凹槽結(jié)構(gòu)的懸空石墨烯溝道晶體管的制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明為一種凹槽結(jié)構(gòu)的懸空石墨烯溝道晶體管的制備方法，解決了石墨烯溝道與襯底和柵介質(zhì)層直接接觸帶來(lái)的性能降低的問(wèn)題。本發(fā)明方法在襯底上形成凹槽結(jié)構(gòu)，在凹槽底部制作柵電極和柵介質(zhì)，然后轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜至襯底上以覆蓋凹槽，且在石墨烯薄膜兩側(cè)制作源、漏極，石墨烯薄膜和柵介質(zhì)之間形成懸空的石墨烯溝道，避免了石墨烯溝道與襯底、柵介質(zhì)直接接觸。通過(guò)懸空的石墨烯溝道，避免襯底和柵介質(zhì)層對(duì)石墨烯基本特性的影響，進(jìn)一步提高了石墨烯晶體管的性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】凹槽結(jié)構(gòu)的懸空石墨烯溝道晶體管的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及晶體管加工制備技術(shù)，具體是一種凹槽結(jié)構(gòu)的懸空石墨烯溝道晶體管的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯(Graphene)，又稱(chēng)單層石墨，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯是目前世界上公認(rèn)的最薄也是最堅(jiān)硬的納米級(jí)材料，幾乎透明，導(dǎo)熱系數(shù)高，高于納米碳管和金剛石，室溫下，石墨烯的電子傳遞速度比任何已知導(dǎo)體都快，而電阻率比銅或銀更低。由于以上突出的特性，石墨烯是未來(lái)電氣電子航空航天領(lǐng)域的新一代突破性材料。
[0003]在現(xiàn)代通信領(lǐng)域，面臨以下難題:電子設(shè)備體積龐大，重量重，能耗高，運(yùn)行速度慢，發(fā)熱量高，抗干擾能力差等。隨著電子科學(xué)的發(fā)展以及人們需求的不斷提升，硅系材料的缺點(diǎn)也不斷涌現(xiàn)出來(lái)，電子傳導(dǎo)慢，發(fā)熱量大，體積大，直接制約著現(xiàn)代電子領(lǐng)域的發(fā)展。由于石墨烯奇特的電學(xué)性質(zhì)，使得它具有較高的載流子遷移率等。在不久的將來(lái)石墨烯將代替硅材料，成為下一代半導(dǎo)體材料。2011年4月，IBM公司展示了其研究的截止頻率為155GHz的石墨烯晶體管，這是IBM迄今為止生產(chǎn)的最小的晶體管，選通脈沖寬度降到了 40納米。日本東北大學(xué)宣布，其研究人員畠山力三教授及其助教加藤俊顯開(kāi)發(fā)出了溝道層使用新型碳材料——石墨烯晶體管，導(dǎo)通/截止比達(dá)到IO4以上。常溫下其電子遷移率超過(guò)15000 cm2/ (V.s),但是由于襯底和沉積在石墨烯上的柵介質(zhì)層的影響,現(xiàn)在制備的石墨烯晶體管其電子遷移率遠(yuǎn)低于該值，限制了石墨烯晶體管的各項(xiàng)性能的進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了提供一種凹槽結(jié)構(gòu)的懸空石墨烯溝道晶體管的制備方法，以解決石墨烯溝道與襯底和柵介質(zhì)層直接接觸帶來(lái)的性能降低的問(wèn)題。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種凹槽結(jié)構(gòu)的懸空石墨烯溝道晶體管的制備方法，包括如下步驟:
1)取襯底，在襯底上表面刻蝕有凹槽(通過(guò)光刻、干法刻蝕、濕法腐蝕等工藝，這些工藝都是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知并能夠?qū)崿F(xiàn)的)，凹槽個(gè)數(shù)為單個(gè)或者多個(gè)，當(dāng)凹槽個(gè)數(shù)為多個(gè)時(shí)，相鄰兩個(gè)凹槽的間距為5nm-5um，并且在多個(gè)凹槽的同一端還刻蝕有一個(gè)將多個(gè)凹槽連通的連通槽；其中，所述的襯底材料為Si02、Si02/S1、石英或塑料；
2)在襯底上的凹槽槽底和連通槽槽底淀積一層導(dǎo)電材料作為柵電極，在凹槽槽底的柵電極上再淀積一層?xùn)沤橘|(zhì)；其中，所述的導(dǎo)電材料為金屬、半導(dǎo)體或聚合物材料(如聚苯胺、聚吡咯、TTF-TCNQ、TTF-TNAF等聚合物材料)，所述的柵介質(zhì)為SiO2、Si3N4、Ta205、Pr2O3、HfO2、Al2O3 或 ZrO2 ；
3)在襯底上表面轉(zhuǎn)移一層完全覆蓋凹槽的石墨烯薄膜(石墨烯材料可以是機(jī)械剝離、CVD或熱分解等方法制備，這些方法都是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知并能夠?qū)崿F(xiàn)的，例如:將生長(zhǎng)在銅箔上或者其他襯底上的石墨烯薄膜表面涂覆一層PMMA即聚甲基丙烯酸甲酯，通過(guò)化學(xué)腐蝕去除襯底材料，然后將附在PMMA上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到具有凹槽結(jié)構(gòu)的襯底上，通過(guò)有機(jī)清洗去除PMMA)，凹槽內(nèi)的柵介質(zhì)和石墨烯薄膜之間有空氣間隔(即石墨烯溝道是懸空在柵極上面的，未與襯底或柵介質(zhì)層直接接觸)；
4)在石墨烯薄膜上位于凹槽兩側(cè)的位置各淀積一層導(dǎo)電材料，一側(cè)作為源極、另一側(cè)作為漏極；其中，所述的導(dǎo)電材料為金屬、半導(dǎo)體或聚合物材料。
[0006]進(jìn)一步地，凹槽的寬度小于2um、深度為50nm~100 μ m，柵電極層厚度為30nm~30 μ m,柵介質(zhì)厚度為1nm~20 μ m,這些尺寸設(shè)置都是工藝上可以實(shí)現(xiàn)的參數(shù)范圍，理論上柵介質(zhì)越薄越好，但是過(guò)薄會(huì)容易擊穿，所以通過(guò)不斷試驗(yàn)得到柵介質(zhì)厚度為1nm~20μm為宜。所述的石墨烯薄膜為單層或多層，單層石墨烯薄膜的電場(chǎng)調(diào)制效果最好，但是多層也可以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)整，現(xiàn)在由于石墨烯薄膜制備工藝不成熟，多數(shù)石墨烯材料都是多層。。
[0007]本發(fā)明通過(guò)在襯底上制備凹槽結(jié)構(gòu)使石墨烯導(dǎo)電溝道與襯底之間分離，避免了石墨烯薄膜與襯底直接接觸導(dǎo)致的電學(xué)特性降低，進(jìn)一步提高石墨烯晶體管的特征頻率。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為一個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)(單柵凹槽結(jié)構(gòu))的本發(fā)明晶體管制作步驟I)的示意圖。
[0009]圖2為一個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)(單柵凹槽結(jié)構(gòu))的本發(fā)明晶體管制作步驟2)的示意圖。
[0010]圖3為一個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)(單柵凹槽結(jié)構(gòu))的本發(fā)明晶體管制作步驟3)的示意圖。
[0011]圖4為一個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)(單柵凹槽結(jié)構(gòu))的本發(fā)明晶體管制作步驟4)的示意圖。
[0012]圖5為兩個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)(雙柵凹槽結(jié)構(gòu))的本發(fā)明晶體管制作步驟I)的示意圖。
[0013]圖6為兩個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)(雙柵凹槽結(jié)構(gòu))的本發(fā)明晶體管制作步驟2)的示意圖。
[0014]圖7為兩個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)(雙柵凹槽結(jié)構(gòu))的本發(fā)明晶體管制作步驟3)的示意圖。
[0015]圖8為兩個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)(雙柵凹槽結(jié)構(gòu))的本發(fā)明晶體管制作步驟4)的示意圖。
[0016]圖中:101-襯底、102-凹槽、103-柵電極、104-柵介質(zhì)、105-石墨烯薄膜、106-源極、107-漏極、108-連通槽。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
一種凹槽結(jié)構(gòu)的懸空石墨烯溝道晶體管的制備方法，包括如下步驟:
1)取襯底，在襯底上表面刻蝕有凹槽，凹槽個(gè)數(shù)為單個(gè)或者多個(gè)，當(dāng)凹槽個(gè)數(shù)為多個(gè)時(shí)，相鄰兩個(gè)凹槽的間距為5nm-5um，并且在多個(gè)凹槽的同一端還刻蝕有一個(gè)將多個(gè)凹槽連通的連通槽；其中，所述的襯底材料為Si02、Si02/S1、石英或塑料；
2)在襯底上的凹槽槽底和連通槽槽底淀積一層導(dǎo)電材料作為柵電極，在凹槽槽底的柵電極上再淀積一層?xùn)沤橘|(zhì)；其中，所述的導(dǎo)電材料為金屬、半導(dǎo)體或聚合物材料，所述的柵介質(zhì)為 Si02、Si3N4' Ta2O5' Pr2O3> HfO2' Al2O3 或 ZrO2 ；
3)在襯底上表面轉(zhuǎn)移一層完全覆蓋凹槽的石墨烯薄膜，凹槽內(nèi)的柵介質(zhì)和石墨烯薄膜之間有空氣間隔；
4)在石墨烯薄膜上位于凹槽兩側(cè)的位置各淀積一層導(dǎo)電材料，一側(cè)作為源極、另一側(cè)作為漏極；其中，所述的導(dǎo)電材料為金屬、半導(dǎo)體或聚合物材料。
[0018]具體實(shí)施時(shí)，凹槽102的寬度小于2um、深度為50ηm-?00 μ m，柵電極103層厚度為30ηm-30 μ m,柵介質(zhì)104層厚度為1ηm-20 μ m。石墨烯薄膜105可選擇單層或多層。
[0019]以下列舉兩個(gè)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地說(shuō)明，下列實(shí)施例只是說(shuō)明性的，并不對(duì)本發(fā)明做任何的限定:
實(shí)施例1
一種凹槽結(jié)構(gòu)的懸空石墨烯溝道晶體管的制備方法，包括如下步驟:1)取Si02襯底，在Si02襯底上表面通過(guò)光刻形成一個(gè)直線型的凹槽，凹槽的寬度為50nm、深度為200nm、長(zhǎng)度為50 μ m ;2)在Si02襯底上的凹槽槽底淀積一層導(dǎo)電材料Cr/Au作為柵電極，該導(dǎo)電材料Cr/Au包括下層厚IOnm的Cr和上層厚80nm的Au，其中Cr層為緩沖層，在柵電極上再沉積一層?xùn)沤橘|(zhì)，柵介質(zhì)為厚5nm的A1203層；3)在Si02襯底上表面通過(guò)CVD方法轉(zhuǎn)移一層完全覆蓋凹槽的石墨烯薄膜，通過(guò)刻蝕把多余的石墨烯薄膜去掉，凹槽內(nèi)的柵介質(zhì)和石墨烯薄膜之間有空氣間隔；4)在石墨烯薄膜上位于凹槽兩側(cè)的位置各淀積一層導(dǎo)電材料Cr/Au，一側(cè)作為源極、另一側(cè)作為漏極，其中，該導(dǎo)電材料Cr/Au包括下層厚IOnm的Cr和上層厚80nm的Au，其中Cr層為緩沖層。這樣單柵凹槽結(jié)構(gòu)的石墨烯晶體管便形成了，如圖1至圖4。
[0020]實(shí)施例2
一種凹槽結(jié)構(gòu)的懸空石墨烯溝道晶體管的制備方法，包括如下步驟:1)取石英襯底，在石英襯底上表面通過(guò)干法刻蝕形成兩個(gè)直線型的凹槽(雙柵凹槽結(jié)構(gòu))，凹槽的寬度為30nm、深度為200nm、長(zhǎng)度為80 μ m，兩個(gè)直線型的凹槽的同一端通過(guò)干法刻蝕形成一個(gè)連通兩個(gè)凹槽的連通槽；2)在石英襯底上的凹槽槽底和連通槽槽底淀積一層導(dǎo)電材料Ti/Au作為柵電極，該導(dǎo)電材料Ti/Au包括下層厚15nm的Ti和上層厚85nm的Au，其中Ti層為緩沖層，在柵電極上再沉積一層?xùn)沤橘|(zhì)，柵介質(zhì)為厚5nm的Ta2O5層；3)在石英襯底上表面通過(guò)機(jī)械剝離轉(zhuǎn)移兩層完全覆蓋凹槽的石墨烯薄膜，凹槽內(nèi)的柵介質(zhì)和石墨烯薄膜之間有空氣間隔；4)在石墨烯薄膜上位于凹槽兩側(cè)的位置各淀積一層導(dǎo)電材料Cr/Au，一側(cè)作為源極、另一側(cè)作為漏極，其中，該導(dǎo)電材料Cr/Au包括下層厚15nm的Cr和上層厚85nm的Au，其中Cr層為緩沖層。這樣雙柵凹槽結(jié)構(gòu)的石墨烯晶體管便形成了，如圖5至圖8。
【權(quán)利要求】
1.一種凹槽結(jié)構(gòu)的懸空石墨烯溝道晶體管的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)取襯底(101)，在襯底(101)上表面刻蝕有凹槽(102)，凹槽(102)個(gè)數(shù)為單個(gè)或者多個(gè)，當(dāng)凹槽(102)個(gè)數(shù)為多個(gè)時(shí)，相鄰兩個(gè)凹槽(102)的間距為5nm-5um，并且在多個(gè)凹槽(102)的同一端還刻蝕有一個(gè)將多個(gè)凹槽連通的連通槽(108);其中，所述的襯底(101)材料為Si02、Si02/S1、石英或塑料； 2)在襯底(101)上的凹槽(102)槽底和連通槽(108)槽底淀積一層導(dǎo)電材料作為柵電極(103)，在凹槽(102)槽底的柵電極(103)上再淀積一層?xùn)沤橘|(zhì)(104);其中，所述的導(dǎo)電材料為金屬、半導(dǎo)體或聚合物材料，所述的柵介質(zhì)(104)為Si02、Si3N4, Ta2O5, Pr203、HfO2,Al2O3 或 ZrO2 ； 3)在襯底(101)上表面轉(zhuǎn)移一層完全覆蓋凹槽(102)的石墨烯薄膜(105)，凹槽(102)內(nèi)的柵介質(zhì)(104)和石墨烯薄膜(105)之間有空氣間隔； 4)在石墨烯薄膜(105)上位于凹槽(102)兩側(cè)的位置各淀積一層導(dǎo)電材料，一側(cè)作為源極(106)、另一側(cè)作為漏極(107);其中，所述的導(dǎo)電材料為金屬、半導(dǎo)體或聚合物材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凹槽結(jié)構(gòu)的懸空石墨烯溝道晶體管的制備方法，其特征在于:凹槽(102)的寬度小于2um、深度為50nm-100μm，柵電極(103)層厚度為30nm-30 μ m，柵介質(zhì)(104)層厚度為1nm-20 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的凹槽結(jié)構(gòu)的懸空石墨烯溝道晶體管的制備方法，其特征在于:所述的石墨烯薄膜(105)為單層或多層。
【文檔編號(hào)】H01L21/336GK103594378SQ201310593276
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月23日
【發(fā)明者】張文棟, 薛晨陽(yáng), 王永存, 熊繼軍, 劉俊, 劉耀英, 高立波, 王永華 申請(qǐng)人:中北大學(xué)