[发明专利]基于自对准埋栅结构的二维材料场效应晶体管的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种基于自对准技术埋栅结构的二维材料场效应晶体管的制造方法，属于微电子技术领域。

技术背景

石墨烯的出现，打破了“二维材料不能在室温下稳定存在”的理论预研，随后因其优异的物理化学性能在各领域的广泛应用而备受关注，在全球掀起了二维材料的研究热潮，之后MoS₂，WS₂，WSe₂，BN等二维材料也相继出现。全新的二维材料进入电子领域的时间不长，取得的成果却相当显著。如石墨烯具有高电子迁移率、高电子饱和速度和高热导率等优良特性，在毫米波、亚毫米波乃至太赫兹器件、超级计算机等方面具有广阔应用前景。基于二维材料的超高速、超低噪声、超低功耗场效应晶体管及其集成电路，有望突破当前电子器件的高成本、低分辨率及高功耗的瓶颈，为开发更高性能电子器件提供新的思路和方案。开发二维材料电学性能的研究以二维材料的场效应晶体管的研制为主，就现状而言，二维材料晶体管的电学性能主要受两个因素的制约：（1）散射问题。二维材料由单层碳原子构成的二维结构，因而同传统半导体材料相比更易受到与之接触的材料对它的散射而影响其电学性能。对于常规的顶栅结构的场效应晶体管，导电沟道处于衬底和栅介质之间，受到散射也较大，影响了二维材料的电学性能；（2）寄生问题。二维材料晶体管的有源区在栅的正下方，而栅电极和源（漏）电极之间的未覆盖的区域则会产生寄生电阻，影响晶体管的电学性能，因而为优化二维材料晶体管的性能，在确保稳定隔离的同时减小栅电极和源（漏）电极的间距是一个关键。

在国际上，减弱散射的代表性方法有选择极性较弱的衬底以及埋栅结构。衬底选择上如IBM的Yanqing Wu等以类金刚石材料为衬底获得了高性能的石墨烯FET器件（State-of-the-Art Graphene High-Frequency Electronics，Nano Lett., 2012, 12, 3062?3067）。然而，类金刚石价格昂贵，并且面积太小，不符合石墨烯的工程化需求。在结构设计上Jongho Lee等人研制了埋栅结构石墨烯器件（Embedded-gate graphene transistors for high-mobility detachable flexible nanoelectronics., Appl. Phys. Lett., 2012,100, 152104）。目前尚未见到将埋栅结构和自对准技术结合在一起来实现二维材料晶体管的设计发明报道。

发明内容

本发明提出的是一种基于自对准技术埋栅结构的二维材料场效应晶体管的制造方法，其目的是针对现有工艺设计不能很好的解决二维材料制作场效应晶体管时遇到的散射及寄生电阻大的问题，本设计可兼容于传统平面加工工艺，减小二维材料应用于场效应晶体管时普遍存在的散射以及寄生电阻，利于器件电学性能的优化。

本发明的技术解决方案：一种基于自对准技术埋栅结构的二维材料场效应晶体管制造方法，其特征在于将自对准技术同埋栅结构融合在一起，具体制作步骤如下：

1）在绝缘衬底上以平面光刻显影技术制备出场效应晶体管的源极、漏极、栅极图形，金属生长后辅以溶胶剥离工艺制备场效应晶体管的源极、漏极以及栅极的电极；

2）在源极、漏极之间以相同的平面光刻、金属生长、剥离工艺制备出自对准区，以薄层金属将源、漏电极连接起来；

3）在自对准区内以平面光刻显影技术制备出栅电极图形；

4）将自对准区中连接源、漏电极的金属从光刻栅图形下刻蚀隔开，侧向刻蚀确保下一步的制备的栅极同源、漏隔离，实现自对准；

5）同一光刻图形下先后以生长金属作为栅电极、生长绝缘材料作为栅介质，之后溶胶剥离完成埋栅结构；

6）以转移法将二维材料转移到以上准备的基片上；

7）以平面光刻显影技术制备出图形，暴露出晶体管之间，栅电极和源漏电极之间的二维材料，以刻蚀技术除掉实现隔离，完成自对准埋栅结构的二维材料场效应晶体管制备。

本发明的优点：与现有场效应晶体管的制作过程相比，其显著优点为：（1）腐金液的侧向腐蚀形成的对准间距同自对准去金属厚度一致，小于常规工艺中电子束曝光系统形成的对准间距，利于降低寄生电阻；（2）埋栅结构从设计上将二维材料受到的散射降到最低，利于优化二维材料的电学性能。

附图说明

图1是自对准埋栅二维材料FET器件结构示意图。

图2 是平面工艺制备出FET器件的源极、漏极、栅极的测试电极的示意图。

图3是自对准区示意图。