通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法
【專利摘要】本發明公開了一種通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法，該方法包括：在石墨烯上沉積柵介質層，制備T型柵金屬電極；沉積鈍化保護層，利用選擇性刻蝕去除柵介質上方覆蓋的鈍化保護層而保留T型柵金屬電極足部側墻部分的鈍化保護層；對柵介質層進行腐蝕，去除T型柵金屬電極足部覆蓋區域之外的柵介質層；以及沉積金屬形成源漏金屬電極。本發明通過所設計的自對準工藝制備流程制備石墨烯頂柵FET器件，可以有效地減小柵源、柵漏間距離，進而減小寄生通路電阻和寄生柵電阻，從而提高石墨烯頂柵FET器件的性能。
【專利說明】通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及石墨烯場效應晶體管(FET)器件制備【技術領域】，涉及利用自對準工藝方法實現石墨烯頂柵FET器件制備。利用該方法制備的石墨烯頂柵FET器件具有較小的寄生電阻，從而可以提高器件的信號電流、跨導、增益、截止頻率和最高振蕩頻率。
【背景技術】
[0002]以石墨稀為材料的納米電子學，由于石墨稀超聞的載流子遷移率和載流子飽和漂移速度，被認為具有極大的應用前景，極富潛力可以替代硅材料。在石墨烯FET器件的發展過程中，寄生電阻對器件的開關電流比、跨導、本征增益、截止頻率、最高振蕩頻率等電學特性都具有重要影響。寄生電阻主要包括接觸金屬體電阻、金屬石墨烯接觸電阻以及柵源、柵漏之間的石墨烯溝道通路電阻和柵金屬電阻。其中，柵源、柵漏之間的溝道通路電阻由柵源、柵漏間距和石墨烯面電阻決定，而柵源、柵漏間距則由于光刻套準精度的限制，在減小到一定長度后難以繼續縮短；柵金屬電阻由柵金屬性質、柵寬和柵金屬截面積共同決定。本發明提出了一種通過自對準工藝制備石墨烯頂柵FET器件的方法，一方面，利用T型柵可以增大柵金屬截面積進而減小柵電阻；另一方面，利用自對準方法可以減小柵源、柵漏間距尚，從而有效減小石墨稀頂棚FET器件的寄生通路電阻，最終實現聞性能的石墨稀頂棚FET器件。
【發明內容】
[0003](一 )要解決的技術問題
[0004]本發明的主要目的是提供一種通過自對準工藝方法制備石墨烯頂柵FET器件的方法，利用T型柵金屬電極減小柵電阻，利用自對準工藝減小柵源、柵漏間距離進而減小通路寄生電阻，最終實現聞性能石墨稀頂棚FET器件制備。
[0005]( 二 )技術方案
[0006]為達到上述目的，本發明提供了一種通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法，該方法包括:在石墨烯上沉積柵介質層，制備T型柵金屬電極；沉積鈍化保護層，利用選擇性刻蝕去除柵介質上方覆蓋的鈍化保護層而保留T型柵金屬電極足部側墻部分的鈍化保護層；對柵介質層進行腐蝕，去除T型柵金屬電極足部覆蓋區域之外的柵介質層；以及沉積金屬形成源漏金屬電極。
[0007]上述方案中，該方法制備的石墨烯頂柵FET器件，包括絕緣襯底、導電通道、源電極、漏電極、柵介質層、鈍化保護層和柵電極，其中:所述導電通道設置于絕緣襯底上，所述導電通道由石墨烯材料構成，所述源電極和漏電極分別設置于導電通道的兩端，所述柵介質層覆蓋在導電通道上，所述柵電極位于柵介質層之上，所述鈍化保護層位于柵電極側墻。
[0008]上述方案中，所述柵介質層采用氧化硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化釔、氧化鋯或氧化鈦。
[0009]上述方案中，所述柵金屬電極為T型柵金屬電極。
[0010]上述方案中，所述鈍化保護層采用氮化硅。
[0011]上述方案中，所述利用選擇性刻蝕去除柵介質上方覆蓋的鈍化保護層而保留T型柵金屬電極足部側墻部分的鈍化保護層，采用的刻蝕方法為干法刻蝕，刻蝕氣體采用四氟化碳、六氟化硫、三氟化氫碳、六氟化二碳、八氟化四碳、四氟化二氫二碳或這些氣體的混合氣體，刻蝕氣體無載氣，或采用氮氣、氧氣、氫氣、氬氣、氦氣作為載氣。
[0012]上述方案中，所述去除T型柵金屬電極足部覆蓋區域之外的柵介質層，采用的腐蝕方法為濕法腐蝕，腐蝕液包括氫氟酸、鹽酸、磷酸、硫酸、硝酸、醋酸、氟化銨溶液、氫氧化鉀溶液或四甲基氫氧化銨。
[0013]上述方案中，該方法在制備過程中還包括有源區隔離這一步驟，該步驟跟隨在柵介質層沉積、柵金屬電極沉積或鈍化保護層沉積之后均可。所述有源區隔離，是利用光刻膠對有源區進行保護之后，依次去除有源區之外的鈍化保護層、柵介質層和石墨烯。
[0014](三)有益效果
[0015]從上述技術方案中可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0016]1、本發明提供的自對準工藝方法制備的石墨烯頂柵FET器件，通過T型柵金屬電極減小柵電阻，通過自對準工藝減小柵源、柵漏間距離進而減小通路寄生電阻，從而有效的增加了器件的開態電流，提高了器件的跨導、截止頻率和最高振蕩頻率。
[0017]2、本發明提供的通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法，該制作方法與傳統的半導體工藝相兼容，并具有良好的可行性和重復性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明提供的通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法流程圖。
[0019]圖2至圖7是依照本發明實施例的通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的工藝流程圖；
[0020]其中，絕緣襯底10、導電通道11、柵介質12、T型柵金屬13、鈍化保護層14、源金屬15、漏金屬16。所述導電通道11設置于絕緣襯底10上，所述導電通道11由石墨烯構成，所述源電極15和漏電極16分別設置于導電溝道11的兩端，所述柵介質12設置于導電通道11上，所述T型柵金屬13設置于柵介質12上，所述鈍化保護層設置于T型柵金屬13的足部側墻上。
【具體實施方式】
[0021]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0022]如圖1所示，圖1是本發明提供的通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法流程圖，該方法包括:
[0023]步驟1:在石墨烯上沉積柵介質層，制備T型柵金屬電極；
[0024]步驟2:沉積鈍化保護層，利用選擇性刻蝕去除柵介質上方覆蓋的鈍化保護層而保留T型柵金屬電極足部側墻部分的鈍化保護層；
[0025]步驟3:對柵介質層進行腐蝕，去除T型柵金屬電極足部覆蓋區域之外的柵介質層；
[0026]步驟4:沉積金屬形成源漏金屬電極，實現石墨烯頂柵場效應晶體管器件制備。
[0027]其中，該方法制備的石墨烯頂柵FET器件，包括絕緣襯底、導電通道、源電極、漏電極、柵介質層、鈍化保護層和柵電極，其中:所述導電通道設置于絕緣襯底上，所述導電通道由石墨烯材料構成，所述源電極和漏電極分別設置于導電通道的兩端，所述柵介質層覆蓋在導電通道上，所述柵電極位于柵介質層之上，所述鈍化保護層位于柵電極側墻。
[0028]柵介質層可以采用氧化硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化釔、氧化鋯或氧化鈦。柵金屬電極為T型柵金屬電極。鈍化保護層可以采用氮化硅。
[0029]利用選擇性刻蝕去除柵介質上方覆蓋的鈍化保護層而保留T型柵金屬電極足部側墻部分的鈍化保護層，采用的刻蝕方法為干法刻蝕，刻蝕氣體采用四氟化碳、六氟化硫、三氟化氫碳、六氟化二碳、八氟化四碳、四氟化二氫二碳或這些氣體的混合氣體，刻蝕氣體無載氣，或采用氮氣、氧氣、氫氣、氬氣、氦氣作為載氣。
[0030]去除T型柵金屬電極足部覆蓋區域之外的柵介質層，采用的腐蝕方法為濕法腐蝕，腐蝕液包括氫氟酸、鹽酸、磷酸、硫酸、硝酸、醋酸、氟化銨溶液、氫氧化鉀溶液或四甲基氫氧化銨。
[0031]該方法在制備過程中還包括有源區隔離這一步驟，該步驟跟隨在柵介質層沉積、柵金屬電極沉積或鈍化保護層沉積之后均可。所述有源區隔離，是利用光刻膠對有源區進行保護之后，依次去除有源區之外的鈍化保護層、柵介質層和石墨烯。
[0032]本發明通過所設計的自對準工藝工藝流程制備的石墨烯頂柵FET器件，利用T型柵金屬結構增大柵電極截面積從而減小柵寄生電阻；同時利用自對準工藝可以有效地減小柵源、柵漏間距離，進而減小寄生通路電阻，增大器件的跨導、開關電流比、截止頻率和器件的本征增益。
[0033]圖2至圖7是依照本發明實施例的通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的工藝流程圖，在本實施例中，以二氧化硅作為絕緣襯底，石墨烯作為導電通道，氧化鋁作為柵介質，金屬鈦/金作為柵、源、漏金屬電極，氮化硅作為鈍化保護層。該方法具體包括以下步驟:
[0034]步驟1:在石墨烯上沉積柵介質:如圖2所示，在石墨烯上首先電子束蒸發Inm鋁，空氣中自然氧化后形成2nm氧化招,然后通過原子層沉積(Atomic Layer Deposit1n,ALD)的方法繼續生長1nm氧化鋁，最終在石墨烯上沉積12nm氧化鋁。
[0035]步驟2:柵金屬電極制備:在氧化鋁上形成T型柵金屬電極鈦/金(Ti/Au =20/400nm)，如圖3所示。
[0036]步驟3:沉積鈍化保護層:利用等離子體增強化學氣相沉積(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposit1n, PECVD)在樣品表面沉積 50nm 的 Si3N4,如圖 4 所不。
[0037]步驟4:刻蝕鈍化保護層:利用感應耦合等離子體刻蝕(Inductively CoupledPlasma, ICP)對樣品進行刻蝕，刻蝕氣體為SF6，載氣為N2，刻蝕后器件如圖5所示。SFjiSi3N4有很好的刻蝕效果，同時不會刻蝕Al2O315刻蝕完畢后，Al2O3上的Si3N4全部去除，只在T型金屬柵電極的足部側壁部分保留大約20nm寬的Si3N4。
[0038]步驟5:腐蝕介質層:將樣品浸入1: 3的磷酸中腐蝕30min，然后用去離子水沖洗后N2吹干，如圖6所示。T型金屬柵足部下的Al2O3由于覆蓋金屬的保護作用得以保留。
[0039]步驟6:源漏金屬電極制備:沉積金屬Ti/Au = 20/100nm形成源漏金屬電極，如圖7所示。由于柵金屬側墻的Si3N4的隔離作用，使柵源、柵漏間距離等于柵金屬側墻附著的Si3N4寬度，完成自對準器件制備。
[0040]通過上述實施例可以看出，通過本發明采用自對準工藝方法制備的石墨烯場效應晶體管器件，可以利用T型柵金屬結構增大柵電極截面積進而減小柵寄生電阻；同時有效地縮短柵源、柵漏間距離，進而減小柵源、柵漏間石墨烯溝道產生的通路電阻，從而增加器件的跨導，開關電流比，截止頻率和器件的本征增益。
[0041]在上述實施例中，是以二氧化硅作為絕緣襯底，石墨烯作為導電通道，氧化鋁作為柵介質層，氮化硅作為鈍化保護層，六氟化硫作為鈍化保護層刻蝕氣體，稀磷酸作為柵介質腐蝕液，金屬鈦/金作為源、漏、柵電極。在實際應用中，襯底材料可選用氧化鋁、碳化硅，類金剛石結構薄膜等；柵介質層可以用氧化硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化釔、氧化鋯或氧化鈦；鈍化保護層刻蝕氣體可以采用六氟化硫、四氟化碳、三氟化氫碳、六氟化二碳、八氟化四碳、四氟化二氫二碳或這些氣體的混合氣體；刻蝕氣體可以采用氧氣、氫氣、氬氣、氦氣作為載氣或不使用載氣；柵介質腐蝕溶液可以采用氫氟酸、鹽酸、磷酸、硫酸、硝酸、醋酸、氟化銨溶液、氫氧化鉀溶液或四甲基氫氧化銨；源、漏、柵電極可以采用鈦和金、鎳和金、鈀和金、鉻和金、鉬和金等。
[0042]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法，其特征在于，該方法包括: 在石墨烯上沉積柵介質層，制備T型柵金屬電極； 沉積鈍化保護層，利用選擇性刻蝕去除柵介質上方覆蓋的鈍化保護層而保留T型柵金屬電極足部側墻部分的鈍化保護層； 對柵介質層進行腐蝕，去除T型柵金屬電極足部覆蓋區域之外的柵介質層；以及 沉積金屬形成源漏金屬電極。
2.根據權利要求1所述的通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法，其特征在于，該方法制備的石墨烯頂柵FET器件，包括絕緣襯底、導電通道、源電極、漏電極、柵介質層、鈍化保護層和柵電極，其中: 所述導電通道設置于絕緣襯底上，所述導電通道由石墨烯材料構成，所述源電極和漏電極分別設置于導電通道的兩端，所述柵介質層覆蓋在導電通道上，所述柵電極位于柵介質層之上，所述鈍化保護層位于柵電極側墻。
3.根據權利要求1所述的通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法，其特征在于，所述柵介質層采用氧化硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化釔、氧化鋯或氧化鈦。
4.根據權利要求1所述的通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法，其特征在于，所述柵金屬電極為T型柵金屬電極。
5.根據權利要求1所述的通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法，其特征在于，所述鈍化保護層采用氮化硅。
6.根據權利要求1所述的通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法，其特征在于，所述利用選擇性刻蝕去除柵介質上方覆蓋的鈍化保護層而保留T型柵金屬電極足部側墻部分的鈍化保護層，采用的刻蝕方法為干法刻蝕，刻蝕氣體采用四氟化碳、六氟化硫、三氟化氫碳、六氟化二碳、八氟化四碳、四氟化二氫二碳或這些氣體的混合氣體，刻蝕氣體無載氣，或采用氮氣、氧氣、氫氣、氬氣、氦氣作為載氣。
7.根據權利要求1所述的通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法，其特征在于，所述去除T型柵金屬電極足部覆蓋區域之外的柵介質層，采用的腐蝕方法為濕法腐蝕，腐蝕液包括氫氟酸、鹽酸、磷酸、硫酸、硝酸、醋酸、氟化銨溶液、氫氧化鉀溶液或四甲基氫氧化銨。
8.根據權利要求1所述的通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法，其特征在于，該方法在制備過程中還包括有源區隔離這一步驟，該步驟跟隨在柵介質層沉積、柵金屬電極沉積或鈍化保護層沉積之后均可。
9.根據權利要求8所述的通過自對準工藝制備石墨烯頂柵場效應晶體管器件的方法，其特征在于，所述有源區隔離，是利用光刻膠對有源區進行保護之后，依次去除有源區之外的鈍化保護層、柵介質層和石墨烯。
【文檔編號】H01L21/336GK104319237SQ201410535650
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月11日 優先權日:2014年10月11日
【發明者】麻芃, 金智, 史敬元, 王少青, 張大勇, 王選蕓 申請人:中國科學院微電子研究所