專利名稱：一種基于柵介質結構的石墨烯場效應器件及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體技術領域，特別是涉及一種基于柵介質結構的石墨烯場效應器件及其制備方法。
背景技術：
石墨烯作為一種新型的電子功能材料，由于具有獨特的物理結構及優(yōu)異的電學性能，成為當今微電子材料的研究熱點。石墨烯是由碳六元環(huán)組成的二維周期蜂窩狀點陣結構，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最薄的材料。其化學性質穩(wěn)定，機械強度大，具有較好的熱導率。最重要的是，其擁有優(yōu)異的電學特性，如極高的載流子遷移率，較高的電流飽和速度及較大臨界電流密度等，使它在微電子領域具有廣泛的應用前景。在不遠的將來，石墨烯將作為替代硅的優(yōu)選材料，結合標準CMOS工藝，制作石墨烯基場效應管，其較大的電子遷移率有利于 提聞電路的截至頻率，從而應用于聞頻領域和超大規(guī)1旲集成電路。 但是在石墨烯基場效應器件的工藝集成過程中，由于微電子領域的按比例縮小原貝U，隨著超大規(guī)模集成電路(ULSI)的集成度越來越高，其核心器件CMOS場效應晶體管的特征尺寸(柵厚和柵寬)將日益縮小，這對一直占統(tǒng)治地位的SiO2柵介質提出了挑戰(zhàn)，即當SiO2介質層的厚度減小到原子尺寸時，由量子隧道效應所導致的漏電流變得不可忽視，SiO2將失去介電特性，因此必須尋找新的高介電常數(shù)(高k)材料代替它。采用高k電介質代替?zhèn)鹘y(tǒng)的SiO2電介質,就可以在保持相同電容密度的情況下增大電介質層的厚度。在眾多的電介質材料中，Al2O3薄膜由于具有較高的介電常數(shù)，以及其優(yōu)異的整體性質而脫穎而出。但是作為柵介質材料，通常會在氧化物與石墨烯的界面處容易產生電荷陷阱及缺陷，另一方面，柵介質材料的表面粗糙度也會對石墨烯中載流子造成散射，導致石墨烯中本征載流子遷移率降低，從而降低石墨烯器件的性能。因此，如何解決石墨烯中固有載流子遷移率低的問題是本領域技術人員需要解決的課題。

發(fā)明內容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于柵介質結構的石墨烯場效應器件及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術中石墨烯固有載流子遷移率低的問題。為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種基于柵介質結構的石墨烯場效應器件的制備方法，其至少包括步驟I)提供一襯底，刻蝕所述襯底形成柵電極溝槽；2)在所述襯底表面沉積金屬Al材料，并使所述金屬Al材料填充于所述柵電極溝槽；3)采用拋光工藝拋除所述柵電極溝槽外的金屬Al材料，使所述襯底表面與柵電極溝槽內金屬Al材料表面齊平，所述溝槽內的金屬Al材料為柵電極；4)通入O2使所述金屬Al材料表面氧化，形成致密的Al2O3介電薄膜層，刻蝕所述Al2O3介電薄膜層,露出部分金屬Al作為柵電極接觸；5)采用等離子體增強化學氣相沉積工藝在步驟4)的結構表面制備BN薄膜層，刻蝕所述BN薄膜層，露出柵電極；6)在所述BN薄膜層表面形成石墨烯，刻蝕所述石墨烯形成導電溝道。7 )在所述石墨烯表面制備形成源電極和漏電極，形成基于Al2O3-BN新型柵介質結構的石墨烯場效應器件結構，其中，所述源電極和漏電極分別與石墨烯電性連接。優(yōu)選地，在步驟I)中包括襯底的清洗步驟。
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優(yōu)選地，在步驟6)包括有石墨烯生長和轉移工藝，包括采用化學氣相沉積工藝在一拋光的基底上生長單層石墨烯；
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在所述石墨烯上均勻涂覆聚合膠，將具有所述石墨烯和聚合膠的基底放入溶液中，腐蝕掉基底后轉移附著有聚合膠的石墨烯至所述BN薄膜層表面，丙酮去除聚合膠并進行退火處理。優(yōu)選地，所述基底包括Cu、Ni或Pt片。優(yōu)選地，所述Al2O3介電薄膜層和BN薄膜層共同構成新型的柵介質結構。優(yōu)選地，所述BN薄膜為立方微晶結構。優(yōu)選地，所述Al2O3介電薄膜層的厚度為flOnm。優(yōu)選地，氧化形成所述Al2O3介電薄膜層的溫度為低于400°C。優(yōu)選地，所述柵電極包括單柵、雙柵或多柵結構。本發(fā)明還提供一種基于新型柵介質結構的石墨烯場效應器件，其至少包括襯底，具有柵電極溝槽；柵電極，形成于所述柵電極溝槽中；Al2O3介電薄膜層，位于所述柵電極溝槽中的柵電極表面，且Al2O3介電薄膜層表面與襯底表面齊平；BN薄膜層，覆蓋于所述Al2O3介電薄膜層和襯底表面；石墨烯，形成于所述BN薄膜層的上方；源電極和漏電極，設置在所述石墨烯的上方，所述源電極和漏電極分別與石墨烯電性連接。優(yōu)選地，所述Al2O3介電薄膜層和BN薄膜層共同構成新型的柵介質結構。優(yōu)選地，所述BN薄膜為立方微晶結構。優(yōu)選地，所述Al2O3介電薄膜層的厚度為I 10nm。優(yōu)選地，所述柵電極包括單柵、雙柵或多柵結構。如上所述，本發(fā)明的基于柵介質結構的石墨烯場效應器件及其制備方法，具有以下有益效果采用金屬柵電極-柵氧化物一體化的制備工藝步驟，制備了 Al柵電極及柵氧化物Al2O3,形成的Al2O3柵介質薄膜質量好、介電性能高，能有效利用石墨烯中固有載流子的遷移率；另外，制備的BN薄膜與Al2O3薄膜共同構成新型的柵介質結構，BN薄膜具有較好的絕緣性、導熱性和化學穩(wěn)定性，可極大地降低石墨烯和Al2O3界面之間產生的電荷陷阱及缺陷，從而保持石墨烯較高的載流子遷移率。


圖f IOa顯示為本發(fā)明的基于柵介質結構的石墨烯場效應器件的制備工藝流程不意圖。其中，圖I為本發(fā)明襯底結構示意圖。圖2為襯底上柵電極溝槽形成后的結構示意圖。圖3為襯底表面沉積金屬Al材料后的結構示意圖。圖4a為拋光柵電極溝槽外金屬Al材料后的結構的主視圖。圖4b為拋光柵電極溝槽外金屬Al材料后的結構的俯視圖。
圖5a為形成Al2O3薄膜并刻蝕后的結構的主視圖。圖5b為形成Al2O3薄膜后的結構的俯視圖。圖5c為刻蝕Al2O3露出柵電極后的結構的俯視圖。圖6為生長BN薄膜后的結構示意圖。圖7a為BN薄膜刻蝕后的結構的主視圖。圖7b為BN薄膜刻蝕后的結構的俯視圖。圖8為石墨烯轉移后的結構示意圖。圖9a為石墨烯刻蝕后的結構的主視圖。圖9b為石墨烯刻蝕后的結構的俯視圖。圖IOa為源、漏電極形成后的結構的主視圖。圖IOb為源、漏電極形成后的結構的俯視圖。元件標號說明
1襯底
11柵電極溝槽
2金屬Al材料
3柵電極
4Al2O3介電薄膜層
5BN薄膜層
6石墨烯
7源電極
8漏電極
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。本發(fā)明提供一種柵介質結構的石墨烯場效應器件的制備方法，其包括柵電極的制備工藝、新型柵介質結構的制備工藝、石墨烯的制備工藝及轉移工藝、石墨烯的刻蝕工藝以及源電極和漏電極的制備工藝。其具體包括如下步驟( I)提供一襯底I，刻蝕所述襯底I形成柵電極溝槽11。請參閱圖I和圖2。具體的，采用EBL電子束曝光系統(tǒng)將柵電極及對準標記圖形轉移到襯底上1，隨后采用反應離子系統(tǒng)刻蝕襯底1，形成具有柵電極及對準標記結構的溝槽11。對準標記工藝屬于本領域的公知常識，在此不再贅述。所述襯底I包括但不限于Si、SiO2、Si02/Si、GaAs等，本實施例中，優(yōu)選為Si02/Si 襯底。在此步驟中還包括襯底I的清洗步驟，本實施例中采用標準RCA工藝清洗所述SiO2/Si襯底。(2)在所述襯底I表面沉積金屬Al材料2，并使所述金屬Al材料2填充于所述柵電極溝槽11。沉積金屬薄膜的方式包括濺射系統(tǒng)、熱蒸發(fā)或者電子束蒸發(fā)等，本實施例優(yōu)選為采用濺射工藝沉積金屬Al材料2，如圖3所示。(3)采用拋光工藝拋除所述柵電極溝槽11外的金屬Al材料2，使所述襯底I表面與柵電極溝槽11內金屬Al材料2表面齊平，所述溝槽11內的金屬Al材料2為柵電極3。所述柵電極3可以是單柵、雙柵或多柵。作為一種優(yōu)選的結構，本實施例采用雙柵電極，如圖4a和4b所示。(4)通入O2使所述金屬Al材料2表面氧化,形成致密的Al2O3介電薄膜層4,刻蝕所述Al2O3介電薄膜層4，露出部分金屬Al作為柵電極3接觸。請參閱圖5a、5b，首先采用通入使金屬Al表面自然氧化的方法，獲得氧化層Al2O3作為柵介電薄膜，所形成的氧化物具有高介電常數(shù)且結構致密均勻。所述Al2O3介電薄膜層4的厚度為flOnm，在400°C以下即可形成具有較好質量的Al2O3介電薄膜4。接著采用圖形化技術EBL或者光刻在Al2O3介電薄膜層4上形成刻蝕窗口，并采用干法或濕法刻蝕工藝對Al2O3介電薄膜層4進行刻蝕，露出部分金屬Al作為柵接觸電極3，如圖5c所示。(5)采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)工藝在步驟4)的結構表面制備BN薄膜層5，刻蝕所述BN薄膜層5，露出柵電極4。如圖6、7a、7b所示，采用PECVD的方法制備BN薄膜層5，然后采用圖形化技術EBL或者光刻在BN薄膜層5上形成刻蝕窗口，并采用離子束刻蝕系統(tǒng)刻蝕BN薄膜層5，露出部分柵接觸電極3。所述BN薄膜層5為立方BN薄膜，以立方BN微晶為主。所述BN薄膜層5與步驟(3)中氧化形成的Al2O3介電薄膜層4共同構成新型的柵介質結構。(6)在所述BN薄膜層5表面形成石墨烯6，刻蝕所述石墨烯6形成導電溝道。本實施例中，所述石墨烯6制備及轉移工藝的具體實施方案為采用化學氣相沉積(CVD)工藝在一拋光的基底上生長單層高質量石墨烯6，所述基底包括但不限于Cu、Ni或Pt片；在所述石墨烯6上均勻涂覆聚合膠，將具有所述石墨烯6和聚合膠的基底放入FeCl3溶液中，腐蝕掉基底后轉移附著有聚合膠的石墨烯6至所述BN薄膜層5表面，丙酮去除聚合膠并進行退火處理，形成所述石墨烯6后的器件結構如圖8所示。 所述石墨烯6刻蝕工藝，其目的在于定義石墨烯6器件的有效區(qū)域，形成器件導電溝道，請參閱圖9a和9b所示，石墨烯6刻蝕圖形化的具體實施方案為采用光刻將石墨烯6版圖結構圖形轉移到光刻膠上，形成刻蝕窗口 ；通過RIE反應離子刻蝕系統(tǒng)，刻蝕掉沒有被光刻膠保護的石墨烯6材料；丙酮去膠，形成石墨烯6導電溝道的有效區(qū)域。(7)在所述石墨烯6表面制備形成源電極7和漏電極8，形成基于Al2O3-BN新型柵介質結構的石墨烯6場效應器件結構，其中，所述源電極7和漏電極8分別與石墨烯6電性連接。所述源電極7和漏電極8區(qū)域的定義，其目的在于實現(xiàn)源電極7和漏電極8金屬接觸，請參閱圖IOa和10b，其具體實施方案為采用EBL自動對準曝光系統(tǒng)，在石墨烯6圖 形陣列上實現(xiàn)源電極7和漏電極8圖形陣列精確對準，隨后沉積金屬并剝離去膠，形成源電極7和漏電極8。以上涉及到的圖形化工藝步驟，其特征在于光刻及EBL曝光的圖形均為陣列化的圖形，可以在一次流片的過程中制備多個石墨烯6場效應管的陣列，便于大規(guī)模石墨烯基的集成電路的制造。由上可見，所制備形成的柵介質結構的石墨烯場效應器件至少包括具有柵電極溝槽11的襯底I ;形成于所述柵電極溝槽11中的柵電極3 ;A1203介電薄膜層4，位于所述柵電極溝槽11中的柵電極3表面，且Al2O3介電薄膜層4表面與襯底I表面齊平；覆蓋于所述Al2O3介電薄膜層4和襯底I表面的BN薄膜層5 ;形成于所述BN薄膜層5上方的石墨烯6 ；設置在所述石墨烯6上方的源電極7和漏電極8，所述源電極7和漏電極8分別與石墨烯6電性連接。綜上所述，本發(fā)明提供一種柵介質結構的石墨烯場效應器件極其制備方法，采用金屬柵電極-柵氧化物一體化的制備工藝步驟，制備了 Al柵電極及柵氧化物Al2O3,自然氧化形成的Al2O3柵介質薄膜質量好、介電性能高，能有效利用石墨烯中固有載流子的遷移率；另外，制備的BN薄膜與Al2O3薄膜共同構成新型的柵介質結構，BN薄膜具有較好的絕緣性、導熱性和化學穩(wěn)定性，其表面粗糙度極小，采用BN作為柵氧化層與石墨烯間的緩沖層，可極大地降低石墨烯和Al2O3界面之間產生的電荷雜質及缺陷，并降低柵介質薄膜表面粗糙度引起的石墨烯中載流子的散射，從而保持石墨烯較高的載流子遷移率，同時BN良好的絕緣性可以防止柵電極漏電流的產生。本發(fā)明提供的制備方法與傳統(tǒng)CMOS制造工藝兼容，簡化了器件的制備工藝，有利于提高器件的性能。該發(fā)明適用于石墨烯基電子器件及大規(guī)模碳基集成電路的加工制造工藝。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術中的種種缺點而具高度產業(yè)利用價值。上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種基于柵介質結構的石墨烯場效應器件的制備方法，其特征在于，所述制備方法至少包括 1)提供一襯底，刻蝕所述襯底形成柵電極溝槽； 2)在所述襯底表面沉積金屬Al材料，并使所述金屬Al材料填充于所述柵電極溝槽； 3)采用拋光工藝拋除所述柵電極溝槽外的金屬Al材料，使所述襯底表面與柵電極溝槽內金屬Al材料表面齊平，所述溝槽內的金屬Al材料為柵電極； 4)通入O2使所述金屬Al材料表面氧化，形成致密的Al2O3介電薄膜層，刻蝕所述Al2O3介電薄膜層，露出部分金屬Al作為柵電極接觸； 5)采用等離子體增強化學氣相沉積工藝在步驟4)的結構表面制備BN薄膜層，刻蝕所述BN薄膜層，露出柵電極； 6)在所述BN薄膜層表面形成石墨烯，刻蝕所述石墨烯形成導電溝道。
7 )在所述石墨烯表面制備形成源電極和漏電極，形成基于Al2O3-BN新型柵介質結構的石墨烯場效應器件結構，其中，所述源電極和漏電極分別與石墨烯電性連接。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于柵介質結構的石墨烯場效應器件的制備方法，其特征在于在步驟I)中包括襯底的清洗步驟。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于柵介質結構的石墨烯場效應器件的制備方法，其特征在于，在步驟6)包括有石墨烯生長和轉移工藝，包括 采用化學氣相沉積工藝在一拋光的基底上生長單層石墨烯； 在所述石墨烯上均勻涂覆聚合膠，將具有所述石墨烯和聚合膠的基底放入溶液中，腐蝕掉基底后轉移附著有聚合膠的石墨烯至所述BN薄膜層表面，丙酮去除聚合膠并進行退火處理。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于柵介質結構的石墨烯場效應器件的制備方法，其特征在于所述基底包括Cu、Ni或Pt片。
5.根據(jù)權利要求I所述的基于柵介質結構的石墨烯場效應器件的制備方法，其特征在于所述Al2O3介電薄膜層和BN薄膜層共同構成新型的柵介質結構。
6.根據(jù)權利要求I或5所述的基于柵介質結構的石墨烯場效應器件的制備方法，其特征在于所述BN薄膜為立方微晶結構。
7.根據(jù)權利要求I或5所述的基于柵介質結構的石墨烯場效應器件的制備方法，其特征在于所述Al2O3介電薄膜層的厚度為f 10nm。
8.根據(jù)權利要求I所述的基于柵介質結構的石墨烯場效應器件的制備方法，其特征在于氧化形成所述Al2O3介電薄膜層的溫度為低于400°C。
9.根據(jù)權利要求I所述的基于柵介質結構的石墨烯場效應器件的制備方法，其特征在于所述柵電極包括單柵、雙柵或多柵結構。
10.一種基于柵介質結構的石墨烯場效應器件，其特征在于所述場效應器件至少包括: 襯底，具有柵電極溝槽； 柵電極，形成于所述柵電極溝槽中； Al2O3介電薄膜層，位于所述柵電極溝槽中的柵電極表面，且Al2O3介電薄膜層表面與襯底表面齊平；BN薄膜層，覆蓋于所述Al2O3介電薄膜層和襯底表面； 石墨烯，形成于所述BN薄膜層的上方； 源電極和漏電極，設置在所述石墨烯的上方，所述源電極和漏電極分別與石墨烯電性連接。
11.根據(jù)權利要求10所述的基于柵介質結構的石墨烯場效應器件，其特征在于所述Al2O3介電薄膜層和BN薄膜層共同構成新型的柵介質結構。
12.根據(jù)權利要求10或11所述的基于柵介質結構的石墨烯場效應器件，其特征在于所述BN薄膜為立方微晶結構。
13.根據(jù)權利要求10或11所述的基于柵介質結構的石墨烯場效應器件，其特征在于所述Al2O3介電薄膜層的厚度為flOnm。
14.根據(jù)權利要求10所述的基于柵介質結構的石墨烯場效應器件，其特征在于所述柵電極包括單柵、雙柵或多柵結構。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于柵介質結構的石墨烯場效應器件及其制備方法，該石墨烯場效應器件包括具有柵電極溝槽的襯底；形成于所述柵電極溝槽中的柵電極；Al2O3介電薄膜層，位于所述柵電極溝槽中的柵電極表面，且Al2O3介電薄膜層表面與襯底表面齊平；覆蓋于所述Al2O3介電薄膜層和襯底表面的BN薄膜層；形成于所述BN薄膜層上方的石墨烯；設置在所述石墨烯上方的源電極和漏電極，所述源電極和漏電極分別與石墨烯電性連接。本發(fā)明制備的BN薄膜層與Al2O3介電薄膜層共同構成新型的柵介質結構，有效保持了石墨烯中固有載流子的高遷移率，增強柵極的場效應作用，適用于石墨烯基高射頻器件及碳基大規(guī)模集成電路制造領域。
文檔編號H01L29/51GK102931057SQ20121046174
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權日2012年11月16日
發(fā)明者王浩敏, 謝紅, 孫秋娟, 康曉旭, 劉曉宇, 謝曉明 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所