硅襯底的三氧化二鋁柵介質(zhì)雙柵石墨烯晶體管及制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種硅襯底的三氧化二鋁柵介質(zhì)雙柵石墨烯晶體管及制備方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)制備的石墨烯晶體管溝道載流子遷移率低及載流子散射的問(wèn)題。其實(shí)現(xiàn)步驟是：在外延于Si襯底上的3C-SiC表面淀積一層Al2O3，并光刻出雙柵圖形；將刻蝕后的樣片置于石英管中，通過(guò)Cl2與SiC反應(yīng)，生成碳膜，再將將該碳膜樣片置于Ar氣中退火，生成石墨烯；然后將石墨烯樣片上距導(dǎo)電溝道60-400nm處的兩側(cè)Al2O3刻蝕掉，形成雙柵槽；最后在石墨烯樣片上淀積金屬層并刻蝕成晶體管金屬接觸。本發(fā)明制作出的雙柵石墨烯晶體管具有載流子遷移率高，抑制散射效應(yīng)性能好，能更好調(diào)制溝道載流子濃度的優(yōu)點(diǎn)，可用于制作大規(guī)模集成電路。
【專(zhuān)利說(shuō)明】硅襯底的三氧化二鋁柵介質(zhì)雙柵石墨烯晶體管及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及雙柵石墨烯晶體管，可用于大規(guī)模集成電路制作。
技術(shù)背景
[0002]隨著人們對(duì)高性能，高可靠性，低能耗設(shè)備需求的提高，對(duì)集成電路上器件特性變得愈發(fā)關(guān)注?！笆边@種由二維六角形碳晶格組成的材料，由于其突出的電學(xué)結(jié)構(gòu)特性自2004年被英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈.杰姆和克斯特亞.諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)得到后，即被當(dāng)做制造高性能器件的備選材料。
[0003]2005年Geim研究組與Kim研究組發(fā)現(xiàn),室溫下石墨烯具有約IOcm2 / V.s的高載流子遷移率，大約是商用硅片的10倍，并且受溫度和摻雜效應(yīng)的影響很小，這是石墨烯作為納電子器件最突出的優(yōu)勢(shì)。較高的載流子遷移率和較小的接觸電阻有助于進(jìn)一步減小器件開(kāi)關(guān)時(shí)間，超高的頻率響應(yīng)特性是石墨烯基電子器件的另一顯著優(yōu)勢(shì)。此外，與目前電子器件中使用的硅及金屬材料不同，即使石墨烯減小到納米尺度時(shí)，同樣能保持很好的穩(wěn)定性和電學(xué)性能，使探索單電子器件成為可能。最近，Geim研究組利用電子束光刻與干法刻蝕將同一片石墨烯加工成量子點(diǎn)、引線和柵極，獲得了室溫下可以使用的石墨烯單電子場(chǎng)效應(yīng)管，解決了目前單電子場(chǎng)效應(yīng)管由于納米尺度材料的不穩(wěn)定性所帶來(lái)的使用溫度受限的問(wèn)題。荷蘭科學(xué)家則報(bào)道了第一個(gè)石墨烯超導(dǎo)場(chǎng)效應(yīng)管，發(fā)現(xiàn)在電荷密度為零的情況下石墨烯還是可以傳輸電流，為低能耗、開(kāi)關(guān)時(shí)間快的納米尺度超導(dǎo)電子器件帶來(lái)突破。
[0004]近年來(lái)，關(guān)于石墨烯的器件的文獻(xiàn)大量涌現(xiàn)，關(guān)于石墨烯在電容、太陽(yáng)能電池、透明電極方面都有很多報(bào)道。在場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET應(yīng)用方面也有很多報(bào)道，如背柵石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管BG-GFET、頂柵石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管TG-GFET等。這些石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管GFET的制備工藝中，需要將石墨烯沉積或者轉(zhuǎn)移到特定的Si或SiC襯底上。而在現(xiàn)有的頂柵工藝中，由于頂柵介質(zhì)會(huì)引入更多的散射源，同時(shí)在制作過(guò)程中，石墨烯薄膜也很容易受到破壞，引起正面和背面散射，使得頂柵TG-GFET的遷移率顯著下降。
[0005]國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司IBM研究中心宣稱(chēng)研究出世界上速度最快的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，工作頻率達(dá)到26GHz，這是目前為止測(cè)量到的石墨烯晶體管的最快工作頻率。IBM表示柵極在頂部的石墨烯晶體管由絕緣硅晶圓所制成，在不同的柵極電壓和長(zhǎng)度下均有很高的工作頻率。研究結(jié)果表明，隨著頻率的增高，石墨烯晶體管電流增益的下降同樣遵循傳統(tǒng)晶體管的響應(yīng)曲線。而最高截止頻率和柵極長(zhǎng)度的平方成反比，在柵長(zhǎng)為150nm的時(shí)候達(dá)到26GHz。為了實(shí)現(xiàn)工作在THz頻率范圍的晶體管，就需要進(jìn)一步減小柵長(zhǎng)。
[0006]隨著晶體管柵長(zhǎng)的減小，為了確保器件電場(chǎng)內(nèi)部特性，根據(jù)恒定電場(chǎng)按比例法則，介質(zhì)層厚度必須按照相同比例縮小。當(dāng)前，廣泛使用SiO2作為場(chǎng)效應(yīng)管的柵介質(zhì)。當(dāng)其厚度減小到納米量級(jí)時(shí)，通過(guò)SiO2的漏電流隨厚度減小成指數(shù)增長(zhǎng)，這樣巨大的漏電流嚴(yán)重影響到器件性能，使SiO2不能起到絕緣作用，最終導(dǎo)致SiO2不再適合作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET的柵介質(zhì)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提出一種硅襯底的三氧化二鋁柵介質(zhì)雙柵石墨烯晶體管及制備方法以避免超薄柵介質(zhì)SiO2隧穿導(dǎo)致的漏電流問(wèn)題，并免除在制造晶體管過(guò)程中對(duì)石墨烯的刻蝕過(guò)程，有效地抑制散射效應(yīng)，同時(shí)提高石墨烯晶體管柵極對(duì)溝道載流子濃度的調(diào)制作用。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0009]本發(fā)明硅襯底的三氧化二鋁柵介質(zhì)雙柵石墨烯晶體管，包括:石墨烯溝道4、電極、柵介質(zhì)層5、3C-SiC外延層6、碳化層7和Si襯底8，其特征在于，石墨烯溝道4的兩側(cè)各設(shè)一個(gè)柵電極I，每個(gè)柵電極I與石墨烯溝道4之間各設(shè)有一層Al2O3柵介質(zhì)層5，形成雙柵電極結(jié)構(gòu)。
[0010]本發(fā)明的雙柵石墨烯晶體管制作方法，包括如下步驟:
[0011]I)清洗:對(duì)Si樣片進(jìn)行清洗，以去除表面污染物；
[0012]2)生長(zhǎng)碳化層:將清洗后的Si襯底基片放入化學(xué)氣相淀積CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室抽真空達(dá)到10_7mbar級(jí)別；在H2保護(hù)下，使反應(yīng)室逐步升溫至900-1200°C，通入C3H8氣體，生長(zhǎng)一層碳化層；
[0013]3)外延生長(zhǎng)3C-SiC:對(duì)反應(yīng)室升溫至3C-SiC的生長(zhǎng)溫度1200_135(TC，通入C3H8和SiH4，進(jìn)行3C-SiC薄膜異質(zhì)外延生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間為30-60min，然后在H2保護(hù)下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC薄膜的生長(zhǎng)；
[0014]4)淀積Al2O3:在外延生長(zhǎng)的3C_SiC樣片表面利用原子層淀積ALD方法生長(zhǎng)Al2O3薄膜，作為掩膜和柵介質(zhì)層；
[0015]5)光刻圖形:按照雙柵石墨烯晶體管的源極S、漏極D、導(dǎo)電溝道位置制作成第一張光刻版；在Al2O3薄膜表面旋涂一層光刻膠，再利用第一張光刻版，對(duì)光刻膠進(jìn)行電子束曝光，形成腐蝕窗口 ；使用腐蝕劑對(duì)腐蝕窗口處的Al2O3薄膜進(jìn)行腐蝕，露出SiC，得到與光刻板圖形相同的窗口；
[0016]6)連接裝置并加熱:將開(kāi)窗后的樣片置于石英管中，并連接好由三口燒瓶、水浴鍋、電阻爐和石英管組成的反應(yīng)裝置，用電阻爐對(duì)石英管加熱至750-1150°C ；
[0017]7)反應(yīng)生成碳膜:將裝有0:14液體的三口燒瓶加熱至60-80°C，再向三口燒瓶中通入流速為40-90ml/min的Ar氣,利用Ar氣攜帶CCl4蒸汽進(jìn)入石英管中，使CCl4與裸露的SiC反應(yīng)20-100min，生成碳膜；
[0018]8)退火形成石墨烯:將生成的碳膜樣片置于流速為20-100ml/min的Ar氣中，在溫度為900-1100°C下退火10-20min，使碳膜在窗口位置重構(gòu)成具有結(jié)構(gòu)圖形的石墨烯，即形成了石墨烯晶體管的源極、漏極和導(dǎo)電溝道；
[0019]9)開(kāi)柵槽:將形成的石墨烯樣片上距導(dǎo)電溝道60_400nm處的兩側(cè)Al2O3刻蝕掉，形成雙柵槽；
[0020]10)淀積金屬接觸層:在開(kāi)有柵槽的石墨烯樣片上用電子束蒸發(fā)的方法淀積金屬Pd/Au接觸層；
[0021]11)光刻金屬接觸層:按照雙柵、源、漏金屬電極位置制作第二張光刻版；將濃度為7%的聚甲基丙烯酸甲酯溶液PMMA旋涂于金屬層上，并用200°C烘烤80s，使其與金屬層緊密接觸；利用第二張光刻版，電子束曝光聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，在聚甲基丙烯酸甲酯層上形成用以刻蝕金屬接觸層的掩膜圖形；再以氧氣作為反應(yīng)氣體，使用反應(yīng)離子刻蝕工藝，刻蝕金屬接觸層，形成雙柵石墨烯晶體管的雙柵、源、漏金屬電極；
[0022]12)獲得雙柵石墨烯晶體管:使用丙酮溶液浸泡制作好的樣片IOmin以去除聚甲基丙烯酸甲酯層，取出后烘干，獲得雙柵石墨烯晶體管。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0024]1.本發(fā)明采用的柵介質(zhì)Al2O3由于具有較高的介電常數(shù)，所以石墨烯晶體管的柵介質(zhì)層可以有比較大的物理厚度，從而避免了漏電流問(wèn)題；
[0025]2.本發(fā)明的石墨烯晶體管由于采用雙柵結(jié)構(gòu)，提高了石墨烯晶體管柵極對(duì)溝道載流子濃度的調(diào)制作用；
[0026]3.本發(fā)明的石墨烯晶體管，其石墨烯溝道只存在于結(jié)構(gòu)圖形區(qū)域且完全覆蓋該區(qū)域，故無(wú)需對(duì)石墨烯進(jìn)行刻蝕，保證了石墨烯中的電子遷移率不會(huì)降低，從而有效抑制了散射效應(yīng)；
[0027]4.本發(fā)明由于直接在外延生長(zhǎng)的3C_SiC上生長(zhǎng)石墨烯，在此石墨烯上制作器件時(shí)無(wú)需將石墨烯轉(zhuǎn)移到其他絕緣襯底上，簡(jiǎn)化了工藝，提高了器件可靠性；
[0028]5.本發(fā)明中淀積的Al2O3既可以作為掩膜又可以作為柵介質(zhì)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了制作工藝。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1是本發(fā)明雙柵石墨烯晶體管的俯視圖；
[0030]圖2是本發(fā)明雙柵石墨烯晶體管的截面圖；
[0031]圖3是制備石墨烯的設(shè)備示意圖；
[0032]圖4是本發(fā)明制作雙柵石墨烯晶體管的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明的晶體管包括:柵電極1、源電極2、漏電極3、石墨烯溝道
4、Al2O3柵介質(zhì)層和Al2O3掩膜層5、3C-SiC外延層6、碳化層7和Si襯底8 ;3C_SiC外延層6外延生長(zhǎng)在Si襯底8上的碳化層7的表面；A1203掩膜層淀積在3C-SiC外延層6的硅面上，且刻有用于形成柵電極I的柵槽及用于形成石墨烯溝道4的結(jié)構(gòu)圖形；石墨烯溝道4生成于結(jié)構(gòu)圖形位置所裸露的3C-SiC外延層表面，溝道長(zhǎng)度為40nm-4um，溝道寬度為35-600nm ;源電極2和漏電極3分別設(shè)在石墨烯溝道4的兩端，且置于石墨烯溝道4的上方；石墨烯溝道4的兩側(cè)各有一個(gè)柵電極I，該柵電極I位于Al2O3掩膜層的柵槽中，且每個(gè)柵電極I與石墨烯溝道4之間的間隔為60nm-400nm ;位于每個(gè)柵電極I與石墨烯溝道4之間的Al2O3掩膜層即作為Al2O3柵介質(zhì)層5，形成雙柵電極結(jié)構(gòu)。柵電極1、源電極2和漏電極3采用的接觸金屬均為Pd/Au合金,其厚度分別為Pd=5nm, Au=100nm。
[0034]器件在工作狀態(tài)下，電流在石墨烯溝道4中，沿漏極3向源極2或者沿漏極3向源極2流動(dòng)。柵極I與石墨烯溝道4用Al2O3柵介質(zhì)層5隔開(kāi)，通過(guò)給柵極I施加電壓，調(diào)制石墨烯溝道4中、柵極I對(duì)應(yīng)位置的電子濃度。
[0035]參照?qǐng)D3，本發(fā)明的制備石墨烯設(shè)備主要由三通閥門(mén)3，三口燒瓶8，水浴鍋9，石英管5，電阻爐6組成；三通閥門(mén)3通過(guò)第一通道I與石英管5相連，通過(guò)第二通道2與三口燒瓶8的左側(cè)口相連，而三口燒瓶8的右側(cè)口與石英管5相連，三口燒瓶中裝有CCl4液體，且放置在水浴鍋9中，石英管5放置在電阻爐6中。三通閥門(mén)3設(shè)有進(jìn)氣口 4，用于向設(shè)備內(nèi)通入氣體。
[0036]參照?qǐng)D4，本發(fā)明制作雙柵石墨烯晶體管的方法給出了如下三個(gè)實(shí)施例:
[0037]實(shí)施例1
[0038]步驟1:清洗Si襯底樣片，以去除表面污染物，如圖4 (a)所示。
[0039](1.1)對(duì)Si襯底樣片使用ΝΗ40Η+Η202試劑浸泡樣品lOmin，取出后烘干，以去除樣品表面有機(jī)殘余物；
[0040](1.2)將去除表面有機(jī)殘余物后的Si襯底樣片再使用HC1+H202試劑浸泡樣品lOmin，取出后烘干，以去除離子污染物。
[0041]步驟2:生長(zhǎng)碳化層,如圖4 (b)所示。
[0042]將Si襯底基片放入化學(xué)氣相淀積CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室抽真空達(dá)到10_7mbar級(jí)別；在H2保護(hù)的情況下，將反應(yīng)室溫度升至900°C的碳化溫度，然后向反應(yīng)室通入流量為30SCCm的C3H8，在Si襯底上生長(zhǎng)一層碳化層，生長(zhǎng)時(shí)間為lOmin。
[0043]步驟3:在碳化層上生長(zhǎng)3C_SiC薄膜，如圖4 (C)所示。
[0044]將反應(yīng)室溫度迅速升至1200°C，通入流量為20sccm的SiH4和流量為40sccm的C3H8，進(jìn)行3C-SiC薄膜異質(zhì)外延生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間為30min ;然后在H2保護(hù)下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC薄膜的生長(zhǎng)。
[0045]步驟4:在3C_SiC樣片表面淀積一層Al2O3,如圖4 (d)所示。
[0046](4.1)將SiC樣片放入生長(zhǎng)室，向生長(zhǎng)室中通入流量為IOsccm的N2進(jìn)行2min的吹掃，重復(fù)循環(huán)5次；
[0047](4.2)打開(kāi)溫控器，將生長(zhǎng)室加熱到250°C，氣路加熱到40°C，持續(xù)60min ；
[0048](4.3)向生長(zhǎng)室中通入流量為IOsccm的N2進(jìn)行2min的吹掃，重復(fù)循環(huán)3次。此后，向生長(zhǎng)室持續(xù)通入流量為15SCCm的N2 ；
[0049](4.4)在通入N2的40s后，向腔室依次通入水蒸氣和三甲基鋁完成一個(gè)Al2O3的原子層淀積周期，其中水蒸氣的通入流量為lOsccm，通入時(shí)間為Is ;三甲基鋁的通入流量為5sccm,通入時(shí)間為Is ；
[0050](4.5)重復(fù)步驟(4.4)共3次，完成所需要的Al2O3層的淀積。
[0051]步驟5:在Al2O3薄膜上刻出結(jié)構(gòu)圖形窗口，如圖4 (e)。
[0052](5.1)在Al2O3薄膜上旋涂一層光刻膠；
[0053](5.2)按照雙柵石墨烯晶體管的源極S、漏極D、導(dǎo)電溝道位置制作成光刻版，并用電子束對(duì)光刻版進(jìn)行曝光；；
[0054](5.3)用組分為HF:NH4F:H20=3:6: 10的腐蝕劑對(duì)Al2O3薄膜進(jìn)行腐蝕，將光刻版上圖形轉(zhuǎn)移到Al2O3薄膜上，露出3C-SiC，形成源、漏及溝道圖形窗口，其中腐蝕得到的溝道長(zhǎng)度為40nm,寬度為35nm。
[0055]步驟6:將開(kāi)窗后的樣片裝入石英管，并排氣加熱。
[0056](6.1)將開(kāi)窗后的樣片放入石英管5中，并把石英管置于電阻爐6中，再將CCljf體裝入三口燒瓶8中，并將三口燒瓶放入水浴鍋9中，然后按照?qǐng)D1將石英管與三口燒瓶進(jìn)行連接；
[0057](6.2)從三通閥門(mén)3的進(jìn)氣口 4通入流速為80ml/min的Ar氣，并利用三通閥門(mén)3控制Ar氣從第一通道I進(jìn)入對(duì)石英管進(jìn)行排空30min，使石英管內(nèi)的空氣從出氣口 7排出；
[0058](6.3)打開(kāi)電阻爐電源開(kāi)關(guān)，對(duì)石英管加熱至750°C。
[0059]步驟7:生長(zhǎng)碳膜,如圖4 (f )o
[0060](7.1)打開(kāi)水浴鍋9的電源，將裝有CCl4液體的三口燒瓶8加熱至60°C ；
[0061](7.2)當(dāng)電阻爐達(dá)到設(shè)定的750°C后，旋轉(zhuǎn)三通閥門(mén)，使流速為40ml/min的Ar氣從第二通道2流入三口燒瓶，并攜帶CCl4蒸汽進(jìn)入石英管，使氣態(tài)CCl4與裸露的3C-SiC在石英管中反應(yīng)20min，生成碳膜。
[0062]步驟8:退火形成石墨烯,如圖4 (g)。
[0063]將生成的碳膜樣片置于流速為20ml/min的Ar氣中，在溫度為900°C下退火20min，使碳膜在窗口位置重構(gòu)成石墨烯，即形成了石墨烯晶體管的源極、漏極和導(dǎo)電溝道。
[0064]步驟9:開(kāi)柵槽，如圖4 (h)所示。
[0065]將形成的石墨烯晶體管樣片上距導(dǎo)電溝道60nm處的兩側(cè)Al2O3刻蝕掉，形成雙柵槽。
[0066]步驟10:淀積金屬接觸層,如圖4 (i)所示。
[0067](8.1)將石墨烯晶體管樣片放入電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)中的載玻片上，調(diào)整載玻片到靶材的距離為50cm，并將反應(yīng)室壓強(qiáng)抽至5 X 10_4Pa，調(diào)節(jié)束流為40mA，淀積一層厚度為5nm的金屬Pd ；
[0068](8.2)再利用電子束蒸發(fā)的方法淀積厚度為IOOnm的金屬Au。
[0069]步驟11:光刻形成金屬接觸，如圖4 (j)。
[0070](9.1)在金屬層上旋涂濃度為7%的聚甲基丙烯酸甲酯溶液，并放入烘箱中，在180°C下烘烤60s ；
[0071](9.2)按照雙柵、源、漏金屬電極位置制作成光刻版，用電子束對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯層曝光；
[0072](9.3)再利用反應(yīng)離子工藝刻蝕金屬層，反應(yīng)氣體采用氧氣，得到雙柵石墨烯晶體管的雙柵、源、漏金屬電極；
[0073]步驟12:使用丙酮溶液浸泡制作好的樣品lOmin，去除聚甲基丙烯酸甲酯層，取出后供干，獲得雙棚石墨稀晶體管。
[0074]實(shí)施例2
[0075]步驟一:與實(shí)施例1的步驟I相同。
[0076]步驟二:Si襯底上生長(zhǎng)碳化層，如圖4 (b)。
[0077]將Si襯底基片放入化學(xué)氣相淀積CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室抽真空達(dá)到10_7mbar級(jí)別；在H2保護(hù)的情況下，將反應(yīng)室溫度升至碳化溫度1100°C，然后向反應(yīng)室通入流量為30SCCm的C3H8，在Si襯底上生長(zhǎng)一層碳化層，生長(zhǎng)時(shí)間為6min。
[0078]步驟三:外延生長(zhǎng)3C_SiC薄膜，如圖4 (C)。
[0079]將反應(yīng)室溫度迅速升至生長(zhǎng)溫度1300°C，通入流量分別為30sccm和60sccm的SiH4和C3H8,進(jìn)行3C-SiC薄膜異質(zhì)外延生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間為45min ;然后在H2保護(hù)下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC薄膜的生長(zhǎng)。
[0080]步驟四:在3C_SiC樣片表面淀積一層Al2O3,如圖4 (d)。
[0081]首先，將3C_SiC樣片放入生長(zhǎng)室，向生長(zhǎng)室中通入流量為IOsccm的N2進(jìn)行2min的吹掃，重復(fù)循環(huán)5次；打開(kāi)溫控器，將生長(zhǎng)室加熱到250°C，氣路加熱到40°C，持續(xù)60min ；
[0082]然后，向生長(zhǎng)室中通入流量為IOsccm的N2進(jìn)行2min的吹掃，重復(fù)循環(huán)3次；然后保持向生長(zhǎng)室通入流量為15SCCm的N2 ；
[0083]接著，在通入N2的40s后，向腔室依次通入水蒸氣和三甲基鋁，其工藝條件是:水蒸氣的通入流量為IOsccm,通入時(shí)間為Is ;三甲基招的通入流量為5sccm,通入時(shí)間為Is ；此時(shí)，Al2O3的一個(gè)原子層淀積ALD周期完成；
[0084]接著，重復(fù)5個(gè)Al2O3的原子層淀積ALD周期，完成所需要的Al2O3層的淀積。
[0085]步驟五:在Al2O3薄膜上刻出結(jié)構(gòu)圖形窗口，如圖4 (e)。
[0086]在Al2O3薄膜上旋涂一層光刻膠；按照石墨烯晶體管的源極S、漏極D、導(dǎo)電溝道位置制作成光刻版，用電子束曝光；接著用組分為HF:NH4F:H20=3:6:10的腐蝕劑對(duì)Al2O3薄膜進(jìn)行腐蝕，將光刻版上圖形轉(zhuǎn)移到Al2O3薄膜上，露出3C-SiC，形成源、漏及溝道圖形窗口，其中腐蝕得到的溝道長(zhǎng)度為2um，寬度為350nm。
[0087]步驟六:與實(shí)施例1中的步驟6相同。
[0088]步驟七:生長(zhǎng)碳膜，如圖4 ( f )。
[0089]打開(kāi)水浴鍋9電源，將裝有CCl4液體的三口燒瓶8加熱至80°C ;當(dāng)電阻爐達(dá)到設(shè)定的750°C后，旋轉(zhuǎn)三通閥門(mén)，使流速為40ml/min的Ar氣從第二通道2流入三口燒瓶，并攜帶CCl4蒸汽進(jìn)入石英管，使氣態(tài)CCl4與裸露的3C-SiC在石英管中反應(yīng)lOOmin，生成碳膜。
[0090]步驟八:退火形成石墨烯,如圖4 (g)。
[0091]將生成的碳膜樣片置于流速為20ml/min的Ar氣中，在溫度為1100°C下退火lOmin，使碳膜在窗口位置重構(gòu)成石墨烯，即形成了石墨烯晶體管的源極、漏極和導(dǎo)電溝道。
[0092]步驟九:開(kāi)柵槽，如圖4 (h)。
[0093]將形成的石墨烯晶體管樣片上距導(dǎo)電溝道200nm處的兩側(cè)Al2O3刻蝕掉，形成雙柵槽。
[0094]步驟十:與實(shí)施例1的步驟10相同。
[0095]步驟^^一:與實(shí)施例1的步驟11相同。
[0096]步驟十二:與實(shí)施例1的步驟12相同。
[0097]實(shí)施例3
[0098]步驟A:與實(shí)施例1的步驟I相同。
[0099]步驟B:將Si襯底基片放入化學(xué)氣相淀積CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室抽真空達(dá)到10_7mbar級(jí)別；在H2保護(hù)的情況下，將反應(yīng)室溫度升至1200°C，然后向反應(yīng)室通入流量為30sccm的C3H8,在Si襯底上生長(zhǎng)一層碳化層，生長(zhǎng)時(shí)間為4min,生成的碳化層如圖4 (b)所示。
[0100]步驟C:將反應(yīng)室溫度迅速升至1350°c，通入流量分別為35sccm和70sccm的SiH4和C3H8,進(jìn)行3C-SiC薄膜異質(zhì)外延生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間為60min ;然后在H2保護(hù)下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC薄膜的生長(zhǎng)，生成的3C-SiC薄膜如圖4 (c)所示。
[0101]步驟D:在3C_SiC樣片表面淀積一層Al2O3,即先將3C_SiC樣片放入生長(zhǎng)室，向生長(zhǎng)室中通入流量為IOsccm的N2進(jìn)行2min的吹掃，重復(fù)循環(huán)5次；打開(kāi)溫控器，將生長(zhǎng)室加熱到250°C，氣路加熱到40°C，持續(xù)60min ;再向生長(zhǎng)室中通入流量為IOsccm的N2進(jìn)行2min的吹掃，重復(fù)循環(huán)3次；然后保持向生長(zhǎng)室通入流量為15SCCm的N2 ;接著，在通入N2的40s后，向腔室依次通入水蒸氣和三甲基鋁，其工藝條件是:水蒸氣的通入流量為lOsccm，通入時(shí)間為Is ;三甲基招的通入流量為5sccm,通入時(shí)間為Is,完成Al2O3—個(gè)周期的原子層淀積ALD ;接著，重復(fù)7個(gè)Al2O3的原子層淀積ALD的周期，完成所需要的Al2O3層的淀積，如圖4⑷。
[0102]步驟E:在Al2O3薄膜上旋涂一層光刻膠，按照石墨烯晶體管的源極S、漏極D、導(dǎo)電溝道位置制作成光刻版，并用電子束對(duì)光刻版進(jìn)行曝光；接著用組分為HF:NH4F:H20=3:6:10的腐蝕劑對(duì)Al2O3薄膜進(jìn)行腐蝕，將光刻版上圖形轉(zhuǎn)移到Al2O3薄膜上，露出3C-SiC，形成源、漏及溝道圖形窗口，其中腐蝕得到的溝道長(zhǎng)度為4um，寬度為600nm，完成在Al2O3薄I旲上刻出結(jié)構(gòu)圖形窗口，如圖4 Ce)所不。
[0103]步驟F:與實(shí)施例1的步驟6相同。
[0104]步驟G:打開(kāi)水浴鍋9電源，將裝有CCl4液體的三口燒瓶8加熱至80°C;當(dāng)電阻爐達(dá)到設(shè)定的750°C后，旋轉(zhuǎn)三通閥門(mén)，使流速為70ml/min的Ar氣從第二通道2流入三口燒瓶，并攜帶CCl4蒸汽進(jìn)入石英管，使氣態(tài)CCl4與裸露的3C-SiC在石英管中反應(yīng)60min，生成碳膜，如圖4 (e)。
[0105]步驟H:將生成的碳膜樣片置于流速為20ml/min的Ar氣中，在溫度為1000°C下退火15min，使碳膜在窗口位置重構(gòu)成石墨烯，即形成了石墨烯晶體管的源極、漏極和導(dǎo)電溝道，如圖4 (f)0
[0106]步驟1:將形成的石墨烯晶體管樣片上距導(dǎo)電溝道400nm處的兩側(cè)Al2O3刻蝕掉，形成雙柵槽，如圖4 (g)。
[0107]步驟J:與實(shí)施例1的步驟10相同。
[0108]步驟K:與實(shí)施例1的步驟11相同。
[0109]步驟L:與實(shí)施例1的步驟12相同。
【權(quán)利要求】
1.一種硅襯底的三氧化二鋁柵介質(zhì)雙柵石墨烯晶體管，包括:石墨烯溝道(4)、電極、柵介質(zhì)層(5)、3C-SiC外延層(6)、碳化層(7)和Si襯底(8)，其特征在于，石墨烯溝道(4)的兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)柵電極(I )，每個(gè)柵電極(I)與石墨烯溝道(4)之間各設(shè)有一層Al2O3柵介質(zhì)層(5)，形成雙柵電極結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于每個(gè)柵電極(I)與石墨烯溝道(4)之間的間隔為60-400nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于石墨烯溝道(4)的長(zhǎng)度為40nm-4um，寬度為 35_600nm。
4.一種硅襯底的三氧化二鋁柵介質(zhì)雙柵石墨烯晶體管的制備方法，包括以下步驟: 1)清洗:對(duì)Si樣片進(jìn)行清洗，以去除表面污染物； 2)生長(zhǎng)碳化層:將清洗后的Si襯底基片放入化學(xué)氣相淀積CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室抽真空達(dá)到10_7mbar級(jí)別；在H2保護(hù)下，使反應(yīng)室逐步升溫至900-1200°C，通入C3H8氣體，生長(zhǎng)一層碳化層； 3)外延生長(zhǎng)3C-SiC:對(duì)反應(yīng)室升溫至3C-SiC的生長(zhǎng)溫度1200-1350°C，通入C3H8和SiH4，進(jìn)行3C-SiC薄膜異質(zhì)外延生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間為30-60min，然后在H2保護(hù)下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC薄膜的生長(zhǎng)； 4)淀積Al2O3:在外延 生長(zhǎng)的3C-SiC樣片表面利用原子層淀積ALD方法生長(zhǎng)Al2O3薄膜，作為掩膜和柵介質(zhì)層； 5)光刻圖形:按照雙柵石墨烯晶體管的源極S、漏極D、導(dǎo)電溝道位置制作成第一張光刻版；在Al2O3薄膜表面旋涂一層光刻膠，再利用第一張光刻版，對(duì)光刻膠進(jìn)行電子束曝光，形成腐蝕窗口 ；使用腐蝕劑對(duì)腐蝕窗口處的Al2O3薄膜進(jìn)行腐蝕，露出SiC，得到與光刻板圖形相同的窗口； 6)連接裝置并加熱:將開(kāi)窗后的樣片置于石英管中，并連接好由三口燒瓶、水浴鍋、電阻爐和石英管組成的反應(yīng)裝置，用電阻爐對(duì)石英管加熱至750-1150°C ； 7)反應(yīng)生成碳膜:將裝有CCl4液體的三口燒瓶加熱至60-80°C，再向三口燒瓶中通入流速為40-90ml/min的Ar氣，利用Ar氣攜帶CCl4蒸汽進(jìn)入石英管中，使CCl4與裸露的SiC反應(yīng)20-100min，生成碳膜； 8)退火形成石墨烯:將生成的碳膜樣片置于流速為20-100ml/min的Ar氣中，在溫度為900-1100°C下退火10-20min，使碳膜在窗口位置重構(gòu)成具有結(jié)構(gòu)圖形的石墨烯，即形成了石墨烯晶體管的源極、漏極和導(dǎo)電溝道； 9)開(kāi)柵槽:將形成的石墨烯樣片上距導(dǎo)電溝道60-400nm處的兩側(cè)Al2O3刻蝕掉，形成雙柵槽； 10)淀積金屬接觸層:在開(kāi)有柵槽的石墨烯樣片上用電子束蒸發(fā)的方法淀積金屬Pd/Au接觸層； 11)光刻金屬接觸層:按照雙柵、源、漏金屬電極位置制作第二張光刻版；將濃度為7%的聚甲基丙烯酸甲酯溶液PMMA旋涂于金屬層上，并用200°C烘烤80s，使其與金屬層緊密接觸；利用第二張光刻版，電子束曝光聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，在聚甲基丙烯酸甲酯層上形成用以刻蝕金屬接觸層的掩膜圖形；再以氧氣作為反應(yīng)氣體，使用反應(yīng)離子刻蝕工藝，刻蝕金屬接觸層，形成雙柵石墨烯晶體管的雙柵、源、漏金屬電極；12)獲得雙柵石墨烯晶體管:使用丙酮溶液浸泡制作好的樣片IOmin以去除聚甲基丙烯酸甲酯層，取出后烘干，獲得雙柵石墨烯晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟I)對(duì)Si樣片進(jìn)行清洗，按如下步驟進(jìn)行: Ia)使用ΝΗ40Η+Η202試劑浸泡Si樣片lOmin，取出后烘干，以去除樣片表面有機(jī)殘余物； Ib)使用HC1+H202試劑浸泡樣片lOmin，取出后烘干，以去除離子污染物。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟4)中Al2O3薄膜的生長(zhǎng)，其工藝步驟如下: 2a)將SiC樣片放入生長(zhǎng)室，向生長(zhǎng)室中通入流量為IOsccm的N2進(jìn)行2min的吹掃，重復(fù)循環(huán)5次； 2b)打開(kāi)溫控器，將生長(zhǎng)室加熱到250°C，氣路加熱到40°C，持續(xù)60min ； 2c)向生長(zhǎng)室中通入流量為IOsccm的N2進(jìn)行2min的吹掃，重復(fù)循環(huán)3次； 2d)向生長(zhǎng)室保持通入流量為15SCCm的N2 ； 2e)在通入N2的40s后，向腔室依次通入水蒸氣和三甲基鋁完成一個(gè)Al2O3的原子層淀積周期。其中水蒸氣的 通入流量為lOsccm，通入時(shí)間為Is ;三甲基鋁的通入流量為5Sccm，通入時(shí)間為Is ； 2f)重復(fù)步驟2e)，直到所需要的Al2O3層全部淀積。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于步驟5)所述的使用腐蝕劑對(duì)腐蝕窗口處的Al2O3薄膜進(jìn)行腐蝕，其中腐蝕劑的配比關(guān)系是:HF:NH4F:H20=3:6:10，腐蝕速率為lOnm/s。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于步驟10)所述的電子束蒸發(fā)淀積，其工藝條件是:基底到靶材的距離為50cm，反應(yīng)室壓強(qiáng)為5X 10_4Pa，束流為40mA。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟10)的金屬Pd/Au層，其厚度分別為 Pd=5nm, Au=100nm。
【文檔編號(hào)】H01L29/51GK103811556SQ201410060321
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月21日
【發(fā)明者】郭輝, 趙亞秋, 張玉明, 黃海栗, 雷天民, 胡彥飛 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)