基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法，涉及半导体器件的制造方法【技术领域】。所述方法在于：在衬底上形成金属薄膜，在金属薄膜上形成石墨烯材料再在石墨烯材料上形成金属薄膜，利用光刻胶图形，去除未被光刻胶覆盖的地方的两层金属以及石墨烯层；形成设计的源、栅和漏的金属电极，并在源漏之间形成所需要的栅光刻胶图形，腐蚀掉暴漏出来的金属以及石墨烯材料下面的金属，形成器件沟道的悬浮，在暴漏出来的石墨烯表面形成种子层，在种子层上形成栅介质，然后在栅介质上形成栅金属，最终形成悬浮石墨烯晶体管。所述方法简单易行，可有效的避免器件加工工艺对石墨烯的污染，避免衬底对沟道区石墨烯的散射，提高石墨烯晶体管的性能。
【专利说明】基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件的利记博彩app【技术领域】，尤其涉及一种基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是一种具有理想二维晶体结构的碳质新材料，是目前已知导电性能最出色的材料，其饱和漂移速度为5.5 X IO7 cm/s，载流子迁移率大于200000 cm2/Vs，适用于制作超高频器件。然而载流子的散射是影响二维的石墨烯材料特性的主要因素之一。表面陷阱、界面声子、衬底和制备工艺过程中引入的杂质等是石墨烯材料的主要散射源。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法，所述方法可有效的避免衬底对沟道石墨烯的散射，避免器件加工工艺对石墨烯的污染，减小棚源和棚漏之间的间距，从而提闻石墨稀晶体管的性能。
[0004]为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是:一种基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法，其特征在于包括以下步骤:
O在衬底上沉积第一层金属；
2)在第一层金属上形成石墨烯层；
3)在石墨烯层上沉积第二层金属；
4)在第二层金属上，通过光刻胶图形覆盖所需要的区域；
5)用光刻胶图形作为掩膜，去除掉暴露出来的第二层金属；
6)用光刻胶图形作为掩膜，刻蚀掉暴露出来的石墨烯层；
7)用光刻胶图形作为掩膜，去除掉暴露出来的第一层金属，然后去除光刻胶图形，形成有源区；
8)形成源极、栅极和漏极的金属电极，其中源极和漏极与有源区的金属相连接；
9)在源极和漏极之间，用光刻胶形成栅掩膜图形；
10)利用光刻胶形成的栅图形做掩膜，使用腐蚀液去除暴露出来的第二层金属，由于腐蚀液的钻蚀，也会同时腐蚀掉暴漏出来的石墨烯层下面的第一层金属，形成部分悬空的石墨烯层；
11)在悬空的石墨烯层上形成栅金属，并去除栅掩膜图形的光刻胶；
12)利用栅金属的掩膜作用，自对准形成第三层金属。
[0005]优选的，在所述步骤10)和11)之间，还设有两个步骤，
第一步，利用光刻胶形成的栅图形做掩膜，在暴露出来的石墨烯层上形成栅介质种子
层；
第二步，在栅介质种子层上形成栅介质；
此时，步骤11)为，在栅介质上形成栅金属，并去除栅掩膜图形的光刻胶。[0006]优选的，所述衬底为绝缘层，所述绝缘层为Six0y、SixNy、BN、Alx0y、Hfx0y、AlxNy、SiC，S1、Sapphire、玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料PET、聚酰亚胺P1、聚二甲基硅氧烷中的一种或两种以上的混合物，其中x=0.5-3，Y=0-2。
[0007]优选的，所述衬底还包括位于所述绝缘层下侧的基底层，所述基底层为半导体材料、导电材料或不同于绝缘层材料中的一种或两种以上的混合物。
[0008]优选的，所述步骤2)中石墨烯层的形成可以是直接沉积或外延在衬底上或者在其他材料上生长，然后经过剥离转移到衬底上，石墨烯层为一层以上。
[0009]优选的，所述步骤I)中的第一层金属为可以被化学溶液腐蚀的金属，Au，Ti，Pt，，Pd, Ag, Cr, Cu, Al中的一种或两种以上的混合物；第一层金属由物理气相沉积、化学气相沉积、真空蒸发、电镀、化学镀层或者以上几种方法联合形成，第一层金属厚度在0.1nm到1000nm之间；第二层金属的选择和形成方式可参照第一层金属，可以与第一层金属相同也可以不同；所述步骤4)中光刻胶图形是通过平版印刷术形成所需要的图形，图形为设计的石墨烯晶体管有源区；所述步骤5)和步骤)7中使用氢氟酸、王水、碘化钾和碘的混合液、氨水与双氧水的混合液、硼酸溶液、盐酸溶液或硝酸与冰乙酸的混合液将暴露出来的第二层金属和第一层金属去除；步骤6)中暴露出来的石墨烯层通过氧等离子刻蚀或干法刻蚀去除。
[0010]优选的，步骤8)中源极、栅极和漏极的金属电极为钌、铑、钯、银、锇、铱、钼、金、钛、铝、铬、锗、钥、镍、钨、铜、钴、铁中的一种或至少两种相互组合的合金，厚度在0.1nm到1000nm之间；步骤9)中光刻胶栅掩膜图形为一层以上，栅图形可以是直栅、T型栅、T-T型栅、U型栅、G型栅或V型栅；所述步骤10)中使用氢氟酸、王水、碘化钾和碘的混合液、氨水与双氧水的混合液、硼酸溶液、盐酸溶液或硝酸与冰乙酸的混合液将暴露出来的第二层金属和第一层金属去除。
[0011]优选的，所述步骤11)中栅介质种子层为吸附的NO2、聚乙烯醇PVA、蒽甲醇或金属氧化物，种子层的厚度小于IOnm ;步骤12)中栅介质在种子层上形成，栅介质(13)为Η--2、ZrO2、La2O3、Al2O3、TlO2、SrTiO3、LaAlO3、Y2O3、Hf OxNy、ZrOxNy、La2OxNy、Al2OxNy'TiOxNy、SrTiOxNy、LaA10xNy、Y20xNy、硅酸盐中的一种或两种的混合物，其中x=0.5_3，Y=0_2 ;步骤12)中栅介质可以由物理气相淀积PVD，化学气相淀积CVD，原子层气相淀积ALD，分子束外延MBE和溶胶凝胶Sol-Gel方法中的一种或至少两种方法相结合形成。
[0012]优选的，所述步骤13)中栅金属为钌、错、钮、银、锇、铱、钼、金、钛、招、铬、锗、钥、镍、鹤、铜、钴、铁中一种或两种以上的混合物，金属厚度在0.1nm到1000nm之间。
[0013]优选的，所述步骤8)可以在步骤13)或步骤14)之后进行。
[0014]采用上述技术方案所产生的有益效果在于:所述方法因石墨烯层为悬浮状态，完全消除了衬底对沟道石墨烯材料的影响，有效的避免器件加工工艺对石墨烯的污染，使源漏间距和栅长相当，减小栅源和栅漏之间的间距，减小石墨烯晶体管的栅-源、栅-漏之间的通道电阻，从而提高石墨烯晶体管的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0016]图1是衬底经过实施例一中的步骤I)处理后的结构示意图； 图2是图1经过实施例一中的步骤2)处理后的结构示意图；
图3是图2经过实施例一中的步骤3)处理后的结构示意图；
图4是图3经过实施例一中的步骤4)处理后的结构示意图；
图5是图4经过实施例一中的步骤5)-步骤7)处理后的结构示意图；
图6是实施例一中的步骤7)去除光刻胶图形后的结构示意图；
图7是图6经过实施例一中的步骤8)处理后的结构示意图；
图8是经过实施例一中的步骤8)处理后的立体结构示意图；
图9是图7经过实施例一中的步骤9)处理后的结构示意图；
图10是图9经过实施例一中的步骤10)处理后的结构示意图；
图11是图10经过实施例一中的步骤11)处理后的结构示意图；
图12是图11经过实施例一中的步骤12)处理后的结构示意图；
图13-15是图12经过实施例一中的步骤13)处理后的结构示意图；
图16是图14经过实施例一中的步骤14)处理后的结构示意图；
是使用本方法后形成的石墨烯晶体管的结构示意图；
图17是T型栅金属的结构示意图；
其中:1、衬底2、绝缘层3、基底层4、第一层金属5、石墨烯层6、第二层金属7、光刻胶图形8、源极9、漏极10、栅极11、栅掩膜图形12、种子层13、栅介质14、栅金属15、第三层金属16、栅帽17、栅根。
【具体实施方式】
[0017]下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0018]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0019]实施例一
一种基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤I)在衬底I上沉积第一层金属4，如图1所示。所述步骤I)中衬底I可以只包括绝缘层2，绝缘层2包括一种非导电的介电材料，如Six0y、SixNy、BN等，或一种非导电的金属氧化物，如Alx0y、Hfx0y等，或一种非导电金属氮化物，如AlxNy等，或一种绝缘的半导体材料,如SiC, Si等,或一种绝缘材料,如Sapphire、玻璃等,或一种有机材料,如聚对苯二甲酸乙二醇酯材料(PET)，聚酰亚胺(Polyimide，PI)薄膜材料，聚二甲基硅氧烷等，或者是以上至少两种的相互组合。衬底I还可以在绝缘层2下面设置基底层3，所述基底层3可以是一种半导体材料，或一种导电材料，或一种其他的绝缘材料或者以上至少两种的相互组合。其中 x=0.5-3，Y=0-2。
[0020]所述步骤I)中的第一层金属4选择可以被化学溶液腐蚀的金属，例如Au，Ti，Pt，Ag，Cr，Cu, Pd等或者以上至少两种相互组合的合金。第一层金属4可以由物理气相沉积、化学气相沉积、真空蒸发、电镀(首先在表面形成导电种子层)、化学镀层(首先在表面形成导电种子层)或者以上几种方法联合形成。典型的金属厚度可以在Inm到IOOOnm之间，当然还可以是更小或更厚的厚度，需要根据需要进行设置。
[0021]步骤2)在第一层金属4上形成石墨烯层5，如图2所示。所述步骤2)中石墨烯层5的形成可以是直接沉积或外延在第一层金属4上或者在其他材料上生长，然后经过剥离，转移到第一层金属4上，石墨烯层5可以是一层，或者是多层。
[0022]步骤3)在石墨烯层5上沉积第二层金属6，如图3所示。所述步骤3)中第二层金属6的选择和形成方法参照第一层金属4,金属6可以和金属4相同，也可以不同。
[0023]步骤4)在第二层金属6上，通过光刻胶图形7覆盖所需要的区域，如图4所示。所述步骤4)中的光刻胶图形7可以是通过平版印刷术形成所需要的图形，例如矩形形状，矩形的面积为设计的石墨烯晶体管有源区。
[0024]步骤5)用光刻胶图形7作为掩膜，去除掉暴露出来的第二层金属6 ;步骤6)用光刻胶图形7作为掩膜，刻蚀掉暴露出来的石墨烯层5 ;步骤7)用光刻胶图形7作为掩膜，去除掉暴露出来的第一层金属4，然后去除光刻胶图形7，如图5-6所示。所述步骤5)中暴露出来的第二层金属去除，可以用化学腐蚀去除，例如氢氟酸、王水、碘化钾和碘的混合液、氨水与双氧水的混合液、硼酸溶液、盐酸溶液或硝酸与冰乙酸的混合液等，则在设计的石墨烯晶体管有源区上留下一层金属。所述步骤6)中有源区以外的石墨烯层可用刻蚀方法去除，例如氧等离子刻蚀，干法刻蚀等。所述步骤7)中暴露出来的第一层金属去除参照步骤5)中的方法。
[0025]步骤8)形成源极8、栅极10和漏极9的金属电极，其中源极8和漏极9与有源区的金属相连接，如图7-8所示。
[0026]所述步骤8)中源极8、栅极10和漏极9可以选择贵金属，还可以选择一般的金属，例如钌、错、钮、银、锇、铱、钼、金、钛、招、铬、锗、钥、镍、鹤、铜、钴、铁等，或者以上至少两种相互组合的合金，金属厚度在0.1nm到IOOOnm之间，其厚度范围还可以根据不同的需求变大或减小。金属电极形成方法参照第一层金属4。
[0027]步骤9)在源极8和漏极9之间，用光刻胶形成栅掩膜图形11，如图9所示。所述步骤9)中光刻胶栅掩膜图形为一层以上光刻胶，栅掩膜图形可以是直栅、T型栅、T-T型栅、U型栅、G型栅、V型栅等。
[0028]步骤10)利用光刻胶形成的栅图形做掩膜，使用腐蚀液去除暴露出来的第二层金属6，由于腐蚀液的钻蚀，也会同时腐蚀掉暴漏出来的石墨烯层下面的第一层金属4，形成部分悬空的石墨烯层，如图10所示。所述步骤10)中金属去除的参照步骤5)。如果第一层金属4和第二层金属6为不同种类的金属，可以先去除一种金属再去除另一种金属。
[0029]步骤11)利用光刻胶形成的栅图形做掩膜，在暴露出来的石墨烯层5上形成栅介质种子层12，如图11所示。所述步骤11)中栅介质种子层可以是吸附的NO2，或者是一层聚合物，如聚乙烯醇(PVA)、9蒽甲醇(polysen)等,或者是一层金属,然后形成成金属氧化物，典型的金属厚度小于2nm。金属的形成可以是物理气相沉积、化学气相沉积、真空蒸发、磁控溅射等。随后金属放在包含氧气气氛环境中，例如空气、含氧容器等，形成金属氧化物。典型的例子如Al金属，在空气中氧化形成Al2O3种子层，种子层的厚度一般小于10nm，根据不同的介质，种子层厚度范围可以有相应的变化。[0030]步骤12)在栅介质种子层12上形成栅介质13，如图12所示。所述步骤12)中栅介质可以是氧化物或者氮氧化物，例如Hf02、ZrO2, La203、A1203、TlO2, SrTiO3> LaA103、Y2O3,HfOxNy、ZrOxNy, La2OxNy、Al2OxNy、TiOxNy、SrTiOxNy, LaAlOxNy、Y2OxNy、硅酸盐和合金或者以上至少两种的相互组合，X取值范围在0.5-3，Y取值范围在0-2。
[0031]步骤13)在栅介质13上形成栅金属14，并去除栅掩膜图形的光刻胶；所述步骤13)中栅金属14可以选择贵金属，还可以选择一般的金属，例如钌、铑、钯、银、锇、铱、钼、金、钛、铝、铬、锗、钥、镍、钨、铜、钴、铁等或者以上至少两种相互组合的合金。金属厚度在
0.1nm到IOOOnm之间，其厚度范围还可以根据不同的需求变大或减小。栅金属的形成方法参照第一层金属4，栅金属14的形状可以是直栅，如图13所示，或者是栅的上部分比下部分大，例如，T型栅、T-T型栅、U型栅、G型栅、V型栅等，如图14所示，或者是栅的上部分比下部分小，例如倒梯形栅等，如图15所示。
[0032]步骤14)利用栅金属14的掩膜作用，自对准形成第三层金属15，如图15所示。所述步骤14)中金属15的种类、厚度和形成方法可以参照金属14，此步骤还可以取消不做。
[0033]在本实施例中，所述步骤13)中栅金属14选择可以自能够在表面形成一层氧化膜的金属，例如Al、Ti等或者至少两种金属的相互组合，则步骤11)和步骤12)也可以省略不做。所述步骤8)还可以在步骤13)或步骤14)后进行，只是工艺顺序的调整，不会对最终的器件造成影响。
[0034]综上所述，所述方法因石墨烯层为悬浮状态，完全消除了衬底对沟道石墨烯材料的影响，有效的避免器件加工工艺对石墨烯的污染，使源漏间距和栅长相当，减小栅源和栅漏之间的间距，减小石墨烯晶体管的栅-源、栅-漏之间的通道电阻，从而提高石墨烯晶体管的性能。
【权利要求】
1.一种基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法，其特征在于包括以下步骤: 1)在衬底(1)上沉积第一层金属(4)； 2)在第一层金属(4)上形成石墨烯层(5)； 3)在石墨烯层(5)上沉积第二层金属(6)； 4)在第二层金属(6)上通过光刻胶图形(7)覆盖所需要的区域； 5)用光刻胶图形(7)作为掩膜，去除掉暴露出来的第二层金属(6)； 6)用光刻胶图形(7)作为掩膜，刻蚀掉暴露出来的石墨烯层(5)； 7)用光刻胶图形(7)作为掩膜，去除掉暴露出来的第一层金属(4)，然后去除光刻胶图形(7)，形成有源区； 8)形成源极(8)、栅极(10)和漏极(9)的金属电极，其中源极(8)和漏极(9)与有源区的金属相连接； 9 )在源极(8 )和漏极(9 )之间，用光刻胶形成栅掩膜图形(11); 10)利用光刻胶形成的栅图形做掩膜，使用腐蚀液去除暴露出来的第二层金属(6)，由于腐蚀液的钻蚀，也会同时腐蚀掉暴漏出来的石墨烯层(5)下面的第一层金属(4)，形成部分悬空的石墨烯层； 11)在悬空的石墨烯层(5)上形成栅金属(14)，并去除栅掩膜图形的光刻胶； 12)利用栅金属(14)的掩膜作用，自对准形成第三层金属(15)。
2.根据权利要求1所述的基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法，其特征在于:在所述步骤10)和11)之间，还设有两个步骤， 第一步，利用光刻胶形成的栅图形做掩膜，在暴露出来的石墨烯层(5)上形成栅介质种子层(12); 第二步，在栅介质种子层(12)上形成栅介质(13)； 此时，步骤11)为，在栅介质(13)上形成栅金属(14)，并去除栅掩膜图形的光刻胶。
3.根据权利要求1所述的基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法，其特征在于:所述衬底为绝缘层(2)，所述绝缘层(2)为 SixOy、SixNy、BN、Alx0y、HfxOy, AlxNy、SiC, S1、Sapphire、玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料PET、聚酰亚胺P1、聚二甲基硅氧烷中的一种或两种以上的混合物，其中x=0.5-3，Y=0-2。
4.根据权利要求2所述的基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法，其特征在于:所述衬底(1)还包括位于所述绝缘层(2)下侧的基底层(3)，所述基底层为半导体材料、导电材料或不同于绝缘层(2 )材料中的一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求1所述的基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法，其特征在于:所述步骤2)中石墨烯层(5)的形成可以是直接沉积或外延在衬底(I)上或者在其他材料上生长，然后经过剥离转移到衬底(1)上，石墨烯层(5)为一层以上。
6.根据权利要求1所述的基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法，其特征在于:所述步骤I)中的第一层金属(4)为可以被化学溶液腐蚀的金属，Au, Ti, Pt, Pd, Ag, Cr, Cu,Al中的一种或两种以上的混合物；第一层金属(4)由物理气相沉积、化学气相沉积、真空蒸发、电镀、化学镀层或者以上几种方法联合形成，第一层金属(4)厚度在0.1nm到1000nm之间；第二层金属(6)的选择和形成方式可参照第一层金属(4),可以与第一层金属(4)相同也可以不同；所述步骤4)中光刻胶图形(7)是通过平版印刷术形成所需要的图形，图形为设计的石墨烯晶体管有源区；所述步骤5)和步骤)7中可选择氢氟酸、王水、碘化钾和碘的混合液、氨水与双氧水的混合液、硼酸溶液、盐酸溶液或硝酸与冰乙酸的混合液中的一种或者两种以上的腐蚀液，将暴露出来的第二层金属(6)和第一层金属(4)去除；步骤6)中暴露出来的石墨烯层通过氧等离子刻蚀或干法刻蚀去除。
7.根据权利要求1所述的基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法，其特征在于:步骤8)中源极(8)、栅极(10)和漏极(9)的金属电极为钌、铑、钯、银、锇、铱、钼、金、钛、铝、铬、锗、钥、镍、鹤、铜、钴、铁中的一种或至少两种相互组合的合金，厚度在0.1nm到1000nm之间；步骤9)中光刻胶栅掩膜图形为一层以上，栅图形可以是直栅、T型栅、T-T型栅、U型栅、G型栅或V型栅；所述步骤10)中可选择氢氟酸、王水、碘化钾和碘的混合液、氨水与双氧水的混合液、硼酸溶液、盐酸溶液或硝酸与冰乙酸的混合液中的一种或两种以上的腐蚀液，将暴露出来的第二层金属(6)和第一层金属(4)去除。
8.根据权利要求1所述的基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法，其特征在于:所述步骤11)中栅介质种子层(12)为吸附的NO2、聚乙烯醇PVA、蒽甲醇或金属氧化物，种子层的厚度小于IOnm ;步骤12)中栅介质(13)在种子层(12)上形成，栅介质(13)为Η--2、ZrO2、La2O3、Al2O3、TlO2、SrTiO3、LaAlO3、Y2O3、Hf OxNy、ZrOxNy、La2OxNy、Al2OxNy'TiOxNy、SrTiOxNy、LaA10xNy、Y20xNy、硅酸盐中的一种或两种的混合物，其中x=0.5_3，Y=0_2 ;步骤12)中栅介质可以由物理气相淀积PVD，化学气相淀积CVD，原子层气相淀积ALD，分子束外延MBE和溶胶凝胶Sol-Gel方法中的一种或至少两种方法相结合形成。
9.根据权利要求1所述的基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法，其特征在于:所述步骤13)中栅金属(14)为钌、错、钮、银、锇、铱、钼、金、钛、招、铬、锗、钥、镍、鹤、铜、钴、铁中一种或两种以上的混合物，金属厚度在0.1nm到1000nm之间。
10.根据权利要求 1所述的基于自对准的悬浮石墨烯晶体管制造方法，其特征在于:所述步骤8)可以在步骤13)或步骤14)之后进行。
【文档编号】H01L21/336GK103903987SQ201410113118
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月25日 优先权日:2014年3月25日
【发明者】李佳, 冯志红, 蔚翠, 刘庆彬 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所