本發(fā)明涉及一種電子器件材料技術領域，尤其涉及一種頂柵石墨烯場效應晶體管的制備方法。
背景技術：
隨著科學技術的發(fā)展，半導體業(yè)界對適應器件小型化的材料與工藝進行了一系列研究和探索。同時自從石墨烯問世以來，以石墨烯為材料的納米電子學，由于石墨烯超高的載流子遷移率和載流子飽和漂移速度，和其出色的機械強度和楊氏模量，非常高的電、熱導率等特性受到業(yè)界科研工作者的廣泛關注；被認為具有極大的應用前景，極富潛力可以替代硅材料；石墨烯是一種零帶隙的二維材料，而早在2006年，y.-w.son提出了通過制作極窄的石墨烯帶給石墨烯引入帶隙的理論。p.kim等通過實驗驗證了當石墨烯納米帶寬度小于20nm時，石墨烯的帶隙會打開，這為石墨烯能夠應用于電子器件提供了基礎；由于石墨烯納米材料的尺寸對于其電學性能和應用有著決定性的作用，因而實現(xiàn)對石墨烯納米材料的尺寸的有效控制具有非常重要的意義；在石墨烯fet器件的發(fā)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(xù)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。
中國專利文獻(申請?zhí)?01710129827.6)公開了一種頂柵石墨烯場效應晶體管及其制備方法，包括襯底、氧化硅層、石墨烯溝道層、源極、漏極、柵極，襯底上依次外延生長有氧化硅層、石墨烯溝道層，石墨烯溝道層的兩端上設有源極、漏極，源極、漏極之間的石墨烯溝道層上設有一層sio薄膜，sio薄膜上設有柵極。該技術方案，所選用的柵介質層所制得的遷移率不高。
因此，有必要開發(fā)一種能夠獲得高遷移率的石墨烯場效應晶體管的制備方法。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術問題是，有必要開發(fā)一種能夠獲得高遷移率的石墨烯場效應晶體管的制備方法。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：該頂柵石墨烯場效應晶體管的制備方法，采用原子層沉積法沉積柵介質，包括以下步驟：
(1)清洗襯底：依次分別采用丙酮、甲醇、異丙醇清洗襯底各5分鐘，去除表面的油污，并烘干待用；
(2)在基板上制備襯底絕緣材料：采用pecvd方法沉積薄膜sio2；
(3)制備石墨烯通道層：采用sol-gel旋涂法在絕緣材料上旋涂石墨烯溶液，再通過機械剝離hopg獲得石墨烯通道層；
(4)制備過渡層：利用蒸鍍系統(tǒng)，在石墨烯表面上蒸鍍一層超薄的金屬薄膜作為過渡層用于后續(xù)的原子層淀積柵介質工藝；
(5)沉積柵介質層：采用ald淀積柵介質層，通過調節(jié)沉積工藝的脈沖時間，淀積溫度，以及前驅體的選擇，制備柵介質/石墨烯疊層結構；
(6)制備源極和漏極：將具有柵介質/石墨烯疊層結構的襯底的中間保護起來，兩端從柵介質/石墨烯疊層結構表面開始進行刻蝕，直到刻蝕至襯底，在兩端的刻蝕處分別形成源極和漏極。
本發(fā)明進一步改進在于，所述步驟(2)中采用pecvd沉積sio2薄膜的步驟包括：將襯底放入pecvd真空腔室后，在真空腔室內壓力小于10-5pa且溫度保持在250℃后，向真空室內充入氣體流量為150～300sccm的sih4和n2的混合氣體和氣體流量為700～900sccm的n2o；當真空室內壓力達到700～950mtorr時，加射頻功率60w放電啟輝進行10～70s的sio2沉積；在所述sih4和n2的混合氣體中，sih4和n2的體積比為7：90。
本發(fā)明進一步改進在于，所述步驟(3)中旋涂石墨烯溶液在襯底上的層數(shù)為5～10層。
本發(fā)明進一步改進在于，所述步驟(4)中的蒸鍍超薄金屬薄膜的步驟是：將襯底放入電子束蒸發(fā)設備的真空腔室后，在真空腔室內壓力小于10-5pa且溫度保持在100℃后，依次打開電子束蒸發(fā)槍柜的總電源，掃描鍵，槍燈絲電源開關，再將預置電流調至0.3～0.6a，使燈絲預熱5～10min；預熱后，打開線控器上的高壓，借助微弱的電子束光觀察電子束的聚焦中心點是否在坩堝內，然后增加束流，直至靶材熔化時停止增加束流；打開電子束擋板、膜厚儀擋板開始蒸鍍；蒸鍍10～20s。由于石墨烯表面呈疏水性并且缺乏薄膜生長所需的懸掛鍵，因而前驅體無法化學吸附在石墨烯表面上，難以實現(xiàn)自限制反應生長；通過蒸鍍該金屬薄膜層作為過渡層，可以使石墨烯和柵介質層很好地結合，該金屬薄膜可以為ni或co。
本發(fā)明進一步改進在于，所述步驟(5)沉積柵介質層包括以下步驟：將襯底放入ald真空腔室后，進行hfo2/al2o3納米疊層薄膜的沉積，沉積的參數(shù)為：反應溫度250～350℃；反應源：沉積al2o3采用al(ch3)3和h2o反應；沉積hfo2采用hfcl4和h2o反應，其中hfcl4源溫為180～200℃；脈沖和清洗時間：金屬源和水源的脈沖都為0.1～0.4s；每次金屬源脈沖之后，都接著用高純氮氣清洗，沖掉反應副產(chǎn)物和殘留的反應源；以al2o3為開始層沉積，交替進行al2o3和hfo2的循環(huán)沉積，其中沉積的薄膜的基本疊層結構是一層al2o3+三層hfo2，以此為單元循環(huán)生長5～15nm的厚度，al/hf摩爾比率為1∶3；或者其基本的疊層結構是一層al2o3+二層hfo2，以此為單元循環(huán)生長5～20nm的厚度，al/hf摩爾比率為1∶2；或其基本的疊層結構是一層al2o3+一層hfo2，以此為單元循環(huán)生長5～15nm的厚度，al/hf摩爾比率為1∶1.4；然后將沉積的薄膜放于快速退火爐中，在n2中于450～550℃快速退火30～50s。
可選地，所述過渡層的厚度為5nm。
可選地，所述襯底為單晶硅片。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有的有益效果是：本發(fā)明采用石墨烯作為fet器件的溝道層，同時采用簡單的低損傷的原子層沉積兩種柵介質交替作為柵介質層，最終獲得遷移率超過8000cm2/v·s的石墨烯fet器件。
具體實施方式
為了加深對本發(fā)明的理解，下面將結合實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述，該實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不對本發(fā)明的保護范圍構成限定。
實施例1：該頂柵石墨烯場效應晶體管的制備方法，采用原子層沉積法沉積柵介質，包括以下步驟：
(1)清洗襯底：襯底為單晶硅片n型(100)；依次分別采用丙酮、甲醇、異丙醇清洗襯底各5分鐘，去除表面的油污，并烘干待用；
(2)在基板上制備襯底絕緣材料：采用pecvd方法沉積薄膜sio2；將襯底放入pecvd真空腔室后，在真空腔室內壓力小于10-5pa且溫度保持在250℃后，向真空室內充入氣體流量為150sccm的sih4和n2的混合氣體和氣體流量為700sccm的n2o；當真空室內壓力達到7000mtorr時，加射頻功率60w放電啟輝進行15s的sio2沉積；在所述sih4和n2的混合氣體中，sih4和n2的體積比為7：90；
(3)制備石墨烯通道層：采用sol-gel旋涂法在絕緣材料上旋涂石墨烯溶液，再通過機械剝離hopg獲得石墨烯通道層；所述步驟(3)中旋涂石墨烯溶液在襯底上的層數(shù)為5層；
(4)制備過渡層：利用蒸鍍系統(tǒng)，在石墨烯表面上蒸鍍一層超薄的金屬薄膜作為過渡層用于后續(xù)的原子層淀積柵介質工藝；所述步驟(4)中的蒸鍍超薄金屬薄膜的步驟是：將襯底放入電子束蒸發(fā)設備的真空腔室后，在真空腔室內壓力小于10-5pa且溫度保持在100℃后，依次打開電子束蒸發(fā)槍柜的總電源，掃描鍵，槍燈絲電源開關，再將預置電流調至0.3a，使燈絲預熱5min；預熱后，打開線控器上的高壓，借助微弱的電子束光觀察電子束的聚焦中心點是否在坩堝內，然后增加束流，直至靶材熔化時停止增加束流；打開電子束擋板、膜厚儀擋板開始蒸鍍；蒸鍍10s。由于石墨烯表面呈疏水性并且缺乏薄膜生長所需的懸掛鍵，因而前驅體無法化學吸附在石墨烯表面上，難以實現(xiàn)自限制反應生長；通過蒸鍍該金屬薄膜層作為過渡層，可以使石墨烯和柵介質層很好地結合，該金屬薄膜可以為ni或co；所述過渡層的厚度為5nm；
(5)沉積柵介質層：采用ald淀積柵介質層，通過調節(jié)沉積工藝的脈沖時間，淀積溫度，以及前驅體的選擇，制備柵介質/石墨烯疊層結構；所述步驟(5)沉積柵介質層包括以下步驟：將襯底放入ald真空腔室后，進行hfo2/al2o3納米疊層薄膜的沉積，沉積的參數(shù)為：反應溫度250℃；反應源：沉積al2o3采用al(ch3)3和h2o反應；沉積hfo2采用hfcl4和h2o反應，其中hfcl4源溫為180℃；脈沖和清洗時間：金屬源和水源的脈沖都為0.1s；每次金屬源脈沖之后，都接著用高純氮氣清洗，沖掉反應副產(chǎn)物和殘留的反應源；以al2o3為開始層沉積，交替進行al2o3和hfo2的循環(huán)沉積，其中沉積的薄膜的基本疊層結構是一層al2o3+三層hfo2，以此為單元循環(huán)生長5nm的厚度，al/hf摩爾比率為1∶3；或者其基本的疊層結構是一層al2o3+二層hfo2，以此為單元循環(huán)生長5nm的厚度，al/hf摩爾比率為1∶2；或其基本的疊層結構是一層al2o3+一層hfo2，以此為單元循環(huán)生長5nm的厚度，al/hf摩爾比率為1∶1.4；然后將沉積的薄膜放于快速退火爐中，在n2中于450℃快速退火50s；
(6)制備源極和漏極：將具有柵介質/石墨烯疊層結構的襯底的中間保護起來，兩端從柵介質/石墨烯疊層結構表面開始進行刻蝕，直到刻蝕至襯底，在兩端的刻蝕處分別形成源極和漏極。
實施例2：該頂柵石墨烯場效應晶體管的制備方法，采用原子層沉積法沉積柵介質，包括以下步驟：
(1)清洗襯底：襯底為單晶硅片n型(100)；依次分別采用丙酮、甲醇、異丙醇清洗襯底各5分鐘，去除表面的油污，并烘干待用；
(2)在基板上制備襯底絕緣材料：采用pecvd方法沉積薄膜sio2；將襯底放入pecvd真空腔室后，在真空腔室內壓力小于10-5pa且溫度保持在250℃后，向真空室內充入氣體流量為220sccm的sih4和n2的混合氣體和氣體流量為800sccm的n2o；當真空室內壓力達到820mtorr時，加射頻功率60w放電啟輝進行30s的sio2沉積；在所述sih4和n2的混合氣體中，sih4和n2的體積比為7：90；
(3)制備石墨烯通道層：采用sol-gel旋涂法在絕緣材料上旋涂石墨烯溶液，再通過機械剝離hopg獲得石墨烯通道層；所述步驟(3)中旋涂石墨烯溶液在襯底上的層數(shù)為8層；
(4)制備過渡層：利用蒸鍍系統(tǒng)，在石墨烯表面上蒸鍍一層超薄的金屬薄膜作為過渡層用于后續(xù)的原子層淀積柵介質工藝；所述步驟(4)中的蒸鍍超薄金屬薄膜的步驟是：將襯底放入電子束蒸發(fā)設備的真空腔室后，在真空腔室內壓力小于10-5pa且溫度保持在100℃后，依次打開電子束蒸發(fā)槍柜的總電源，掃描鍵，槍燈絲電源開關，再將預置電流調至0.4a，使燈絲預熱5～10min；預熱后，打開線控器上的高壓，借助微弱的電子束光觀察電子束的聚焦中心點是否在坩堝內，然后增加束流，直至靶材熔化時停止增加束流；打開電子束擋板、膜厚儀擋板開始蒸鍍；蒸鍍15s。由于石墨烯表面呈疏水性并且缺乏薄膜生長所需的懸掛鍵，因而前驅體無法化學吸附在石墨烯表面上，難以實現(xiàn)自限制反應生長；通過蒸鍍該金屬薄膜層作為過渡層，可以使石墨烯和柵介質層很好地結合，該金屬薄膜可以為ni或co；所述過渡層的厚度為5nm；
(5)沉積柵介質層：采用ald淀積柵介質層，通過調節(jié)沉積工藝的脈沖時間，淀積溫度，以及前驅體的選擇，制備柵介質/石墨烯疊層結構；所述步驟(5)沉積柵介質層包括以下步驟：將襯底放入ald真空腔室后，進行hfo2/al2o3納米疊層薄膜的沉積，沉積的參數(shù)為：反應溫度300℃；反應源：沉積al2o3采用al(ch3)3和h2o反應；沉積hfo2采用hfcl4和h2o反應，其中hfcl4源溫為190℃；脈沖和清洗時間：金屬源和水源的脈沖都為0.25s；每次金屬源脈沖之后，都接著用高純氮氣清洗，沖掉反應副產(chǎn)物和殘留的反應源；以al2o3為開始層沉積，交替進行al2o3和hfo2的循環(huán)沉積，其中沉積的薄膜的基本疊層結構是一層al2o3+三層hfo2，以此為單元循環(huán)生長10nm的厚度，al/hf摩爾比率為1∶3；或者其基本的疊層結構是一層al2o3+二層hfo2，以此為單元循環(huán)生長12nm的厚度，al/hf摩爾比率為1∶2；或其基本的疊層結構是一層al2o3+一層hfo2，以此為單元循環(huán)生長10nm的厚度，al/hf摩爾比率為1∶1.4；然后將沉積的薄膜放于快速退火爐中，在n2中于500℃快速退火40s；
(6)制備源極和漏極：將具有柵介質/石墨烯疊層結構的襯底的中間保護起來，兩端從柵介質/石墨烯疊層結構表面開始進行刻蝕，直到刻蝕至襯底，在兩端的刻蝕處分別形成源極和漏極。
實施例3：該頂柵石墨烯場效應晶體管的制備方法，采用原子層沉積法沉積柵介質，包括以下步驟：
(1)清洗襯底：襯底為單晶硅片n型(100)；依次分別采用丙酮、甲醇、異丙醇清洗襯底各5分鐘，去除表面的油污，并烘干待用；
(2)在基板上制備襯底絕緣材料：采用pecvd方法沉積薄膜sio2；將襯底放入pecvd真空腔室后，在真空腔室內壓力小于10-5pa且溫度保持在250℃后，向真空室內充入氣體流量為300sccm的sih4和n2的混合氣體和氣體流量為900sccm的n2o；當真空室內壓力達到950mtorr時，加射頻功率60w放電啟輝進行70s的sio2沉積；在所述sih4和n2的混合氣體中，sih4和n2的體積比為7：90；
(3)制備石墨烯通道層：采用sol-gel旋涂法在絕緣材料上旋涂石墨烯溶液，再通過機械剝離hopg獲得石墨烯通道層；所述步驟(3)中旋涂石墨烯溶液在襯底上的層數(shù)為10層；
(4)制備過渡層：利用蒸鍍系統(tǒng)，在石墨烯表面上蒸鍍一層超薄的金屬薄膜作為過渡層用于后續(xù)的原子層淀積柵介質工藝；所述步驟(4)中的蒸鍍超薄金屬薄膜的步驟是：將襯底放入電子束蒸發(fā)設備的真空腔室后，在真空腔室內壓力小于10-5pa且溫度保持在100℃后，依次打開電子束蒸發(fā)槍柜的總電源，掃描鍵，槍燈絲電源開關，再將預置電流調至0.6a，使燈絲預熱10min；預熱后，打開線控器上的高壓，借助微弱的電子束光觀察電子束的聚焦中心點是否在坩堝內，然后增加束流，直至靶材熔化時停止增加束流；打開電子束擋板、膜厚儀擋板開始蒸鍍；蒸鍍20s。由于石墨烯表面呈疏水性并且缺乏薄膜生長所需的懸掛鍵，因而前驅體無法化學吸附在石墨烯表面上，難以實現(xiàn)自限制反應生長；通過蒸鍍該金屬薄膜層作為過渡層，可以使石墨烯和柵介質層很好地結合，該金屬薄膜可以為ni或co；所述過渡層的厚度為5nm；
(5)沉積柵介質層：采用ald淀積柵介質層，通過調節(jié)沉積工藝的脈沖時間，淀積溫度，以及前驅體的選擇，制備柵介質/石墨烯疊層結構；所述步驟(5)沉積柵介質層包括以下步驟：將襯底放入ald真空腔室后，進行hfo2/al2o3納米疊層薄膜的沉積，沉積的參數(shù)為：反應溫度350℃；反應源：沉積al2o3采用al(ch3)3和h2o反應；沉積hfo2采用hfcl4和h2o反應，其中hfcl4源溫為200℃；脈沖和清洗時間：金屬源和水源的脈沖都為0.4s；每次金屬源脈沖之后，都接著用高純氮氣清洗，沖掉反應副產(chǎn)物和殘留的反應源；以al2o3為開始層沉積，交替進行al2o3和hfo2的循環(huán)沉積，其中沉積的薄膜的基本疊層結構是一層al2o3+三層hfo2，以此為單元循環(huán)生長15nm的厚度，al/hf摩爾比率為1∶3；或者其基本的疊層結構是一層al2o3+二層hfo2，以此為單元循環(huán)生長5～20nm的厚度，al/hf摩爾比率為1∶2；或其基本的疊層結構是一層al2o3+一層hfo2，以此為單元循環(huán)生長15nm的厚度，al/hf摩爾比率為1∶1.4；然后將沉積的薄膜放于快速退火爐中，在n2中于550℃快速退火30s；
(6)制備源極和漏極：將具有柵介質/石墨烯疊層結構的襯底的中間保護起來，兩端從柵介質/石墨烯疊層結構表面開始進行刻蝕，直到刻蝕至襯底，在兩端的刻蝕處分別形成源極和漏極。
本發(fā)明不局限于上述特定實施方式，在不脫離上述基本技術思想的前提下做出的各種變形或修改，均落在本發(fā)明權利保護范圍之列。