一種石墨烯場效應晶體管及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電子器件領域，涉及一種石墨烯場效應晶體管及其制作方法，具體涉及一種石墨烯頂柵場效應晶體管及其制作方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯是指一層以苯環結構(即六角形蜂巢結構)周期性緊密排列的碳原子所構成的二維碳材料，由于其優異和獨特的電學性能，近年來對其在電子器件領域的應用研究越來越深入。石墨烯場效應管利用電場的調控來改變諸如器件導電類型、載流子迀移率等，從而滿足特定的應用需求。石墨烯頂柵場效應晶體管是指對石墨烯導電溝道進行調控的柵電極位于石墨烯層的上方。由于頂柵器件對應的柵介質層一般較薄，這使得頂柵器件相對于背柵器件來說具有更強的柵控能力。
[0003]石墨烯頂柵場效應晶體管有源區的頂柵圖形幾何中心一般是處于源端與漏端之間的中心位置。百納米內柵長的石墨烯場效應晶體管有源區的頂柵圖形目前在制作過程中往往都需要通過電子束直寫曝光來實現，而其中最大的困難就是頂柵圖形與源端以及漏端圖形的套刻對準。電子束直寫曝光的套刻對準精度受多種因素影響，如電子束設備的寫場拼接、子場拼接、束流穩定性以及樣品對準標記的質量等。而上述影響因素在實際器件制作過程中有一定的不確定性。這大大加大了石墨烯頂柵場效應晶體管的制作難度。由于電子束直寫曝光套刻對準精度的限制，器件的柵結構會出現偏離對稱中心，這種結構的變化具有隨機性，致使最終器件性能不穩定；而且一般頂柵器件的柵介質層較薄，當柵電極與源端或漏端發生交疊時，會導致場效應管輸入或輸出端的寄生電容變大，從而使器件的高頻性能變差。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的不足，本發明的目的之一在于提供一種石墨烯場效應晶體管，所述晶體管包括:
[0005]⑴襯底層；
[0006](ii)設置于襯底層上的第一絕緣層；
[0007](iii)設置于第一絕緣層上的石墨烯層，所述石墨烯層在第一絕緣層上的投影為有源區；
[0008](iv)設置于石墨烯層上的源漏電極層；
[0009](V)設置于源漏電極層上，以及石墨烯層上位于源電極和漏電極之間的溝道上的第二絕緣層；
[0010](Vi)設置于有源區非溝道區域第二絕緣層上的第三絕緣層；
[0011](Vii)頂柵電極，跨越源電極和漏電極。
[0012]本發明提供的石墨烯場效應晶體管采用將頂柵電極跨越源電極和漏電極的方式，擴大了有源區上方頂柵圖形的實際尺寸，在相同的電子束直寫曝光套刻對準精度下提高了器件制作的成品率；另一方面，跨越源電極和漏電極的設計，降低了溝道區域與源電極和漏電極的間距，減小了非柵控溝道的通路電阻，從而減小器件的寄生電阻，增大輸出電流；另夕卜，由于在器件有源區非溝道區域沉積有一層較厚的氧化硅，大大減小了頂柵與源端和漏端交疊區域引入的寄生電容。
[0013]本發明所述柵電極層和源漏電極層均包括粘附性金屬層和覆蓋在粘附性金屬層之上的導電性金屬層；
[0014]優選地，所述粘附性金屬層的材料為Cr、T1、Ni或Pb中的任意I種，所述導電性金屬層的材料為Au或Pt ;
[0015]優選地，所述第二絕緣層的材料獨立地選自A1203、11?)2或Y2O3中的任意I種。
[0016]本發明所述石墨烯場效應晶體管的制備方法包括如下步驟:
[0017](I)提供一襯底；
[0018](2)在襯底上表面形成第一絕緣層；
[0019](3)在第一絕緣層的上表面形成石墨烯層；
[0020](4)在襯底上表面非石墨烯區域設定對準標記，用于后續電子束曝光；
[0021](5)刻蝕石墨烯層，得到有源區；
[0022](6)在經過上述處理的樣片表面有源區形成源漏電極層，其中在有源區區域的源電極與漏電極之間設有間距，所述間距在石墨烯區域的投影為器件的溝道；
[0023](7)在經過上述處理的樣品表面有源區區域覆蓋由高介電常數材料構成的第二絕緣層；
[0024](8)在覆蓋有第二絕緣層的有源區非溝道區域上表面形成第三絕緣層；
[0025](9)在覆蓋有第二絕緣層的溝道上方形成頂柵電極，所述頂柵電極在溝道上方跨越源電極和漏電極。
[0026]步驟(2)所述第一絕緣層和步驟(8)所述第三絕緣層為氧化硅層，第一絕緣層的形成方式優選為化學氣相沉積或熱氧化方法沉積，第三絕緣層的形成方式優選為化學氣相沉積；
[0027]優選地，步驟(3)所述石墨烯層的形成方式為將化學氣相沉積或機械剝離得到的石墨烯轉移至第一絕緣層的上表面獲得。
[0028]步驟(5)在所述石墨烯層形成頂柵場效應管的有源區的步驟包括:
[0029](5a)通過電子束直寫曝光在石墨烯層形成有源區的電子束抗蝕圖形；
[0030](5b)刻蝕去除非有源區的石墨烯；
[0031](5c)去除電子束直寫曝光使用的電子束抗蝕劑；
[0032]優選地，步驟(5b)所述刻蝕通過氧等離子體進行。
[0033]步驟(6)所述源漏電極層和步驟(9)所述頂柵電極的柵電極層的粘附性金屬層和導電性金屬層的形成方法為電子束直寫曝光或電子束蒸鍍法。
[0034]步驟(7)所述覆蓋第二絕緣層的步驟為:
[0035](7a)采用電子束蒸鍍的方法在樣品表面沉積金屬材料，所述金屬材料為Al、Hf或Y中的任意I種；
[0036](7b)之后將樣品放置于烘箱中烘烤，以在樣品表面形成金屬氧化物緩沖層；
[0037](7c)采用原子層沉積法在整個樣品表面覆蓋由高介電常數材料構成的柵介質層，得到第二絕緣層；
[0038]優選地，步驟(7a)所述金屬材料的沉積厚度為2.5?3.5nm，優選3nm厚；
[0039]優選地，步驟(7b)所述烘烤溫度為180?220°C，優選200°C ;烘烤時間為I?2h。
[0040]步驟(8)所述第三絕緣層的制備步驟為:
[0041](Sa)電子束直寫曝光形成特定的電子束抗蝕圖形；
[0042](Sb)在步驟(Sa)的結構上表面化學氣相沉積第三絕緣層；
[0043](Sc)去除電子束抗蝕劑，即形成有源區非溝道區域的二氧化硅層；
[0044](Sd)將樣片進行退火處理；
[0045]優選地，所述退火處理的溫度為480?550 °C，優選500 °C ;退火時間為0.8?
1.5h，優選Ih;退火處理時的真空度為0.8 X 10 3?1.2X10 3Pa量級。
[0046]步驟(9)所述頂柵電極跨越覆蓋源電極和漏電極。
[0047]作為優選技術方案，本發明提供的石墨烯場效應晶體管的制備方法包括如下步驟:
[0048](I)提供一襯底；
[0049](2)在襯底上表面通過化學氣相沉積形成氧化硅層，作為第一絕緣層；
[0050](3)將通過化學氣相沉積法獲得的石墨烯薄膜轉移至第一絕緣層的上表面，形成石墨稀層；
[0051](4)在襯底上表面非石墨烯區域設定對準標記，用于后續電子束曝光；
[0052](5)電子束直寫曝光在石墨烯層形成有源區的電子束抗蝕圖形，通過氧等離子體刻蝕去除非有源區的石墨烯，去除電子束抗蝕劑，得到有源區；
[0053](6)在經過上述處理的樣片表面有源區形成源漏電極層，該電極層材料由下向上依次包含粘附性金屬層和導電性金屬層，其中源電極與漏電極設有間距，所述間距在石墨烯區域的投影為器件的溝道；
[0054](7)在經過上述處理的樣品表面有源區區域電子束蒸鍍金屬鋁，之后將樣品放置于烘箱中烘烤，200°C下烘烤I?2h，然后通過原子層沉積方法獲得三氧化二鋁層，形成由高介電常數材料構成的柵介質層，即第二絕緣層；
[0055](8)在有源區覆蓋有高介電常數材料的源漏電極上表面通過化學氣相沉積方法形成二氧化硅層，也即第三絕緣層；
[0056](9)用電子束直寫曝光以及電子束蒸鍍方法在覆蓋有第二絕緣層的溝道上方形成頂柵電極，所述頂柵電極在溝道上方跨越源電極和漏電極。
[0057]與現有技術相比，本發明具有如下有益效果:
[0058](I)由于所制作的石墨烯場效應晶體管在有源區部分，柵結構具有跨越源、漏端的特征，所以在同一柵長下有源區上方的柵圖形的實際尺寸比傳統石墨烯頂柵場效應晶體管對應部分的圖形尺寸大，因此，在相同的電子束直寫曝光套刻對準精度下提高了器件制作的成品率；
[0059](2)本發明提供的頂柵電極在溝道上方跨越源、漏端，使得溝道區域與源端或漏端的間距只有一個柵介質層的厚度，有效減小了非柵控溝道的通路電阻，從而減小器件的寄生電阻，增大輸出電流；
[0060](3)由于在器件有源區非溝道區域沉積有一層較厚的氧化硅作為絕緣層，大大減小了頂柵與源端和漏端交疊區域引入的寄生電容。
【附圖說明】
[0061]圖1為本發明【具體實施方式】一所述的石墨烯場效應晶體管未覆蓋頂柵電極的俯視結構示意圖；
[0062]圖2為本發明【具體實施方式】一所述的石墨烯場效應晶體管的俯視結構示意圖；
[0063]圖3為本發明【具體實施方式】一所述的石墨烯場效應晶體管沿A-A’的剖視結構示意圖；
[0064]其中，101為硅襯底層，102為第一絕緣層，103石墨烯層，104源漏電極層，1041為源電極，1042為漏電極，105第二絕緣層，106第三絕緣層，107頂柵電極；
[0065]圖4為【具體實施方式】一提供的石墨烯場效應晶體管實施例的制作流程圖。
【具體實施方式】
[0066]為便于理解本發明，本發明列舉實施例如下。本領域技術人員應該明了，所述實施例僅僅是幫助理解本發明，不應視為對本發明的具體限制。
[0067]【具體實施方式】一
[0068]圖1?圖3給出了本發明所述的石墨烯場效應晶體管的一種【具體實施方式】，所述的石墨稀場效應晶體管包括:
[0069]⑴娃襯底層101 ;
[0070](ii)設置于硅襯底層101上的二氧化硅層，即第一絕緣層102 ;
[0071](iii)設置于第一絕緣層102上的石墨烯層103，所述石墨烯層103在第一絕緣層102上的投影為有源區；
[0072](iv)設置于石墨稀層103上的源漏電極層104 ；
[0073](V)設置于源漏電極層104上的由高介電常數材料三氧化二鋁構成的柵介質層，即第二絕緣層105，所述第二絕緣層105覆蓋源電極1041、漏電極1042和石墨烯層103的溝道區域；所述溝道區域為源電極1041和漏電極1042之間的間隙在石墨烯層103上的投影部分；