同时，本专利技术的Y型栅结构的制备方法可与氧化钇高k栅介质兼容，由于金属钇与碳基材料间出色的浸润性，使得氧化钇与碳基材料接触界面陷阱密度低，可制备得亚阈值斜率SS低(最小可至室温下理论极限60mV/dec)的碳纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于碳基材料的Y型栅结构，包括一碳基材料沟道层的衬底(1)，在所述碳基材料沟道层上具有由栅金属栅根(201)和栅金属栅帽(202)组成的一体化栅金属结构(2)，其特征在于：所述栅金属结构(2)与所述碳基材料沟道层之间具有一第一高K栅介质层(203)，所述栅金属栅帽(202)与所述栅金属栅根(201)一体化形成，所述栅金属栅帽(202)下部具有第一宽度，其上部具有大于或等于所述第一宽度的第二宽度，使得在所述栅金属栅帽(202)两侧形成侧面，在所述侧面上分别包覆有与第一高K栅介质层(203)相同材质的第二高K栅介质层(204)。2.如权利要求1所述基于碳基材料的Y型栅结构，其特征在于：所述侧面与所述衬底所在平面的夹角为60
°-
80
°
。3.如权利要求1所述基于碳基材料的Y型栅结构，其特征在于：所述低电阻栅金属栅帽(202)的上表面(205)低于Y型栅结构(2)的顶端。4.如权利要求1所述基于碳基材料的Y型栅结构，其特征在于：所述衬底(1)为硬质绝缘材料或耐高温柔性绝缘材料，其中所述硬质绝缘材料选自氧化硅、石英、玻璃、氧化铝，所述耐高温柔性绝缘材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚酰亚胺。5.如权利要求1所述基于碳基材料的Y型栅结构，其特征在于：所述碳基材料为金刚石、石墨烯、碳纳米管、碳纳米线、富勒烯、碳纳米纤维或碳纳米球其中之一，其中所述碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管。6.如权利要求1所述基于碳基材料的Y型栅结构，其特征在于：所述第一高K栅介质层(203)和第二高K栅介质层(204)为氧化铪或氧化钇其中之一。7.如权利要求1所述基于碳基材料的Y型栅结构，其特征在于：所述栅金属结构(2)采用低电阻率金属材料，优选为银、金或铜中的一种或多种叠层结构。8.一种如权利要求1-7所述基于碳基材料的Y型栅结构的制备方法，具体步骤如下：步骤A：提供一具有碳基材料沟道层的衬底(1)，在其上分别旋涂低灵敏度光刻胶、中灵敏度光刻胶和高灵敏度光刻胶三层光刻胶，根据栅结构掩膜图案对所述三层光刻胶进行一次曝光，并进行显定影，从而在所述低灵敏度光刻胶中形成具有垂直侧面的栅根图形，在所述中灵敏度光刻胶和高灵敏度光刻胶中形成具有倾斜梯度侧面的栅帽图形；步骤B：在步骤A所获得的图形上形成一高k栅介质层，使得在所述栅根图形...

【专利技术属性】
技术研发人员：周简硕，丁力，彭练矛，
申请(专利权)人：北京大学北京华碳元芯电子科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：