硅襯底的三氧化二鋁柵介質雙柵石墨烯晶體管及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硅襯底的三氧化二鋁柵介質雙柵石墨烯晶體管及制備方法，主要解決現(xiàn)有技術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題。其實現(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Cl2與SiC反應，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電溝道60-400nm處的兩側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，抑制散射效應性能好，能更好調制溝道載流子濃度的優(yōu)點，可用于制作大規(guī)模集成電路。
【專利說明】硅襯底的三氧化二鋁柵介質雙柵石墨烯晶體管及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體器件【技術領域】，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。
技術背景
[0002]隨著人們對高性能，高可靠性，低能耗設備需求的提高，對集成電路上器件特性變得愈發(fā)關注?！笆边@種由二維六角形碳晶格組成的材料，由于其突出的電學結構特性自2004年被英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈.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的影響很小，這是石墨烯作為納電子器件最突出的優(yōu)勢。較高的載流子遷移率和較小的接觸電阻有助于進一步減小器件開關時間，超高的頻率響應特性是石墨烯基電子器件的另一顯著優(yōu)勢。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，同樣能保持很好的穩(wěn)定性和電學性能，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、引線和柵極，獲得了室溫下可以使用的石墨烯單電子場效應管，解決了目前單電子場效應管由于納米尺度材料的不穩(wěn)定性所帶來的使用溫度受限的問題。荷蘭科學家則報道了第一個石墨烯超導場效應管，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、開關時間快的納米尺度超導電子器件帶來突破。
[0004]近年來，關于石墨烯的器件的文獻大量涌現(xiàn)，關于石墨烯在電容、太陽能電池、透明電極方面都有很多報道。在場效應晶體管FET應用方面也有很多報道，如背柵石墨烯場效應晶體管BG-GFET、頂柵石墨烯場效應晶體管TG-GFET等。這些石墨烯場效應晶體管GFET的制備工藝中，需要將石墨烯沉積或者轉移到特定的Si或SiC襯底上。而在現(xiàn)有的頂柵工藝中，由于頂柵介質會引入更多的散射源，同時在制作過程中，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]國際商業(yè)機器公司IBM研究中心宣稱研究出世界上速度最快的石墨烯場效應晶體管，工作頻率達到26GHz，這是目前為止測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度下均有很高的工作頻率。研究結果表明，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)晶體管的響應曲線。而最高截止頻率和柵極長度的平方成反比，在柵長為150nm的時候達到26GHz。為了實現(xiàn)工作在THz頻率范圍的晶體管，就需要進一步減小柵長。
[0006]隨著晶體管柵長的減小，為了確保器件電場內部特性，根據(jù)恒定電場按比例法則，介質層厚度必須按照相同比例縮小。當前，廣泛使用SiO2作為場效應管的柵介質。當其厚度減小到納米量級時，通過SiO2的漏電流隨厚度減小成指數(shù)增長，這樣巨大的漏電流嚴重影響到器件性能，使SiO2不能起到絕緣作用，最終導致SiO2不再適合作為場效應晶體管FET的柵介質。
【發(fā)明內容】
[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雙柵石墨烯晶體管及制備方法以避免超薄柵介質SiO2隧穿導致的漏電流問題，并免除在制造晶體管過程中對石墨烯的刻蝕過程，有效地抑制散射效應，同時提高石墨烯晶體管柵極對溝道載流子濃度的調制作用。
[0008]本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的:
[0009]本發(fā)明硅襯底的三氧化二鋁柵介質雙柵石墨烯晶體管，包括:石墨烯溝道4、電極、柵介質層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的兩側各設一個柵電極I，每個柵電極I與石墨烯溝道4之間各設有一層Al2O3柵介質層5，形成雙柵電極結構。
[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Si樣片進行清洗，以去除表面污染物；
[0012]2)生長碳化層:將清洗后的Si襯底基片放入化學氣相淀積CVD系統(tǒng)反應室中，對反應室抽真空達到10_7mbar級別；在H2保護下，使反應室逐步升溫至900-1200°C，通入C3H8氣體，生長一層碳化層；
[0013]3)外延生長3C-SiC:對反應室升溫至3C-SiC的生長溫度1200_135(TC，通入C3H8和SiH4，進行3C-SiC薄膜異質外延生長，生長時間為30-60min，然后在H2保護下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC薄膜的生長；
[0014]4)淀積Al2O3:在外延生長的3C_SiC樣片表面利用原子層淀積ALD方法生長Al2O3薄膜，作為掩膜和柵介質層；
[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，對光刻膠進行電子束曝光，形成腐蝕窗口 ；使用腐蝕劑對腐蝕窗口處的Al2O3薄膜進行腐蝕，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裝置，用電阻爐對石英管加熱至750-1150°C ；
[0017]7)反應生成碳膜: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蒸汽進入石英管中，使CCl4與裸露的SiC反應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成具有結構圖形的石墨烯，即形成了石墨烯晶體管的源極、漏極和導電溝道；
[0019]9)開柵槽:將形成的石墨烯樣片上距導電溝道60_400nm處的兩側Al2O3刻蝕掉，形成雙柵槽；
[0020]10)淀積金屬接觸層:在開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；再以氧氣作為反應氣體，使用反應離子刻蝕工藝，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)有的技術相比具有如下優(yōu)點:
[0024]1.本發(fā)明采用的柵介質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層可以有比較大的物理厚度，從而避免了漏電流問題；
[0025]2.本發(fā)明的石墨烯晶體管由于采用雙柵結構，提高了石墨烯晶體管柵極對溝道載流子濃度的調制作用；
[0026]3.本發(fā)明的石墨烯晶體管，其石墨烯溝道只存在于結構圖形區(qū)域且完全覆蓋該區(qū)域，故無需對石墨烯進行刻蝕，保證了石墨烯中的電子遷移率不會降低，從而有效抑制了散射效應；
[0027]4.本發(fā)明由于直接在外延生長的3C_SiC上生長石墨烯，在此石墨烯上制作器件時無需將石墨烯轉移到其他絕緣襯底上，簡化了工藝，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，進一步簡化了制作工藝。
【專利附圖】
【附圖說明】
[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。
【具體實施方式】
[0033]參照圖1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的結構圖形；石墨烯溝道4生成于結構圖形位置所裸露的3C-SiC外延層表面，溝道長度為40nm-4um，溝道寬度為35-600nm ;源電極2和漏電極3分別設在石墨烯溝道4的兩端，且置于石墨烯溝道4的上方；石墨烯溝道4的兩側各有一個柵電極I，該柵電極I位于Al2O3掩膜層的柵槽中，且每個柵電極I與石墨烯溝道4之間的間隔為60nm-400nm ;位于每個柵電極I與石墨烯溝道4之間的Al2O3掩膜層即作為Al2O3柵介質層5，形成雙柵電極結構。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。柵極I與石墨烯溝道4用Al2O3柵介質層5隔開，通過給柵極I施加電壓，調制石墨烯溝道4中、柵極I對應位置的電子濃度。
[0035]參照圖3，本發(fā)明的制備石墨烯設備主要由三通閥門3，三口燒瓶8，水浴鍋9，石英管5，電阻爐6組成；三通閥門3通過第一通道I與石英管5相連，通過第二通道2與三口燒瓶8的左側口相連，而三口燒瓶8的右側口與石英管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3設有進氣口 4，用于向設備內通入氣體。
[0036]參照圖4，本發(fā)明制作雙柵石墨烯晶體管的方法給出了如下三個實施例:
[0037]實施例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殘余物；
[0040](1.2)將去除表面有機殘余物后的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:生長碳化層,如圖4 (b)所示。
[0042]將Si襯底基片放入化學氣相淀積CVD系統(tǒng)反應室中，對反應室抽真空達到10_7mbar級別；在H2保護的情況下，將反應室溫度升至900°C的碳化溫度，然后向反應室通入流量為30SCCm的C3H8，在Si襯底上生長一層碳化層，生長時間為lOmin。
[0043]步驟3:在碳化層上生長3C_SiC薄膜，如圖4 (C)所示。
[0044]將反應室溫度迅速升至1200°C，通入流量為20sccm的SiH4和流量為40sccm的C3H8，進行3C-SiC薄膜異質外延生長，生長時間為30min ;然后在H2保護下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC薄膜的生長。
[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樣片放入生長室，向生長室中通入流量為IOsccm的N2進行2min的吹掃，重復循環(huán)5次；
[0047](4.2)打開溫控器，將生長室加熱到250°C，氣路加熱到40°C，持續(xù)60min ；
[0048](4.3)向生長室中通入流量為IOsccm的N2進行2min的吹掃，重復循環(huán)3次。此后，向生長室持續(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Al2O3的原子層淀積周期，其中水蒸氣的通入流量為lOsccm，通入時間為Is ;三甲基鋁的通入流量為5sccm,通入時間為Is ；
[0050](4.5)重復步驟(4.4)共3次，完成所需要的Al2O3層的淀積。
[0051]步驟5:在Al2O3薄膜上刻出結構圖形窗口，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、導電溝道位置制作成光刻版，并用電子束對光刻版進行曝光；；
[0054](5.3)用組分為HF:NH4F:H20=3:6: 10的腐蝕劑對Al2O3薄膜進行腐蝕，將光刻版上圖形轉移到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度為40nm,寬度為35nm。
[0055]步驟6:將開窗后的樣片裝入石英管，并排氣加熱。
[0056](6.1)將開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，然后按照圖1將石英管與三口燒瓶進行連接；
[0057](6.2)從三通閥門3的進氣口 4通入流速為80ml/min的Ar氣，并利用三通閥門3控制Ar氣從第一通道I進入對石英管進行排空30min，使石英管內的空氣從出氣口 7排出；
[0058](6.3)打開電阻爐電源開關，對石英管加熱至750°C。
[0059]步驟7:生長碳膜,如圖4 (f )o
[0060](7.1)打開水浴鍋9的電源，將裝有CCl4液體的三口燒瓶8加熱至60°C ；
[0061](7.2)當電阻爐達到設定的750°C后，旋轉三通閥門，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蒸汽進入石英管，使氣態(tài)CCl4與裸露的3C-SiC在石英管中反應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成石墨烯，即形成了石墨烯晶體管的源極、漏極和導電溝道。
[0064]步驟9:開柵槽，如圖4 (h)所示。
[0065]將形成的石墨烯晶體管樣片上距導電溝道60nm處的兩側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)鍍膜機中的載玻片上，調整載玻片到靶材的距離為50cm，并將反應室壓強抽至5 X 10_4Pa，調節(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，用電子束對聚甲基丙烯酸甲酯層曝光；
[0072](9.3)再利用反應離子工藝刻蝕金屬層，反應氣體采用氧氣，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]實施例2
[0075]步驟一:與實施例1的步驟I相同。
[0076]步驟二:Si襯底上生長碳化層，如圖4 (b)。
[0077]將Si襯底基片放入化學氣相淀積CVD系統(tǒng)反應室中，對反應室抽真空達到10_7mbar級別；在H2保護的情況下，將反應室溫度升至碳化溫度1100°C，然后向反應室通入流量為30SCCm的C3H8，在Si襯底上生長一層碳化層，生長時間為6min。
[0078]步驟三:外延生長3C_SiC薄膜，如圖4 (C)。
[0079]將反應室溫度迅速升至生長溫度1300°C，通入流量分別為30sccm和60sccm的SiH4和C3H8,進行3C-SiC薄膜異質外延生長，生長時間為45min ;然后在H2保護下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC薄膜的生長。
[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樣片放入生長室，向生長室中通入流量為IOsccm的N2進行2min的吹掃，重復循環(huán)5次；打開溫控器，將生長室加熱到250°C，氣路加熱到40°C，持續(xù)60min ；
[0082]然后，向生長室中通入流量為IOsccm的N2進行2min的吹掃，重復循環(huán)3次；然后保持向生長室通入流量為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,通入時間為Is ;三甲基招的通入流量為5sccm,通入時間為Is ；此時，Al2O3的一個原子層淀積ALD周期完成；
[0084]接著，重復5個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薄膜上刻出結構圖形窗口，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Al2O3薄膜進行腐蝕，將光刻版上圖形轉移到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度為2um，寬度為350nm。
[0087]步驟六:與實施例1中的步驟6相同。
[0088]步驟七:生長碳膜，如圖4 ( f )。
[0089]打開水浴鍋9電源，將裝有CCl4液體的三口燒瓶8加熱至80°C ;當電阻爐達到設定的750°C后，旋轉三通閥門，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蒸汽進入石英管，使氣態(tài)CCl4與裸露的3C-SiC在石英管中反應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成石墨烯，即形成了石墨烯晶體管的源極、漏極和導電溝道。
[0092]步驟九:開柵槽，如圖4 (h)。
[0093]將形成的石墨烯晶體管樣片上距導電溝道200nm處的兩側Al2O3刻蝕掉，形成雙柵槽。
[0094]步驟十:與實施例1的步驟10相同。
[0095]步驟^^一:與實施例1的步驟11相同。
[0096]步驟十二:與實施例1的步驟12相同。
[0097]實施例3
[0098]步驟A:與實施例1的步驟I相同。
[0099]步驟B:將Si襯底基片放入化學氣相淀積CVD系統(tǒng)反應室中，對反應室抽真空達到10_7mbar級別；在H2保護的情況下，將反應室溫度升至1200°C，然后向反應室通入流量為30sccm的C3H8,在Si襯底上生長一層碳化層，生長時間為4min,生成的碳化層如圖4 (b)所示。
[0100]步驟C:將反應室溫度迅速升至1350°c，通入流量分別為35sccm和70sccm的SiH4和C3H8,進行3C-SiC薄膜異質外延生長，生長時間為60min ;然后在H2保護下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC薄膜的生長，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樣片放入生長室，向生長室中通入流量為IOsccm的N2進行2min的吹掃，重復循環(huán)5次；打開溫控器，將生長室加熱到250°C，氣路加熱到40°C，持續(xù)60min ;再向生長室中通入流量為IOsccm的N2進行2min的吹掃，重復循環(huán)3次；然后保持向生長室通入流量為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，通入時間為Is ;三甲基招的通入流量為5sccm,通入時間為Is,完成Al2O3—個周期的原子層淀積ALD ;接著，重復7個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、導電溝道位置制作成光刻版，并用電子束對光刻版進行曝光；接著用組分為HF:NH4F:H20=3:6:10的腐蝕劑對Al2O3薄膜進行腐蝕，將光刻版上圖形轉移到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度為4um，寬度為600nm，完成在Al2O3薄I旲上刻出結構圖形窗口，如圖4 Ce)所不。
[0103]步驟F:與實施例1的步驟6相同。
[0104]步驟G:打開水浴鍋9電源，將裝有CCl4液體的三口燒瓶8加熱至80°C;當電阻爐達到設定的750°C后，旋轉三通閥門，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蒸汽進入石英管，使氣態(tài)CCl4與裸露的3C-SiC在石英管中反應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成石墨烯，即形成了石墨烯晶體管的源極、漏極和導電溝道，如圖4 (f)0
[0106]步驟1:將形成的石墨烯晶體管樣片上距導電溝道400nm處的兩側Al2O3刻蝕掉，形成雙柵槽，如圖4 (g)。
[0107]步驟J:與實施例1的步驟10相同。
[0108]步驟K:與實施例1的步驟11相同。
[0109]步驟L:與實施例1的步驟12相同。
【權利要求】
1.一種硅襯底的三氧化二鋁柵介質雙柵石墨烯晶體管，包括:石墨烯溝道(4)、電極、柵介質層(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)的兩側各設有一個柵電極(I )，每個柵電極(I)與石墨烯溝道(4)之間各設有一層Al2O3柵介質層(5)，形成雙柵電極結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的晶體管，其特征在于每個柵電極(I)與石墨烯溝道(4)之間的間隔為60-400nm。
3.根據(jù)權利要求1所述的晶體管，其特征在于石墨烯溝道(4)的長度為40nm-4um，寬度為 35_600nm。
4.一種硅襯底的三氧化二鋁柵介質雙柵石墨烯晶體管的制備方法，包括以下步驟: 1)清洗:對Si樣片進行清洗，以去除表面污染物； 2)生長碳化層:將清洗后的Si襯底基片放入化學氣相淀積CVD系統(tǒng)反應室中，對反應室抽真空達到10_7mbar級別；在H2保護下，使反應室逐步升溫至900-1200°C，通入C3H8氣體，生長一層碳化層； 3)外延生長3C-SiC:對反應室升溫至3C-SiC的生長溫度1200-1350°C，通入C3H8和SiH4，進行3C-SiC薄膜異質外延生長，生長時間為30-60min，然后在H2保護下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC薄膜的生長； 4)淀積Al2O3:在外延 生長的3C-SiC樣片表面利用原子層淀積ALD方法生長Al2O3薄膜，作為掩膜和柵介質層； 5)光刻圖形:按照雙柵石墨烯晶體管的源極S、漏極D、導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，對光刻膠進行電子束曝光，形成腐蝕窗口 ；使用腐蝕劑對腐蝕窗口處的Al2O3薄膜進行腐蝕，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裝置，用電阻爐對石英管加熱至750-1150°C ； 7)反應生成碳膜: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蒸汽進入石英管中，使CCl4與裸露的SiC反應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成具有結構圖形的石墨烯，即形成了石墨烯晶體管的源極、漏極和導電溝道； 9)開柵槽:將形成的石墨烯樣片上距導電溝道60-400nm處的兩側Al2O3刻蝕掉，形成雙柵槽； 10)淀積金屬接觸層:在開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；再以氧氣作為反應氣體，使用反應離子刻蝕工藝，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)權利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟I)對Si樣片進行清洗，按如下步驟進行: 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，其工藝步驟如下: 2a)將SiC樣片放入生長室，向生長室中通入流量為IOsccm的N2進行2min的吹掃，重復循環(huán)5次； 2b)打開溫控器，將生長室加熱到250°C，氣路加熱到40°C，持續(xù)60min ； 2c)向生長室中通入流量為IOsccm的N2進行2min的吹掃，重復循環(huán)3次； 2d)向生長室保持通入流量為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Al2O3的原子層淀積周期。其中水蒸氣的 通入流量為lOsccm，通入時間為Is ;三甲基鋁的通入流量為5Sccm，通入時間為Is ； 2f)重復步驟2e)，直到所需要的Al2O3層全部淀積。
7.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于步驟5)所述的使用腐蝕劑對腐蝕窗口處的Al2O3薄膜進行腐蝕，其中腐蝕劑的配比關系是:HF:NH4F:H20=3:6:10，腐蝕速率為lOnm/s。
8.根據(jù)權利要求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，反應室壓強為5X 10_4Pa，束流為40mA。
9.根據(jù)權利要求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】H01L29/51GK103811556SQ201410060321
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月21日 優(yōu)先權日: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 申請人:西安電子科技大學