[發明專利]基于Ni膜退火和氯氣反應的側柵石墨烯晶體管制備方法

無效

• 申請號: 201310039822.6
• 申請日: 2013-01-31
• 公開（公告）號: CN103165470A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 郭輝;張晨旭;張克基;張玉明;雷天民;鄧鵬飛
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L21/336
• 分類號: H01L21/336;H01L29/786
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體器件制備方法，具體地說是基于Ni膜退火和氯氣反應的側柵石墨烯晶體管制備方法。

技術背景

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關注。石墨烯，這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·諾沃消洛夫發現得到后，即被當做制造高性能器件的備選材料。

現有的石墨烯的制備方法，如申請號為200810113596.0的“化學氣相沉積法制備石墨烯的方法”專利，公開的方法是：首先制備催化劑，然后進行高溫化學氣相沉積，將帶有催化劑的襯底放入無氧反應器中，使襯底達到500-1200℃，再通入含碳氣源進行化學沉積而得到石墨烯，然后對石墨烯進行提純，即使用酸處理或在低壓、高溫下蒸發，以除去催化劑。該方法的主要缺點是：工藝復雜，需要專門去除催化劑，能源消耗大，生產成本高。

近年來，關于石墨烯的器件研究的文獻大量涌現，石墨烯在電容、太陽能電池、透明電極方面都有很多報道，例如Stoller等人利用石墨烯研制出超級電容，Wang.X等人用石墨烯作為太陽能電池的電極等。在晶體管應用方面也有很多報道，例如Georgia技術學會利用外延石墨烯層制作出頂柵晶體管，Purdue大學的J.F.Tian等人制作出金屬側柵石墨烯晶體管等。目前，石墨烯晶體管制造工藝的問題和難點主要集中在以下幾個方面：第一，在材料方面，使用現有的制備方法，很難在一個襯底上淀積出用于制作晶體管的大面積連續石墨烯；第二，在制造方面，由于石墨烯禁帶寬度幾乎為零，因而需要設計一種特殊的柵結構來控制溝道載流子濃度；第三，在襯底方面，襯底散射會使載流子的遷移率大幅下降，同時有可能導致器件擊穿。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提出一種基于Ni膜退火和氯氣反應的側柵石墨烯晶體管制備方法，以生成大面積連續的石墨烯，提高石墨烯的電子遷移率，并且能夠通過改變側柵電壓實現對晶體管電流精確控制，避免頂柵石墨烯晶體管頂柵介質的散射效應。

為實現上述目的，本發明的制備方法包括以下步驟：

（1）對4-12英寸的Si襯底基片進行標準清洗；

（2）將清洗后的Si襯底基片放入化學氣相淀積CVD系統反應室中，對反應室抽真空達到10^-7mbar級別；在H₂保護的情況下，使反應室逐步升溫至900℃-1200℃，通入C₃H₈氣體，生長一層碳化層；

（3）對反應室升溫至3C-SiC的生長溫度，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）在生長好的3C-SiC薄膜表面利用等離子體增強化學氣相沉積PECVD方法，淀積一層0.5-1μm厚的SiO₂掩膜層；

（5）在SiO₂層上刻出側柵晶體管圖形窗口：

5a）按照側柵石墨烯晶體管的側柵極G、源極S、漏極D、導電溝道位置制作成光刻版；

5b）在掩膜表面以旋涂一層濃度為3%的丙烯酸樹脂PMMA溶液，并在180℃下烘烤60秒，使其與掩膜緊密結合在一起；

5c）用電子束對PMMA層曝光，將光刻版上的圖形轉移到SiO₂掩膜上；

5d）使用緩沖氫氟酸對SiO₂掩膜層進行腐蝕，露出3C-SiC，形成側柵晶體管的側柵極、源極、漏極和導電溝道圖形的窗口；

（6）將形成窗口的樣片置于石英管中，加熱至700-1100℃；

（7）向石英管中通入Ar氣和Cl₂氣的混合氣體，持續3-5min，使Cl₂與裸露的3C-SiC發生反應，生成具有側柵晶體管側柵極、源極、漏極和導電溝道圖形的碳膜；

（8）將生成的碳膜樣片置于緩沖氫氟酸溶液中以去除窗口之外的SiO₂；

（9）在碳膜樣片上電子束沉積300-500nm厚的Ni膜；