[发明专利]基于Ni膜退火和氯气反应的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Ni膜退火和氯气反应的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。

近年来，关于石墨烯的器件研究的文献大量涌现，石墨烯在电容、太阳能电池、透明电极方面都有很多报道，例如Stoller等人利用石墨烯研制出超级电容，Wang.X等人用石墨烯作为太阳能电池的电极等。在晶体管应用方面也有很多报道，例如Georgia技术学会利用外延石墨烯层制作出顶栅晶体管，Purdue大学的J.F.Tian等人制作出金属侧栅石墨烯晶体管等。目前，石墨烯晶体管制造工艺的问题和难点主要集中在以下几个方面：第一，在材料方面，使用现有的制备方法，很难在一个衬底上淀积出用于制作晶体管的大面积连续石墨烯；第二，在制造方面，由于石墨烯禁带宽度几乎为零，因而需要设计一种特殊的栅结构来控制沟道载流子浓度；第三，在衬底方面，衬底散射会使载流子的迁移率大幅下降，同时有可能导致器件击穿。

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Ni膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，以生成大面积连续的石墨烯，提高石墨烯的电子迁移率，并且能够通过改变侧栅电压实现对晶体管电流精确控制，避免顶栅石墨烯晶体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4-12英寸的Si衬底基片进行标准清洗；

（2）将清洗后的Si衬底基片放入化学气相淀积CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10^-7mbar级别；在H₂保护的情况下，使反应室逐步升温至900℃-1200℃，通入C₃H₈气体，生长一层碳化层；

（3）对反应室升温至3C-SiC的生长温度，通入C₃H₈和SiH₄，进行3C-SiC薄膜异质外延生长，生长时间为30-60min，然后在H₂保护下逐步降温至室温，完成3C-SiC薄膜的生长；

（4）在生长好的3C-SiC薄膜表面利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，淀积一层0.5-1μm厚的SiO₂掩膜层；

（5）在SiO₂层上刻出侧栅晶体管图形窗口：

5a）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；

5b）在掩膜表面以旋涂一层浓度为3%的丙烯酸树脂PMMA溶液，并在180℃下烘烤60秒，使其与掩膜紧密结合在一起；

5c）用电子束对PMMA层曝光，将光刻版上的图形转移到SiO₂掩膜上；

5d）使用缓冲氢氟酸对SiO₂掩膜层进行腐蚀，露出3C-SiC，形成侧栅晶体管的侧栅极、源极、漏极和导电沟道图形的窗口；

（6）将形成窗口的样片置于石英管中，加热至700-1100℃；

（7）向石英管中通入Ar气和Cl₂气的混合气体，持续3-5min，使Cl₂与裸露的3C-SiC发生反应，生成具有侧栅晶体管侧栅极、源极、漏极和导电沟道图形的碳膜；

（8）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；

（9）在碳膜样片上电子束沉积300-500nm厚的Ni膜；