[發明專利]一種大規模h-BN介質石墨烯集成電路制備方法

有效

• 申請號: 201310562335.8
• 申請日: 2013-11-11
• 公開（公告）號: CN103633024A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 張鵬;馬中發;吳勇;莊奕琪;趙鈺迪;馮元博;陳祎坤
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L21/82
• 分類號: H01L21/82;H01L21/336;B82Y10/00
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域：

本發明涉及一種h-BN介質石墨烯集成電路制造技術，尤其是一種以h-BN為介質的雙柵石墨烯場效應晶體管的大規模制造技術。

背景技術：

石墨烯是碳原子以六方蜂房晶格形成的性能極其優異的二維材料，其載流子速度和遷移率遠高于常規半導體材料，被認為是后硅時代的集成電路材料。目前，通過催化金屬襯底上的CVD法和SiC外延法可生長大尺寸石墨烯晶圓。在制備石墨烯電子器件時，要么需要將CVD法制備的石墨烯轉移到SiO₂/Si（或其它）襯底上，要么是直接以所在的6H-SiC襯底為介質層，這些襯底不但表面具有一定的粗糙度，而且其中還存在較大密度的庫侖中心，加之襯底材料中的光學聲子的散射作用，石墨烯中的載流子遷移率會進一步退化，導致最終制備的高頻石墨烯場效應晶體管器件中的載流子遷移率均在2000cm²/V·s以下，遠低于機械剝離石墨烯的室溫載流子遷移率。h-BN是一種禁帶寬度約為5.9eV的介質材料，它的晶格結構與石墨烯相似度很高，其表面也是二維平面結構，而且不存在表面懸掛鍵和體內帶電缺陷，是石墨烯理想的襯底材料。已有的實驗結果表明，h-BN襯底上的雙層石墨烯（BLG）的室溫遷移率高達40000cm²/V·s，約為SiO₂襯底上的20倍，因此研究以h-BN為柵介質的石墨烯場效應晶體管的大規模制造技術已成為國際研究熱點。

發明內容：

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種大規模h-BN介質石墨烯集成電路制備方法，本發明利用催化金屬襯底上h-BN和石墨烯選擇生長的特性，通過對催化金屬層的光刻，實現對外延生長的h-BN層與石墨烯層圖形的控制，從而制備實現以h-BN為介質的石墨烯場效應晶體管的大規模制造。該技術可以克服目前大規模石墨烯器件制備過程中的工藝難度高、成品率低和性能差的問題，為石墨烯基集成電路的制備奠定良好基礎。

本發明的目的是通過以下技術方案來解決的：

一種大規模h-BN介質石墨烯集成電路制備方法，按照如下步驟：

（1）在生長有SiO₂的硅晶圓上用蒸發工藝生長一初級催化金屬層；

（2）利用光刻工藝對初級催化金屬層進行光刻得到次級催化金屬層，留下的次級催化金屬層與將要作為器件溝道和互連線使用的石墨烯具有完全相同的圖形；

（3）利用CVD法在次級催化金屬層上生長一六方氮化硼層；

（4）在所生長的h-BN層上再生長一石墨烯層；

（5）在石墨烯層表面旋涂一光刻膠層；

（6）將帶有次級催化金屬層、六方氮化硼層、石墨烯層和光刻膠層的半導體晶圓浸泡到氫氟酸中，溶解掉硅晶圓上的SiO₂層；

（7）用同樣或稍大尺寸的帶有SiO₂的硅晶圓接住帶有次級催化金屬層、六方氮化硼層、石墨烯層和光刻膠層結構的光刻膠一面，將整個結構反轉過來，使催化金屬層暴露在外；

（8）對催化金屬層進行再次對準光刻，使其尺寸小于生長在其上的六方氮化硼層與石墨烯層的尺寸，為在石墨烯層上制作頂柵六方氮化硼介質層做好準備；

（9）在經過再次光刻的次級催化金屬層上再旋涂一光刻膠層，并將整個結構再次浸入氫氟酸中，并再次將新旋涂的光刻膠一側轉移到SiO₂/Si晶圓上，使原先旋涂在石墨烯上的光刻膠層暴露在外；

（10）對暴露在外的光刻膠層進行曝光，并用有機溶劑將其溶解，熱處理后使石墨烯層暴露在外；

（11）利用CVD工藝，在暴露的石墨烯層上生長六方氮化硼層；

（12）利用金屬蒸發工藝和光刻工藝制備源電極、漏電極和柵電極，就完成了六方氮化硼/石墨烯/六方氮化硼場效應晶體管的大規模制造。

所述初級催化金屬層由Ni、Cr、Ru或Cu構成，其厚度為50-100nm。

所述六方氮化硼層厚度為0.6-100nm。

所述石墨烯層厚度為1-10個碳原子層。

所述光刻膠層由PMMA或DQN構成，其厚度為0.5-10μm。。

發明基于未來石墨烯大規模集成電路工業化生產需要，基于現有的Si基CMOS集成電路生產工藝，提出了一種新h-BN介質石墨烯集成電路制備技術，并介紹了具體制備工藝。該工藝的主要特點是：利用了h-BN和石墨烯具有近似相同的催化金屬襯底，以及在催化金屬襯底上具有選擇性生長的特性，通過光刻工藝改變催化金屬襯底的圖案，以達到控制和改變生長在其上的h-BN和石墨烯層圖案的目的。