基于Cu膜退火的SiC与氯气反应侧栅石墨烯晶体管制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Cu膜退火的SiC与氯气反应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顶栅结构晶体管沟道载流子迁移率降低等问题。其制作步骤是：在清洗后的SiC样片表面淀积SiO2掩膜层，并在SiO2掩膜层表面光刻出侧栅结构晶体管图形；将光刻后的样片置于石英管中，使裸露的SiC与Cl2反应，生成碳膜；将生成碳膜的样片置于缓冲氢氟酸溶液中以去除SiO2掩膜；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，退火生成石墨烯；在石墨烯样片上淀积金属Pd/Au层，并刻蚀出侧栅结构晶体管的金属接触。本发明专利技术具有迁移率高，器件性能好的优点，可用于制备连续性良好的石墨烯侧栅结构晶体管。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，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。
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。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，而残留下来的碳重构形成石墨烯。然而，SiC热分解中使用的单晶SiC非常昂贵，生长出来的石墨烯呈岛状分布，孔隙多，层数不均匀，且做器件时由于光刻工艺会使石墨烯的电子迁移率降低，影响器件性能。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，从材料上考虑，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，从介质衬底方面考虑，衬底散射会严重影响载流子的迁移率；然而当需要对材料加高电场时，高K介质材料衬底有利于避免器件击穿。上述石墨烯制备方法，生成的石墨烯呈点状，难以获得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，从而导致石墨烯沟道迁移率降低。另夕卜，器件制造过程中，对材料的刻蚀，衬底散射效应的影响都将使得迁移率大大退化，影响晶体管性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于Cu膜退火的SiC与氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，以在衬底上生长出连续的高质量石墨烯，通过选择性地生长石墨烯形成侧栅结构晶体管，保证石墨烯的电子迁移率稳定，减少衬底散射效应，提闻晶体管性能。本专利技术技术方案是这样实现的:1.侧栅工艺原理选择一种适合生长石墨烯的衬底，如SiC，根据侧栅结构图形，在衬底上，垂直于石墨烯沟道生长方向上同时生长出石墨烯侧栅极，对石墨烯侧栅极加电压就可以达到对石墨烯沟道中电流传输的控制。2.本专利技术的制备方法，包括以下步骤:(I)对SiC样片进行标准清洗，去除表面污染物；(2)在清洗后的SiC样片表面，利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法淀积一层0.4-1.2 μ m厚的SiO2掩膜层；(3)在SiO2掩膜层上光刻出侧栅结构晶体管图形窗口 ；(4)将形成图形窗口后的样片置于石英管中，加热至700-1100°C ；(5)向石英管中通入Ar气和Cl2气的混合气体，持续4_10min，使Cl2与裸露的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；(6)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 ；(7)将去除SiO2后的碳膜样片置于Cu膜上，再将该整体一同置于Ar气中，在温度为900-1200°C下退火15-25min，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石墨烯；再将Cu膜从生成石墨烯的样片上去除；(8)在生成石墨烯的样片上用电子束蒸发的方法淀积出金属Pd/Au层；(9)用反应离子RIE刻蚀法刻蚀出金属接触；(10)使用丙酮溶液浸泡制作好的样片10分钟，以去除残留的丙烯酸树脂PMMA，取出后烘干，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.本专利技术制作侧栅结构器件时不需要对石墨烯进行刻蚀，从而保证了石墨烯中的电子迁移率，提升了器件性能。2.本专利技术由于选择性的在衬底上生成石墨烯，所以可以控制侧栅与石墨烯沟道间距离，从而控制了它们之间的耦合电容，提高了沟道电导。3.本专利技术由于是在Cu膜上退火，所以生成的碳膜更容易重构形成连续性较好的石墨烯。4.本专利技术由于利用SiC与Cl2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Cu膜退火的SiC与氯气反应侧栅石墨烯晶体管制备方法，包括以下步骤：（1）对SiC样片进行标准清洗，去除表面污染物；（2）在清洗后的SiC样片表面，利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法淀积一层0.4?1.2μm厚的SiO2掩膜层；（3）在SiO2掩膜层上光刻出侧栅结构晶体管图形窗口；（4）将形成图形窗口后的样片置于石英管中，加热至700?1100℃；（5）向石英管中通入Ar气和Cl2气的混合气体，持续4?10min，使Cl2与裸露的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；（6）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；（7）将去除SiO2后的碳膜样片置于Cu膜上，再将该整体一同置于Ar气中，在温度为900?1200℃下退火15?25min，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石墨烯；再将Cu膜从生成石墨烯的样片上去除；（8）在生成石墨烯的样片上用电子束蒸发的方法淀积出金属Pd/Au层；（9）用反应离子RIE刻蚀法刻蚀出金属接触；（10）使用丙酮溶液浸泡制作好的样片10分钟，以去除残留的丙烯酸树脂PMMA，取出后烘干，获得侧栅石墨烯晶体管。...

【技术特征摘要】
1.一种基于Cu膜退火的SiC与氯气反应侧栅石墨烯晶体管制备方法，包括以下步骤: (1)对SiC样片进行标准清洗，去除表面污染物； (2)在清洗后的SiC样片表面，利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法淀积一层0.4-1.2μπι厚的SiO2掩膜层； (3)在SiO2掩膜层上光刻出侧栅结构晶体管图形窗口； (4)将形成图形窗口后的样片置于石英管中，加热至700-1100°C； (5)向石英管中通入Ar气和Cl2气的混合气体，持续4-10min，使Cl2与裸露的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； (6)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； (7)将去除SiO2后的碳膜样片置于Cu膜上，再将该整体一同置于Ar气中，在温度为900-1200°C下退火15-25min，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石墨烯；再将Cu膜从生成石墨烯的样片上去除； (8)在生成石墨烯的样片上用电子束蒸发的方法淀积出金属Pd/Au层； (9)用反应离子RIE刻蚀法刻蚀出金属接触； (10)使用丙酮溶液浸泡制作好的样片10分钟，以去除残留的丙烯酸树脂PMMA，取出后烘干，获得侧栅石墨烯晶体管。2.根据权利要求1所述的基于Cu膜退火的SiC与氯气反应侧栅石墨烯晶体管制备方法，其特征在于所述步骤(2)中使用等离子体增强化学气相沉积PECVD淀积SiO2掩膜层，其工艺条件为: SiH4 流速为 30sccm, N2O 流速为 60sccm, N2 流速为 200sccm， 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。3.根据权利要求1所述的基于Cu膜退火的SiC与氯气反应侧栅石墨烯晶体管制备方法，其特征在于步骤(3)所述的在SiO2掩膜层上光刻出侧栅结构晶体管图形窗口，按如下步骤进行: (3a)按照侧栅结构晶体管的侧栅极G、源极S、漏极D、导电沟道位置制作成光刻版；(3b)在SiO2掩膜层表面旋涂浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭辉，韦超，张玉明，张克基，雷天民，胡彦飞，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：