一种石墨烯场效应晶体管结构及其大规模制作工艺

摘要

本发明公开了一种石墨烯场效应晶体管结构及其大规模制作工艺，制作工艺：首先通过催化金属薄膜层的特性对其上的底层h-BN介质层和石墨烯层进行选择生长，接着通过对催化金属薄膜层的光刻，实现对外延生长的底层h-BN介质层和石墨烯层形状的控制，最后再通过两次结构反转衔接完成对催化金属薄膜层的两次光刻与顶栅h-BN介质层生长。该结构：包括由下至上依次设置的底层h-BN介质层、石墨烯层和顶栅h-BN介质层，在所述顶栅h-BN介质层上面设置栅电极，从所述石墨烯层两边引出源电极和漏电极。本发明晶体管结构及制作工艺克服目前工艺难度高、成品率低以及产品性能差的问题，为石墨烯基集成电路的制备奠定良好基础。

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件与半导体工艺领域。

背景技术

石墨烯是碳原子以六方蜂房晶格形成的性能极其优异的二维材料，其载流子速度和迁移率远高于常规半导体材料，被认为是后硅时代的集成电路材料。目前，通过催化金属衬底上的CVD法和SiC外延法可生长大尺寸石墨烯晶圆。在制备石墨烯电子器件时，要么需要将CVD法制备的石墨烯转移到两SiO/Si(或其它)衬底上，要么是直接以所在的6H-SiC衬底为介质层，这些衬底不但表面具有一定的粗糙度，而且其中还存在较大密度的库仑中心，加之衬底材料中的光学声子的散射作用，石墨烯中的载流子迁移率会进一步退化，导致最终制备的高频石墨烯场效应晶体管器件中的载流子迁移率均在2000cm/V.s以下，远低于机械剥离石墨烯的室温载流子迁移率。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种石墨烯场效应晶体管结构，克服目前大规模石墨烯器件制备过程中的工艺难度高、成品率低和性能差的问题，为石墨烯基集成电路的制备奠定良好基础。

技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种石墨烯场效应晶体管结构，包括由下至上依次设置的底层h-BN介质层、石墨烯层和顶栅h-BN介质层，在所述顶栅h-BN介质层上面设置栅电极，从所述石墨烯层两边引出源电极和漏电极。

进一步的，所述底层h-BN介质层下设置催化金属薄膜层。

进一步的，所述石墨烯层两边通过等离子刻蚀暴露边缘，暴露边缘位置的两边引出源电极和漏电极。

基于一种石墨烯场效应晶体管结构的大规模制作工艺，首先通过催化金属薄膜层的特性对其上的底层h-BN介质层和石墨烯层进行选择生长，接着通过对催化金属薄膜层的光刻，实现对外延生长的底层h-BN介质层和石墨烯层形状的控制，最后再通过两次结构反转衔接完成对催化金属薄膜层的两次光刻与顶栅h-BN介质层生长。

具体制作工艺步骤如下：

1)制作SiO₂/Si衬底：在Si晶圆上用干法氧化生长SiO₂薄膜，分别制成第一SiO₂/Si衬底、第二SiO₂/Si衬底和第三SiO₂/Si衬底；

2)催化金属薄膜生长：用电子束蒸发工艺在所述第一SiO₂/Si衬底上生长一层催化金属薄膜；

3)催化金属薄膜层光刻：利用标准光刻工艺对催化金属薄膜进行光刻，形成若干方块形状的催化金属薄膜层结构；

4)底层h-BN介质层生长：利用CVD法在催化金属薄膜层上选择性生长一层h-BN，形状与步骤3)中催化金属薄膜层形状相同，即为底层h-BN介质层；

5)石墨烯层生长：在所述底层h-BN介质层上利用催化金属薄膜层选择性生长一层石墨烯，即为石墨烯层；

6)结构反转：在所述石墨烯层表面旋涂一层第一PMMA光刻胶层后，浸泡到氢氟酸溶液中，待第一SiO₂/Si衬底溶解之后，在第一PMMA光刻胶层表层放置第二SiO₂/Si衬底，形成新的结构，并将其反转，露置催化金属薄膜层在上；

7)催化金属薄膜层二次光刻：利用标准光刻工艺对催化金属薄膜层进行对准二次光刻，使催化金属薄膜层的方块形状减小；

8)结构二次反转：在二次光刻的催化金属薄膜层上旋涂一层第二PMMA光刻胶后，再次浸入氢氟酸，待第二SiO₂/Si衬底溶解之后，在第二PMMA光刻胶表层放置第三SiO₂/Si衬底，形成新的结构，并将其反转，露置第一PMMA光刻胶层在上，用深紫外光源对第一PMMA光刻胶层进行曝光，再用苯甲醚溶液溶解，露置石墨烯层在上；

9)顶栅h-BN介质层生长：在露置在上的石墨烯层进行热处理，再利用CVD工艺选择性生长一层h-BN，即为顶栅h-BN介质层；

10)源电极、漏电极光刻：在所述顶栅h-BN介质层上覆盖一层硬质掩膜，并以氢倍半硅氧烷作为光刻胶在其上进行电子束光刻，形成异质结构，该异质结构未覆盖硬质掩膜区域通过等离子蚀刻暴露石墨烯层边缘；

11)淀积源电极、漏电极：用电子束蒸发的方法在暴露石墨烯层边缘的两边淀积两条金属导线，分别为源电极和漏电极；

12)栅电极光刻：二次用氢倍半硅氧烷作为光刻胶在顶栅h-BN介质层上进行电子束光刻定义栅区域；

13)淀积栅电极：电子束蒸发的方法在所述栅区域淀积栅电极；

14)去胶：去除第二PMMA光刻胶，完成。

进一步的，所述催化金属薄膜层为Ni金属薄膜层。

有益效果：本发明利用催化金属薄膜层衬底上的底层h-BN介质层和石墨烯层选择生长的特性，通过对催化金属薄膜层的光刻，实现对外延生长的底层h-BN介质层和石墨烯层形状的控制，从而实现以h-BN为介质的石墨烯场效应晶体管的大规模制造。该技术可以克服目前大规模石墨烯器件制备过程中的工艺难度高、成品率低和性能差的问题，为石墨烯基集成电路的制备奠定良好基础。

附图说明

附图1本发明石墨烯场效应晶体管结构制作完成之后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

h-BN是一种禁带宽度约为5.9eV的介质材料，它的晶格结构与石墨烯相似度很高，其表面也是二维平面结构，而且不存在表面悬挂键和体内带电缺陷，是石墨烯理想的衬底材料。而因为h-BN与石墨烯之间晶格的失配较小，且表面平整无悬挂键，故以h-BN作为栅介质的场效应晶体管的载流子迁移率高于传统的以SiO2或SiC为衬底、以Al2O3等为栅介质的场效应晶体管。边缘接触即1D接触，即为将导线淀积在沟道材料的边缘以实现电接触的技术。石墨烯缺乏表面结合位点，且其结构中较强的轨道杂化与(和金属间)缺乏化学键合的特点导致接触电阻较大。因此，若使用传统的2D接触(即表面接触)，势必限制石墨烯晶体管性能的发挥。而采用1D接触，则可得到更低的接触电阻、更高的迁移率，也使得载流子被弹道输运的距离增长。

如附图1所示，本发明一种石墨烯场效应晶体管结构，包括由下至上依次设置的底层h-BN介质层3、石墨烯层1和顶栅h-BN介质层2，在所述顶栅h-BN介质层2上面设置栅电极6，从所述石墨烯层1两边引出源电极7和漏电极8。所述石墨烯层1两边通过等离子刻蚀暴露边缘，暴露边缘位置的两边引出源电极7和漏电极8。其中附图1中，所述底层h-BN介质层3下设置催化金属薄膜层4，催化金属薄膜层4是用来选择性生长石墨烯层1用的，同时也用作底栅电极；涉及到的第三SiO₂/Si衬底5是用来支撑整个结构的，当然也可以换成其他衬底。

石墨烯场效应晶体管结构的大规模制作工艺：首先通过催化金属薄膜层4的特性对其上的底层h-BN介质层3和石墨烯层1进行选择生长，接着通过对催化金属薄膜层4的光刻，实现对外延生长的底层h-BN介质层3和石墨烯层1形状的控制，最后再通过两次结构反转衔接完成对催化金属薄膜层4的两次光刻与顶栅h-BN介质层2生长。

具体步骤如下：

1)制作SiO₂/Si衬底：在4寸Si晶圆上用干法氧化生长300nmSiO₂薄膜，分别制成第一SiO₂/Si衬底、第二SiO₂/Si衬底和第三SiO₂/Si衬底，其中第二SiO₂/Si衬底和第三SiO₂/Si衬底5留作后续制作工艺备用；

2)催化金属薄膜生长：用电子束蒸发工艺在所述第一SiO₂/Si衬底上生长一层催化金属薄膜，该催化金属薄膜的厚度为250nm；

3)催化金属薄膜层光刻：利用标准光刻工艺对催化金属薄膜进行光刻，形成若干方块形状的催化金属薄膜层4结构；

4)底层h-BN介质层生长：利用CVD法在催化金属薄膜层4上选择性生长一层h-BN，厚度约为20nm，形状与步骤3)中催化金属薄膜层形状相同，即为底层h-BN介质层3；

5)石墨烯层生长：在所述底层h-BN介质层3上利用催化金属薄膜层4选择性生长一层石墨烯，厚度为1-2个碳原子层，即为石墨烯层1；

6)结构反转：在所述石墨烯层1表面旋涂一层第一PMMA光刻胶层后，厚度为2μm，浸泡到氢氟酸溶液中，待第一SiO₂/Si衬底溶解之后，然后捞出，在第一PMMA光刻胶层表层放置备用的第二SiO₂/Si衬底，形成新的结构，并将其反转，露置催化金属薄膜层4在上；

7)催化金属薄膜层二次光刻：利用标准光刻工艺对催化金属薄膜层4进行对准二次光刻，使催化金属薄膜层4的方块形状减小，为下面步骤中的顶栅h-BN介质层2的生长做准备；

8)结构二次反转：在二次光刻的催化金属薄膜层上旋涂一层第二PMMA光刻胶后，再次浸入氢氟酸，待第二SiO₂/Si衬底溶解之后，在第二PMMA光刻胶表层放置第三SiO₂/Si衬底，形成新的结构，并将其反转，露置第一PMMA光刻胶层在上，用深紫外光源对第一PMMA光刻胶层进行曝光，再用苯甲醚溶液溶解，露置石墨烯层1在上；

9)顶栅h-BN介质层生长：在露置在上的石墨烯层1进行热处理，再利用CVD工艺选择性生长一层h-BN，厚度约为2nm，即为顶栅h-BN介质层2；

10)源电极、漏电极光刻：在所述顶栅h-BN介质层2上覆盖一层硬质掩膜，并以氢倍半硅氧烷(HSQ)作为光刻胶在其上进行电子束光刻，电子束光刻完以后，该层硬质掩膜即被去除，形成异质结构，该异质结构区域(未覆盖硬质掩膜区域)通过等离子蚀刻暴露石墨烯层1边缘；

11)淀积源电极、漏电极：用电子束蒸发的方法在暴露石墨烯层1边缘的两边淀积两条金属导线，分别为源电极7和漏电极8；

12)栅电极光刻：第二次用氢倍半硅氧烷(HSQ)作为光刻胶在顶栅h-BN介质层2上进行电子束光刻确定栅区域；

13)淀积栅电极：电子束蒸发的方法在所述栅区域淀积栅电极6；

14)去胶：去除第二PMMA光刻胶，完成制作。

上述步骤中涉及的催化金属薄膜层4可以是Ni金属薄膜层。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。