[发明专利]基于SiC与氯气反应的Ni膜退火侧栅石墨烯晶体管制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件制备方法，具体地说是基于SiC与氯气反应的Ni膜退火侧栅石墨烯晶体管制备方法。

技术背景

随着人们对高性能，高可靠性，低能耗设备需求的提高，对集成电路上器件特性变得愈发关注。石墨烯，这种由二维六角形碳晶格组成的材料，由于其突出的电学结构特性自2004年被英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现得到后，即被当做制造高性能器件的备选材料。

现有的石墨烯的制备方法，如申请号为200810113596.0的“化学气相沉积法制备石墨烯的方法”专利，公开的方法是：首先制备催化剂，然后进行高温化学气相沉积，将带有催化剂的衬底放入无氧反应器中，使衬底达到500-1200℃，再通入含碳气源进行化学沉积而得到石墨烯，然后对石墨烯进行提纯，即使用酸处理或在低压、高温下蒸发，以除去催化剂。该方法的主要缺点是：工艺复杂，需要专门去除催化剂，能源消耗大，生产成本高。

2005年Geim研究组与Kim研究组发现，室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率约2×10⁵cm²／V·s，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性，这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的载流子迁移率和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，与目前电子器件中使用的硅及金属材料不同，石墨烯减小到纳米尺度同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。最近，Geim研究组利用电子束光刻与干刻蚀的方法将同一片石墨烯加工成量子点，引线和栅极，获得了室温下可以操作的石墨烯基单电子场效应管，解决了目前单电子场效应由于纳米尺度材料的不稳定性所带来的操作温度受限问题。荷兰科学家则报道了第一个石墨烯基超导场效应管，发现在电荷密度为零的情况下石墨烯还是可以传输一定的电流，可能为低能耗，开关时间快的纳米尺度超导电子器件带来突破。

最近关于石墨烯的器件的文献大量涌现，关于石墨烯在电容、太阳能电池、透明电极方面都有很多报道。在场效应晶体管FET应用方面也有很多报道，如背栅石墨烯场效应晶体管BG-GFET、顶栅石墨烯场效应晶体管TG-GFET、双栅石墨烯场效应晶体管DG-GFET等等。它们都有一定的缺点，需要近一步的改进，但这不会影响石墨烯在场效应管方面近一半应用的前景。现有的GFET的制备工艺中石墨烯需要沉积或者转移到如Si或SiC衬底上，衬底起到了类似于传统双栅结构中的背栅的作用，由于顶栅GFET的顶栅介质的引入会引入更多的散射源，同时，顶栅制作过程中，石墨烯薄膜也很容易受到破坏，使得顶栅GFET的迁移率显著下降。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于SiC与氯气反应的Ni膜退火侧栅石墨烯晶体管制备方法，以提高石墨烯的电子迁移率，能够通过改变侧栅电压实现对单个晶体管电流精确控制，避免顶栅石墨烯场效应管顶栅介质的散射效应。

为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤：

（1）对SiC样片进行清洗，以去除表面污染物；

（2）在清洗后的SiC样片表面利用等离子体增强化学气相淀积PECVD方法，淀积一层0.5-1.0μm厚的SiO₂，作为掩膜；

（3）光刻侧栅图形：

按照侧栅石墨烯晶体管的侧栅极G、源极S、漏极D、导电沟道位置制作成光刻版；

在掩膜表面旋涂浓度为3%的丙烯酸树脂PMMA溶液，并放入烘箱中，在180℃下烘烤60秒，使其与掩膜紧密结合在一起；

再用电子束对PMMA曝光，将光刻版上的图形转移到SiO₂掩模上，并使用缓冲氢氟酸对SiO₂掩膜层进行腐蚀，露出SiC，形成侧栅晶体管形状相同的窗口；

（4）将形成窗口后的样片置于石英管中，加热至700-1100℃；

（5）向石英管中通入Ar气和Cl₂气的混合气体，使Cl₂与裸露的SiC反应3-8min，生成碳膜；

（6）将生成的碳膜样片置于缓冲氢氟酸溶液中以去除窗口之外的SiO₂；

（7）在碳膜样片上电子束蒸发淀积300-500nm厚的Ni膜；