基于自對準埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于自對準埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管制造方法，在高阻襯底上制備源、漏電極，用平板印刷術(shù)制備自對準區(qū)，以薄層金屬將源、漏電極連接起來，之后在自對準區(qū)中用平板印刷術(shù)制備出柵電極圖形，并將自對準區(qū)中連接源漏電極的金屬從光刻柵圖形下腐蝕隔開，實現(xiàn)自對準，同一光刻圖形下生長柵電極、柵介質(zhì)完成埋柵結(jié)構(gòu)，最后將二維材料轉(zhuǎn)移至以上準備的基片上，制備出自對準埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管。優(yōu)點：該設(shè)計方法形成的自對準結(jié)構(gòu)，有利于減小源漏之間的寄生電阻。同時為了減弱溝道區(qū)受到襯底和柵介質(zhì)的散射，將柵極做在二維材料導(dǎo)電溝道下方，也避免了頂柵制備時對二維材料的損傷，從而提升二維材料場效應(yīng)晶體管的性能。
【專利說明】基于自對準埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種基于自對準技術(shù)埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管的制造方法，屬于微電子【技術(shù)領(lǐng)域】。
技術(shù)背景
[0002]石墨烯的出現(xiàn)，打破了 “二維材料不能在室溫下穩(wěn)定存在”的理論預(yù)研，隨后因其優(yōu)異的物理化學性能在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注，在全球掀起了二維材料的研究熱潮，之后MoS2, WS2，WSe2, BN等二維材料也相繼出現(xiàn)。全新的二維材料進入電子領(lǐng)域的時間不長，取得的成果卻相當顯著。如石墨烯具有高電子遷移率、高電子飽和速度和高熱導(dǎo)率等優(yōu)良特性，在毫米波、亞毫米波乃至太赫茲器件、超級計算機等方面具有廣闊應(yīng)用前景?；诙S材料的超高速、超低噪聲、超低功耗場效應(yīng)晶體管及其集成電路，有望突破當前電子器件的高成本、低分辨率及高功耗的瓶頸，為開發(fā)更高性能電子器件提供新的思路和方案。開發(fā)二維材料電學性能的研究以二維材料的場效應(yīng)晶體管的研制為主，就現(xiàn)狀而言，二維材料晶體管的電學性能主要受兩個因素的制約:(1)散射問題。二維材料由單層碳原子構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)，因而同傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比更易受到與之接觸的材料對它的散射而影響其電學性能。對于常規(guī)的頂柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管，導(dǎo)電溝道處于襯底和柵介質(zhì)之間，受到散射也較大，影響了二維材料的電學性能；(2)寄生問題。二維材料晶體管的有源區(qū)在柵的正下方，而柵電極和源(漏)電極之間的未覆蓋的區(qū)域則會產(chǎn)生寄生電阻，影響晶體管的電學性能，因而為優(yōu)化二維材料晶體管的性能，在確保穩(wěn)定隔離的同時減小柵電極和源(漏)電極的間距是一個關(guān)鍵。
[0003]在國際上，減弱散射的代表性方法有選擇極性較弱的襯底以及埋柵結(jié)構(gòu)。襯底選擇上如IBM的Yanqing Wu等以類金剛石材料為襯底獲得了高性能的石墨烯FET器件(State-of-the-Art Graphene High-Frequency Electronics, Nano Lett., 2012, 12,3062-3067)。然而，類金剛石價格昂貴，并且面積太小，不符合石墨烯的工程化需求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上Jongho Lee等人研制了埋柵結(jié)構(gòu)石墨烯器件(Embedded-gate graphenetransistors for high-mobility detachable flexible nanoelectronics., App1.Phys.Lett., 2012, 100, 152104)。目前尚未見到將埋柵結(jié)構(gòu)和自對準技術(shù)結(jié)合在一起來實現(xiàn)二維材料晶體管的設(shè)計發(fā)明報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出的是一種基于自對準技術(shù)埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管的制造方法，其目的是針對現(xiàn)有工藝設(shè)計不能很好的解決二維材料制作場效應(yīng)晶體管時遇到的散射及寄生電阻大的問題，本設(shè)計可兼容于傳統(tǒng)平面加工工藝，減小二維材料應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管時普遍存在的散射以及寄生電阻，利于器件電學性能的優(yōu)化。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種基于自對準技術(shù)埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管制造方法，其特征在于將自對準技術(shù)同埋柵結(jié)構(gòu)融合在一起，具體制作步驟如下: 1)在絕緣襯底上以平面光刻顯影技術(shù)制備出場效應(yīng)晶體管的源極、漏極、柵極圖形，金屬生長后輔以溶膠剝離工藝制備場效應(yīng)晶體管的源極、漏極以及柵極的電極；
2)在源極、漏極之間以相同的平面光刻、金屬生長、剝離工藝制備出自對準區(qū)，以薄層金屬將源、漏電極連接起來；
3)在自對準區(qū)內(nèi)以平面光刻顯影技術(shù)制備出柵電極圖形；
4)將自對準區(qū)中連接源、漏電極的金屬從光刻柵圖形下刻蝕隔開，側(cè)向刻蝕確保下一步的制備的柵極同源、漏隔離，實現(xiàn)自對準；
5)同一光刻圖形下先后以生長金屬作為柵電極、生長絕緣材料作為柵介質(zhì)，之后溶膠剝離完成埋柵結(jié)構(gòu)；
6)以轉(zhuǎn)移法將二維材料轉(zhuǎn)移到以上準備的基片上；
7)以平面光刻顯影技術(shù)制備出圖形，暴露出晶體管之間，柵電極和源漏電極之間的二維材料，以刻蝕技術(shù)除掉實現(xiàn)隔離，完成自對準埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管制備。
[0006]本發(fā)明的優(yōu)點:與現(xiàn)有場效應(yīng)晶體管的制作過程相比，其顯著優(yōu)點為:(1)腐金液的側(cè)向腐蝕形成的對準間距同自對準去金屬厚度一致，小于常規(guī)工藝中電子束曝光系統(tǒng)形成的對準間距，利于降低寄生電阻；(2)埋柵結(jié)構(gòu)從設(shè)計上將二維材料受到的散射降到最低，利于優(yōu)化二維材料的電學性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是自對準埋柵二維材料FET器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]圖2是平面工藝制備出FET器件的源極、漏極、柵極的測試電極的示意圖。
[0009]圖3是自對準區(qū)示意圖。
[0010]圖4是光刻形成柵電極圖形，使柵介于源、漏測試電極之間，自對準區(qū)之上示意圖。
[0011]圖5濕法腐金工藝形成自對準示意圖。
[0012]圖6 Ca)是柵極金屬化形成的自對準埋柵示意圖。
[0013]圖6 (b)是柵介質(zhì)生長形成的自對準埋柵示意圖。
[0014]圖6 (c)是溶膠剝離后形成的自對準埋柵示意圖。
[0015]圖7是將二維材料轉(zhuǎn)移至基片表面示意圖。
【具體實施方式】
[0016]一種基于自對準技術(shù)埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管的制造方法，包括制作源、漏、柵測試電極；制作適當厚度的自對準區(qū)金屬；光刻柵圖形，并以濕法腐蝕形成自對準結(jié)構(gòu)；制作適當厚度的柵金屬以及介質(zhì)層；剝離完成，形成自對準的埋柵結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)移二維材料，完成場效應(yīng)管的制造。
[0017]具體方法如下:
1)在絕緣襯底上以平面印刷技術(shù)制備出場效應(yīng)晶體管的源極、漏極、柵極測試電極的圖形(如圖2所示)，以電子束蒸發(fā)先后生長20nm Ti,200nm Au，之后輔以溶膠剝離工藝制備出場效應(yīng)晶體管的源極、漏極以及柵極的測試電極；
2)在源極、漏極之間以相同的平面光刻、金屬生長、溶膠剝離工藝制備出自對準區(qū)，自對準區(qū)中生長的40nm Au將源、漏測試電極連接起來，與柵保持一定間距，形成隔離(圖3)；
3)以平面光刻顯影技術(shù)制備出柵電極圖形，以普通光刻對準的工藝很容易使柵的圖形介于源、漏之間的自對準區(qū)上方(圖4 );
4)將以上做好光刻圖形的基片置于腐金液中，20秒后可將金在自對準區(qū)中將連接的源、漏電極從光刻柵圖形下腐蝕隔開，由于腐金液各向同性，向下腐蝕的同時必然會導(dǎo)致大致等量的側(cè)向腐蝕，這一側(cè)蝕量可確保柵極同源極、漏極的隔離，實現(xiàn)自對準。而同自對準區(qū)厚度(40nm)大約相等的側(cè)向腐蝕間距已能達到甚至超過用于制備細柵的較高水平的電子束曝光的對準精度(圖5)；
5)在以上同一光刻圖形下先后以電子束蒸發(fā)生長30nmAu作為柵電極，接著在其上以ALD生長IOnm Al2O3作為柵介質(zhì)，完成生長后以溶膠剝離制備出埋柵結(jié)構(gòu)(圖6 (a), (b),(c))；
6)以轉(zhuǎn)移技術(shù)將石墨烯或MoS2等二維材料轉(zhuǎn)移到以上準備的自對準埋柵結(jié)構(gòu)基片上，并以自對準區(qū)的圖版對樣品進行隔離(保留自對準區(qū)二維材料)，完成二維材料場效應(yīng)晶體管的制備(圖7)。
[0018]本方法實現(xiàn)了可減弱溝道材料散射的埋柵結(jié)構(gòu)和可減小寄生電阻的自對準技術(shù)的有機結(jié)合。
[0019]所述的步驟I)中所述襯底為絕緣襯底，包括高阻Six0y、S1、SiN、BN、Al203、Hfx0y、AlxNy> YxOy> SiC、mica、sapphire、玻璃、聚對苯二甲酸乙二醇酯材料PET、聚酰亞胺P1、聚二甲基燒中的任何一種，其中x=l-3，y=l-3。
[0020]所述的步驟4)中使用刻蝕自對準時，金屬種類可為能被化學腐蝕的金屬，Au，Ti，Ag, Cu, Al, Ni中的一種或幾種的組合，幾種組合的質(zhì)量比包含0.01?100:1。
[0021]所述的自對準區(qū)的厚度在Inm到IOOOnm之間；金屬的腐蝕液可用氫氟酸、王水、碘化鉀和碘的混合液，氨水和雙氧水的混合液，硼酸溶液、鹽酸溶液或硝酸溶液與冰乙酸的混合液，幾種溶液的濃度比包含I?99%，混合液的質(zhì)量比包含0.01?100:1。
[0022]所述的步驟5)中實現(xiàn)埋柵結(jié)構(gòu)時，還包括在一次光刻圖形下，刻蝕完暴露的金屬后，繼續(xù)向下刻蝕襯底；埋柵金屬厚度范圍I到IOOOnm之間，柵介質(zhì)厚度范圍I到IOOnm之間；形成埋柵結(jié)構(gòu)后柵介質(zhì)的上表面和源、漏電極上表面大致齊平。
[0023]所述的步驟6)中二維材料包括CVD法、機械剝離法、制備的I層或多層石墨烯，MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, MoTe2, WTe2, BN 薄膜。
實施例
[0024]—種基于二維材料的平面制備工藝,制作出一種基于自對準技術(shù)埋柵結(jié)構(gòu)的石墨烯場效應(yīng)晶體管，具體制作工藝步驟如下:
(1)在高阻Si襯底上以平面光刻顯影技術(shù)制備出石墨烯FET器件的源極、漏極、柵極測試電極的圖形(如圖2所示)，以電子束蒸發(fā)先后生長20nm Ti,200nm Au，之后輔以溶膠剝離工藝制備FET器件的源極、漏極以及柵極的測試電極；
(2)在源極、漏極之間以相同的平面光刻、金屬生長、溶膠剝離工藝制備出自對準區(qū)，自對準區(qū)中生長的40nm Au將源、漏測試電極連接起來，與柵保持隔離(圖3)；
(3)以平面光刻顯影技術(shù)制備出柵電極圖形，以普通光刻對準的工藝很容易使柵的圖形介于源、漏之間的自對準區(qū)上方(圖4)；
(4)將以上做好光刻圖形的基片置于腐金液中，20秒后可將金在自對準區(qū)中將連接的源、漏電極從光刻柵圖形下腐蝕隔開，由于腐金液各向同性，向下腐蝕的同時必然會導(dǎo)致大致等量的側(cè)向腐蝕，這一側(cè)蝕量可確保柵極同源極、漏極的隔離，實現(xiàn)自對準。而同自對準區(qū)厚度(40nm)大約相等的側(cè)向腐蝕間距已能達到甚至超過用于制備細柵的較高水平的電子束曝光的對準精度(圖5)；
(5)在以上同一光刻圖形下先后以電子束蒸發(fā)生長30nmAu作為柵電極，接著在其上以ALD生長IOnm Al2O3作為柵介質(zhì)，完成生長后以溶膠剝離制備出埋柵結(jié)構(gòu)(圖6 (a), (b),(c))；
(6)以常用的濕法轉(zhuǎn)移將CVD制備的石墨烯轉(zhuǎn)移到以上準備的自對準埋柵結(jié)構(gòu)基片上，并以自對準區(qū)的圖版對樣品進行隔離(保留自對準區(qū)石墨烯)，完成石墨烯FET器件的制備(圖7)。
[0025]自對準埋柵結(jié)構(gòu)的石墨烯FET (場效應(yīng)晶體管)器件的特征如下:
(O以埋柵結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，可使石墨烯溝道區(qū)受到襯底和柵介質(zhì)材料雙重散射減小為僅受:下方的棚介質(zhì)的散射，利于提聞溝道區(qū)石墨稀的遷移率，提聞石墨稀FET器件的fT ；
(2)以濕法腐蝕基礎(chǔ)的自對準工藝，配合適當?shù)淖詫蕝^(qū)金屬及柵金屬柵介質(zhì)厚度設(shè)計，可研制出較小源、漏間距的石墨烯FET器件，降低寄生電阻，利于實現(xiàn)石墨烯FET器件的高頻化。
【權(quán)利要求】
1.一種基于自對準技術(shù)埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管制造方法，其特征在于將自對準技術(shù)同埋柵結(jié)構(gòu)融合在一起，具體制作步驟如下: 1)在絕緣襯底上以平面光刻顯影技術(shù)制備出場效應(yīng)晶體管的源極、漏極、柵極圖形，金屬生長后輔以溶膠剝離工藝制備場效應(yīng)晶體管的源極、漏極以及柵極的電極； 2)在源極、漏極之間以相同的平面光刻、金屬生長、剝離工藝制備出自對準區(qū)，以薄層金屬將源、漏電極連接起來； 3)在自對準區(qū)內(nèi)以平面光刻顯影技術(shù)制備出柵電極圖形； 4)將自對準區(qū)中連接源、漏電極的金屬從光刻柵圖形下刻蝕隔開，側(cè)向刻蝕確保下一步的制備的柵極同源、漏隔離，實現(xiàn)自對準； 5)同一光刻圖形下先后以生長金屬作為柵電極、生長絕緣材料作為柵介質(zhì)，之后溶膠剝離完成埋柵結(jié)構(gòu)； 6)以轉(zhuǎn)移法將二維材料轉(zhuǎn)移到以上準備的基片上； 7)以平面光刻顯影技術(shù)制備出圖形，暴露出晶體管之間，柵電極和源漏電極之間的二維材料，以刻蝕技術(shù)除掉實現(xiàn)隔離，完成自對準埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種基于自對準技術(shù)埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管制造方法，其特征在于所述的步驟I)中的襯底為絕緣襯底，包括高阻SixOy、S1、SiN, BN、A1203、HfxOy, AlxNy> YxOy> SiC、mica、sapphire、玻璃、聚對苯二甲酸乙二醇酯材料 PET、聚酰亞胺P1、聚二甲基烷中的任何一種，其中x=l-3，y=l-3。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種基于自對準技術(shù)埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管制造方法，其特征在于，所述的步驟4)中使用刻蝕自對準時，金屬種類為能被化學腐蝕的金屬，Au，Ti，Ag，Cu，Al，Ni中的一種或二種的組合，二種組合的質(zhì)量比包含0.01?100:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種基于自對準技術(shù)埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管制造方法，其特征在于，所述的自對準區(qū)的厚度在Inm到IOOOnm之間；金屬的腐蝕液可用氫氟酸、王水、碘化鉀和碘的混合液，氨水和雙氧水的混合液，硼酸溶液、鹽酸溶液或硝酸溶液與冰乙酸的混合液，二種混合液的質(zhì)量比為0.01?100:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種基于自對準技術(shù)埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管制造方法，其特征在于，所述的步驟5)中實現(xiàn)埋柵結(jié)構(gòu)時，還包括在一次光刻圖形下，刻蝕完暴露的金屬后，繼續(xù)向下刻蝕襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種基于自對準技術(shù)埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管制造方法，其特征在于，所述的步驟5)中的埋柵金屬厚度范圍I到IOOOnm之間，柵介質(zhì)厚度范圍I到IOOnm之間；形成埋柵結(jié)構(gòu)后柵介質(zhì)的上表面和源、漏電極上表面大致齊平。
7.如權(quán)利要求書I所述的一種基于自對準技術(shù)埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于所述的步驟6)中二維材料包括CVD法、機械剝離法、制備的I層或多層石墨烯，MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, MoTe2, WTe2, BN 薄膜。
【文檔編號】H01L21/336GK103700592SQ201310626500
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】吳云, 周建軍, 霍帥 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所