金属石墨烯双面接触结构的制备方法及石墨烯晶体管

摘要

一种金属石墨烯双面接触结构的制备方法及石墨烯晶体管，该制备方法包括：在衬底上光刻定义出需要金属接触的区域，在光刻胶的保护下，利用干法选择性刻蚀出用于沉积下层金属的凹槽；电子束蒸发下层金属，利用剥离工艺得到下层金属图案；转移石墨烯到透明衬底上，旋涂光刻胶，采用从背面曝光的方式，利用已有的下层金属作为光刻掩模，实现上层金属的自对准图形；沉积金属，自对准地形成金属与石墨烯双面接触结构。本发明的方法可以有效保证上下层金属的对准结构，减小石墨烯和金属之间的接触电阻，从而提高石墨烯电子器件的性能。

说明书

技术领域

本发明属于纳电子学技术领域，涉及石墨烯晶体管器件的制备，更具体地涉及金属石墨烯双面接触结构的制备方法及由此制得的石墨烯晶体管。

背景技术

以石墨烯为材料的纳米电子学，由于石墨烯超高的载流子迁移率和载流子饱和漂移速度，被认为具有极大的应用前景，极富潜力可以替代硅材料。在石墨烯晶体管器件的发展过程中，石墨烯与金属电极之间的接触电阻对器件的性能有着非常重要的影响，相比于传统的硅器件上的接触电阻率，石墨烯器件的接触电阻率要再小一个数量级，达到10^-9Ω·cm²才能体现出石墨烯高迁移率的特性。

通过改变石墨烯和金属的接触结构可以减少接触电阻，特别是采用金属和石墨烯双面接触的方式不但可以排除下层金属与石墨烯之间光刻残胶的影响，还可以形成更多的边缘接触结构，以减少接触电阻。但是这样的双面接触结构需要上层金属和下层金属具有相同的图案和位置，而由于光刻套准精度的限制，很难实现上层金属和下层金属的对准结构。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种金属石墨烯双面接触结构的制备方法，以及由此制得的石墨烯晶体管，以减少石墨烯电子器件金属和石墨烯的接触电阻。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种金属石墨烯双面接触结构的制备方法，包括以下步骤：

提供一透明衬底；

在所述透明衬底上形成下层金属图案；

在所述透明衬底具有所述下层金属图案的一面上，转移形成一与所述下层金属图案接触的石墨烯层；

在所述石墨烯层上旋涂光刻胶，采用从所述透明衬底相对所述下层金属图案的另一面进行光照曝光的方式，利用已有的所述下层金属图案作为光刻掩模，对所述光刻胶曝光；

形成上层金属图案，从而自对准地形成所述金属石墨烯双面接触结构。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种根据如上所述制备方法制备得到的石墨烯晶体管。

由此可见，本发明的方法相对于现有技术的主要优势体现在：

(1)本发明提供的自对准方法，利用下层金属图案作为已有的参考图案，采用从背面曝光的方法，实现石墨烯的上层金属和下层金属的对准过程，实现了对准后的金属和石墨烯的双面接触结构，大大的减少石墨烯电子器件的接触电阻；

(2)本发明提供的自对准方法，避免了双面接触结构制备过程中的上层金属对准过程，而且对准精度也得到提高，具有更小的图案偏差，降低了工艺的人工成本，具有良好的可行性和重复性。

附图说明

图1至图7是依照本发明一实施例的金属石墨烯双面接触结构的制备方法的工艺流程图。

其中，附图标记含义如下：透明衬底8、光刻胶9、下层金属10、石墨烯11、光刻胶12、UV照射光13、上层金属14。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种自对准工艺，通过先在衬底上刻蚀填充上下层金属图形，然后采用背面曝光的方式，利用已有的下层金属图案作为光刻掩模，形成石墨烯上下金属图案之间的对准过程，以获得对准后的金属与石墨烯双面接触结构，有利于减少石墨烯电子器件金属和石墨烯的接触电阻。其 核心在于提出了一种形成金属和石墨烯双面接触的自对准工艺方法，为提高石墨烯与金属的接触性能提供了一个解决方案，满足了减少接触电阻的需求。

更具体地，本发明的技术方案如下：

首先，在衬底上光刻定义出需要金属接触的区域，在光刻胶的保护下，利用干法选择性刻蚀出用于沉积下层金属的凹槽；

其次，电子束蒸发下层金属，利用剥离工艺得到下层金属图案；

然后，转移石墨烯到透明衬底上，旋涂光刻胶，采用从背面曝光的方式，利用已有的下层金属作为光刻掩模，实现上层金属的自对准图形；

最后，再沉积金属，自对准地形成金属与石墨烯双面接触结构。

上述方案中，衬底可以采用透明的二氧化硅衬底。

上述方案中，下层金属可以采用金属钯、钛、镍、铂、铬或金，下层金属蒸发厚度与衬底材料被刻蚀深度相同。上层金属均采用金属钯和金、钛和金、镍和金、铂和金或铬和金。

上述方案中，下层金属图案的制备，需要先对衬底进行刻蚀凹槽处理，刻蚀采用的方法是干法选择性刻蚀，利用光刻胶的保护，对显影之后的区域进行干法刻蚀，对于二氧化硅衬底，刻蚀气体可以采用四氟化碳气体，刻蚀气体无载气或采用氮气、氢气、氩气、氦气作为载气。

上述方案中，在得到下层金属图案和完成石墨烯的转移之后，旋涂一层光刻胶，该光刻胶采用负胶，或者反转胶AZ5214。曝光采用从背面直接曝光的方式得到石墨烯上层图案，然后蒸发上层金属，将样本放入去胶液中，去除图案以外的金属和光刻胶。

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1至图7示出了根据本发明一实施例的金属石墨烯双面接触结构的制备方法的工艺流程图，在本实施例中，以二氧化硅作为透明衬底，石墨烯作为导电通道，金属钯作为下层金属，金属钯/金作为上层金属，四氟化碳气体作为刻蚀衬底的刻蚀气体，光刻胶AZ5214作为制备图案的光刻胶，实现了自对准后的金属和石墨烯双面接触结构。该方法具体包括以下步骤：

步骤1，在透明衬底上匀胶：如图1所示，采用透明的二氧化硅衬底8，旋涂一层AZ5214光刻胶9。

步骤2，光刻显影，刻蚀衬底：如图2所示，经过光刻显影定义需要沉积金属的区域，利用干法选择性刻蚀，采用四氟化碳气体作为刻蚀气体，刻蚀衬底。刻蚀的凹槽深度在10nm。

步骤3，蒸发下层金属：如图3所示，采用电子束蒸发，得到下层金属钯10，蒸发厚度10nm。

步骤4，剥离，转移石墨烯：如图4所示，利用丙酮去胶的过程，剥离图案以外的金属，然后将石墨烯11转移到衬底8上，覆盖透明衬底8和下层金属10，完成石墨烯11与下层金属10的接触。

步骤5，涂胶和曝光：如图5所示，在石墨烯的上层表面旋涂一层AZ5214胶12，然后采用从衬底背面进行曝光的方式去自定义上层光刻胶的图形。因为下层金属本身不透光，而石墨烯的厚度很薄且透光性好，所以上层图案会与下层金属实现自对准的过程。曝光采用UV(Ultra-Violet，紫外)照射光13。

步骤6，上层金属的制备：如图6所示，利用电子束蒸发上层金属14，上层金属14采用钯/金，厚度为20nm/80nm，作为与石墨烯进行上层金属接触的接触电极。

步骤7，剥离：如图7所示，将上述制得的半成品放入丙酮中，去除图案以外的上层金属14和光刻胶12，完成自对准的金属和石墨烯双面接触结构的制作。

通过上述实施例可以看出，通过所设计的自对准工艺流程制备的金属石墨烯双面接触结构，利用下层金属作为已有的参考模板，选择从背面曝光的方式，实现上层金属图案的自对准过程，得到具有更小图案偏差的石墨烯晶体管器件，从而获得更小的器件接触电阻。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。