以三氧化二铝为栅介质的双栅石墨烯晶体管及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种以三氧化二铝为栅介质的双栅石墨烯晶体管及其制备方法，主要解决现有技术制备中石墨烯晶体管顶栅电介质导致石墨烯沟道载流子迁移率降低以及载流子散射的问题。其结构特点是：石墨烯沟道两侧各设有一个栅电极，形成双栅结构；其制作步骤是：1.在清洗后的SiC样片表面淀积一层Al2O3，并在其上刻出结构图形；2.将刻蚀后的样片置于石英管中，通入CCl4与SiC反应生成碳膜，而后置于氩气中退火生成石墨烯，并刻蚀石墨烯沟道两侧60-400nm处的Al2O3，形成栅槽；3.在样片上淀积金属并将其刻成晶体管的金属接触。本发明制作的双栅石墨烯晶体管能有效地提高载流子迁移率和栅极对沟道电流的调制能力。
【专利说明】以三氧化二铝为栅介质的双栅石墨烯晶体管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子【技术领域】，涉及半导体器件制备方法，具体地说是以Al2O3为栅介质的双栅石墨烯晶体管制备方法，可用于大规模集成电路制作。
技术背景
[0002]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。
[0003]2005年Geim研究组与Kim研究组发现,室温下石墨烯具有约IOcm2 / V *s的高载流子迁移率，大约是商用硅片的10倍，并且受温度和掺杂效应的影响很小，这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势。较高的载流子迁移率和较小的接触电阻有助于进一步减小器件开关时间，超高的频率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，即使石墨烯减小到纳米尺度时，同样能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法刻蚀将同一片石墨烯加工成量子点、引线和栅极，获得了室温下可以使用的石墨烯单电子场效应管，解决了目前单电子场效应管由于纳米尺度材料的不稳定性所带来的使用温度受限的问题。荷兰科学家则报道了第一个石墨烯超导场效应管，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，为低能耗、开关时间快的纳米尺度超导电子器件带来突破。
[0004]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等。这些石墨烯场效应晶体管GFET的制备工艺中，需要将石墨烯沉积或者转移到特定的Si或SiC衬底上。而在现有的顶栅工艺中，由于顶栅介质会引入更多的散射源，同时在制作过程中，石墨烯薄膜也很容易受到破坏，引起正面和背面散射，使得顶栅TG-GFET的迁移率显著下降。
[0005]国际商业机器公司IBM研究中心宣称研究出世界上速度最快的石墨烯场效应晶体管，工作频率达到26GHz，这是目前为止测量到的石墨烯晶体管的最快工作频率。IBM表示栅极在顶部的石墨烯晶体管由绝缘硅晶圆所制成，在不同的栅极电压和长度下均有很高的工作频率。研究结果表明，随着频率的增高，石墨烯晶体管电流增益的下降同样遵循传统晶体管的响应曲线。而最高截止频率和栅极长度的平方成反比，在栅长为150nm的时候达到26GHz。为了实现工作在THz频率范围的晶体管，就需要进一步减小栅长。
[0006]随着晶体管栅长的减小，为了确保器件电场内部特性，根据恒定电场按比例法则，介质层厚度必须按照相同比例缩小。当前，广泛使用SiO2作为场效应管的栅介质。当其厚度减小到纳米量级时，通过SiO2的漏电流随厚度减小成指数增长，这样巨大的漏电流严重影响到器件性能，使SiO2不能起到绝缘作用，最终导致SiO2不再适合作为场效应晶体管FET的栅介质。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种以氧化铝为栅介质的双栅石墨烯晶体管及其制备方法，以避免超薄栅介质SiO2隧穿导致的漏电流问题；免除在制造晶体管过程中对石墨烯的刻蚀过程，有效的抑制散射效应；同时提高石墨烯晶体管栅极对沟道载流子浓度的调制作用。
[0008]为实现上述目的，本发明的双栅石墨烯晶体管，包括:石墨烯沟道、电极、栅介质层和半绝缘衬底，其特征在于，石墨烯沟道的两侧各设有一个栅电极，每个栅电极与石墨烯沟道之间各设有一层栅介质层，形成双栅电极结构。
[0009]作为优选，所述的栅介质采用Al2O3材料，以加厚栅介质层的物理厚度，防止栅击穿。
[0010]作为优选，所述的每个栅电极与石墨烯沟道之间的间隔为60-400nm。
[0011]作为优选，所述的半绝缘衬底采用半绝缘4H_SiC或者6H_SiC衬底。
[0012]为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤:
[0013]I)清洗:对SiC样片进行清洗，以去除表面污染物；
[0014]2)淀积Al2O3:在清洗后的SiC样片表面利用原子层淀积ALD方法生长Al2O3薄膜，作为掩膜和栅介质层；
[0015]3)光刻图形:按照双栅石墨烯晶体管的源极S、漏极D、导电沟道位置制作成第一张光刻版；在Al2O3薄膜表面旋涂一层光刻胶，再利用第一张光刻版，对光刻胶进行电子束曝光，形成腐蚀窗口 ；使用腐蚀剂对腐蚀窗口处的Al2O3薄膜进行腐蚀，露出SiC，得到与光刻板图形相同的窗口；
[0016]4)连接装置并加热:将开窗后的样片置于石英管中，并连接好由三口烧瓶、水浴锅、电阻炉和石英管组成的反应装置，用电阻炉对石英管加热至750-1150°C ；
[0017]5)反应生成碳膜:将装有0:14液体的三口烧瓶加热至60-80°C，再向三口烧瓶中通入流速为40-90ml/min的Ar气,利用Ar气携带CCl4蒸汽进入石英管中，使CCl4与裸露的SiC反应20-100min，生成碳膜；
[0018]6)退火形成石墨烯:将生成的碳膜样片置于流速为20-100ml/min的Ar气中，在温度为900-1100°C下退火10-20分钟，使碳膜在窗口位置重构成具有结构图形的石墨烯，即形成了双栅石墨烯晶体管的源极、漏极和导电沟道；
[0019]7)开栅槽:将形成的石墨烯样片上距导电沟道60_400nm处的两侧Al2O3刻蚀掉，形成栅槽；
[0020]8)淀积金属接触层:在开有栅槽的石墨烯样片上用电子束蒸发的方法淀积金属Pd/Au接触层；
[0021]9)光刻金属接触层:按照双栅、源、漏金属电极位置制作第二张光刻版；将浓度为7%的聚甲基丙烯酸甲酯溶液旋涂于金属层上，并用200°C烘烤80s，使其与金属层紧密接触；利用第二张光刻版，电子束曝光聚甲基丙烯酸甲酯，在聚甲基丙烯酸甲酯层上形成用以刻蚀金属接触层的掩膜图形；再以氧气作为反应气体，使用反应离子刻蚀工艺，刻蚀金属接触层，形成双栅石墨烯晶体管的双栅、源、漏金属电极；
[0022]10)获得双栅石墨烯晶体管:使用丙酮溶液浸泡制作好的样片10分钟以去除聚甲基丙烯酸甲酯层，取出后烘干，获得双栅石墨烯晶体管。
[0023]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0024]1.本发明采用的栅介质Al2O3由于具有较高的介电常数，所以可以有比较大的物理厚度，从而避免了漏电流问题。
[0025]2.本发明由于直接在半绝缘衬底上生长石墨烯，在此石墨烯上制作器件时无需将石墨烯转移到其他绝缘衬底上，简化了工艺，提高了器件可靠性。
[0026]3.本发明的石墨烯晶体管，其石墨烯沟道只存在于结构图形区域且完全覆盖该区域，故无需对石墨烯进行刻蚀，保证了石墨烯中的电子迁移率不会降低，有效抑制了散射效应。
[0027]4.本发明的石墨烯晶体管由于采用双栅结构，提高了栅电压石墨烯晶体管栅极对沟道载流子浓度的调制作用。
[0028]5.本发明由于淀积的Al2O3，既可以作为掩膜又可以作为栅介质，进一步简化了制作工艺。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本发明双栅石墨烯晶体管的俯视图；
[0030]图2是本发明双栅石墨烯晶体管的截面图；
[0031]图3是制备石墨烯的设备示意图；
[0032]图4是本发明制作双栅石墨烯晶体管的流程图。
【具体实施方式】
[0033]参照图1和图2，本发明的晶体管，包括:栅电极1、源电极2、漏电极3、石墨烯沟道4、A1203栅介质层5、A1203掩膜层和4H-SiC或6H_SiC半绝缘衬底6 ；A1203掩膜层淀积在4H-SiC或6H-SiC半绝缘衬底6的硅面上，且刻有用于形成栅电极I的栅槽及用于形成石墨烯沟道4的结构图形；石墨烯沟道4生成于结构图形位置所裸露的4H-SiC或6H-SiC半绝缘衬底表面；源电极2和漏电极3分别设在石墨烯沟道4的两端，置于石墨烯沟道4的上方；石墨烯沟道4的两侧各有一个栅电极I，该栅电极I位于Al2O3掩膜层的栅槽中，且每个栅电极I与石墨烯沟道4之间的间隔为60nm-400nm ;位于每个栅电极I与石墨烯沟道4之间的Al2O3掩膜层即作为Al2O3栅介质层5，形成双栅电极结构。栅电极1、源电极2和漏电极3采用的接触金属，均为Pd/Au合金,其厚度为Pd=5nm, Au=100nm。
[0034]器件工作状态下，电流在石墨烯沟道4中，沿漏极3向源极2或者漏极3向源极2方向流动。栅极I与石墨烯沟道4用Al2O3栅介质层5隔开，通过给栅极I施加电压，调制石墨烯沟道4中，栅极I对应位置的电子浓度。
[0035]参照图3，本发明的制备石墨烯设备主要由三通阀门3，三口烧瓶8，水浴锅9，石英管5，电阻炉6组成；三通阀门3通过第一通道I与石英管5相连，通过第二通道2与三口烧瓶8的左侧口相连，而三口烧瓶8的右侧口与石英管5相连，三口烧瓶中装有CCl4液体，且放置在水浴锅9中，石英管5放置在电阻炉6中。三通阀门3设有进气口 4，用于向设备内通入气体。
[0036]参照图4，本发明制作双栅石墨烯晶体管的方法给出如下三个实施例:[0037]实施例1
[0038]步骤1:清洗6H_SiC样片，以去除表面污染物，如图4 (a)。
[0039](1.1)对6H_SiC样片使用ΝΗ40Η+Η202试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；
[0040](1.2)将去除表面有机残余物后的6H_SiC样片再使用HC1+H202试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。
[0041]步骤2:在6H_SiC样片表面淀积一层Al2O3,如图4 (b)。
[0042](2.1)将SiC样片放入生长室，向生长室中通入流量为IOsccm的N2进行2分钟的吹扫，重复循环5次；
[0043](2.2)打开温控器，将生长室加热到250°C，气路加热到40°C，持续60分钟；
[0044](2.3)向生长室中通入流量为IOsccm的N2进行2分钟的吹扫，重复循环3次。此后，向生长室持续通入流量为15SCCm的N2 ；
[0045](2.4),向腔室再通入流量为IOsccm的水蒸气,通入时间为I秒；40秒后，向腔室通入三甲基铝，其流量为5sCCm，通入时间为I秒，完成第一个Al2O3的原子层淀积周期；
[0046](2.5)完成一个Al2O3的原子层淀积周期的40秒后，向腔室再通入流量为IOsccm的水蒸气，通入时间为I秒；40秒后，向腔室通入三甲基铝，其流量为5sCCm，通入时间为I秒，完成另一个Al2O3的原子层淀积周期；
[0047](2.6)重复步骤(2.5)共2次，完成所需要的Al2O3层的淀积。
[0048]步骤3:在Al2O3薄膜上刻出结构图形窗口，如图4 (C)。
[0049](3.1)在Al2O3薄膜上旋涂一层光刻胶；
[0050](3.2)按照双栅石墨烯晶体管的源极S、漏极D、导电沟道位置制作成光刻版，用电子束曝光；
[0051](3.3)用组分为HF:NH4F:H20=3:6: 10的腐蚀剂对Al2O3薄膜进行腐蚀，将光刻版上图形转移到Al2O3薄膜上，露出6H-SiC，形成源、漏及沟道图形窗口，其中腐蚀得到的沟道长度为40nm,宽度为35nm。
[0052]步骤4:将开窗后的样片装入石英管，并排气加热。
[0053](4.1)将开窗后的样片放入石英管5中，并把石英管置于电阻炉6中，再将CCljf体装入三口烧瓶8中，并将三口烧瓶放入水浴锅9中，然后按照图2将石英管与三口烧瓶进行连接；
[0054](4.2)从三通阀门3的进气口 4通入流速为80ml/min的Ar气，并利用三通阀门3控制Ar气从第一通道I进入对石英管进行排空30分钟，使石英管内的空气从出气口 7排出；
[0055](4.3)打开电阻炉电源开关，对石英管加热至950°C。
[0056]步骤5:生长碳膜,如图4 (d)。
[0057](5.1)打开水浴锅9的电源，将装有CCl4液体的三口烧瓶8加热至70°C ；
[0058](5.2)当电阻炉达到设定的950°C后，旋转三通阀门，使流速为70ml/min的Ar气从第二通道2流入三口烧瓶，并携带CCl4蒸汽进入石英管，使气态CCl4与裸露的6H-SiC在石英管中反应60分钟，生成碳膜。
[0059]步骤6:退火形成石墨烯,如图4 (e)。[0060]将生成的碳膜样片置于流速为60ml/min的Ar气中，在温度为1000°C下退火15
分钟，使碳膜在窗口位置重构成石墨烯，即形成了双栅石墨烯晶体管的源极、漏极和导电沟道，获得双棚石墨稀样片。
[0061]步骤7:开栅槽，如图4 (f)。
[0062]将形成的双栅石墨烯样片上距导电沟道60nm处的两侧Al2O3刻蚀掉，形成栅槽。
[0063]步骤8:淀积金属接触层,如图4 (g)。
[0064](8.1)将双栅石墨烯样片放入电子束蒸发镀膜机中的载玻片上，调整载玻片到靶材的距离为50cm，并将反应室压强抽至5 X 10_4Pa，调节束流为40mA，淀积一层厚度为5nm的金属Pd ；
[0065](8.2)再利用电子束蒸发的方法淀积厚度为IOOnm的金属Au。
[0066]步骤9:光刻形成金属接触，如图4 (h)。
[0067](9.1)在金属层上旋涂浓度为7%的聚甲基丙烯酸甲酯溶液，并放入烘箱中，在200°C烘烤 80s ；
[0068](9.2)按照双栅、源、漏金属电极位置制作成光刻版，用电子束对聚甲基丙烯酸甲酯层曝光；
[0069](9.3)利用反应离子刻蚀工艺，刻蚀金属层，反应气体采用氧气，得到双栅石墨烯晶体管的双栅、源、漏金属电极。
[0070]步骤10:使用丙酮溶液浸泡制作好的样品10分钟去除聚甲基丙烯酸甲酯层，取出后供干，获得双棚石墨稀晶体管。
[0071]实施例2
[0072]步骤一:清洗4H_SiC样片，以去除表面污染物，如图4 (a)。
[0073]对4H_SiC样片使用ΝΗ40Η+Η202试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；将去除表面有机残余物后的4H-SiC样片再使用HC1+H202试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。
[0074]步骤二:在4H_SiC样片表面淀积一层Al2O3，如图4 (b)。
[0075]2a)将SiC样片放入生长室，向生长室中通入流量为IOsccm的N2进行2分钟的吹扫，重复循环5次；
[0076]2b)打开温控器，将生长室加热到250°C，气路加热到40°C，持续60分钟；
[0077]2c)向生长室中通入流量为IOsccm的N2进行2分钟的吹扫，重复循环3次。此后，向生长室持续通入流量为15SCCm的N2 ；
[0078]2d)向腔室再通入流量为IOsccm的水蒸气,通入时间为I秒；40秒后，向腔室通入三甲基铝，其流量为5sCCm，通入时间为I秒，完成第一个Al2O3的原子层淀积周期；
[0079]2e)完成一个Al2O3的原子层淀积周期的40秒后，向腔室再通入流量为IOsccm的水蒸气，通入时间为I秒；40秒后，向腔室通入三甲基铝，其流量为5sCCm，通入时间为I秒，完成另一个Al2O3的原子层淀积周期；
[0080]2f)重复步骤2e)共4次，完成所需要的Al2O3层的淀积。
[0081]步骤三:在Al2O3薄膜上刻出结构图形窗口，如图4 (C)。
[0082]在Al2O3薄膜上旋涂一层光刻胶；按照双栅石墨烯晶体管的源极S、漏极D、导电沟道位置制作成光刻版，用电子束曝光；接着用组分为HF:NH4F:H20=3:6:10的腐蚀剂对Al2O3薄膜进行腐蚀，将光刻版上图形转移到Al2O3薄膜上，露出4H-SiC，形成源、漏及沟道图形窗口，其中腐蚀得到的沟道长度为2um，宽度为350nm。
[0083]步骤四:将开窗后的样片装入石英管，并排气加热。
[0084]将开窗后的样片放入石英管5中，并把石英管置于电阻炉6中，再将CCl4液体装入三口烧瓶8中，并将三口烧瓶放入水浴锅9中，然后按照图1将石英管与三口烧瓶进行连接；从三通阀门3的进气口 4通入流速为80ml/min的Ar气，并利用三通阀门3控制Ar气从第一通道I进入对石英管进行排空30分钟，使石英管内的空气从出气口 7排出；打开电阻炉电源开关，对石英管加热至750°C。
[0085]步骤五:生长碳膜，如图4 ( d )。
[0086]打开水浴锅9的电源，将装有CCl4液体的三口烧瓶8加热至60°C ;当电阻炉达到设定的750°C后，旋转三通阀门，使流速为40ml/min的Ar气从第二通道2流入三口烧瓶，并携带CCl4蒸汽进入石英管，使气态CCl4与裸露的4H-SiC在石英管中反应20分钟，生成碳膜。
[0087]步骤六:退火形成石墨烯，如图4 ( e )。
[0088]将生成的碳膜样片置于流速为20ml/min的Ar气中，在温度为900°C下退火10分
钟，使碳膜在窗口位置重构成石墨烯，即形成了双栅石墨烯晶体管的源极、漏极和导电沟道，获得双棚石墨稀样片。
[0089]步骤七:开栅槽，如图4 (f)0
[0090]将形成的双栅石墨烯样片上距导电沟道200nm处的两侧Al2O3刻蚀掉，形成栅槽。
[0091]步骤八:与实施例1的步骤8相同。
[0092]步骤九:与实施例1的步骤9相同。
[0093]步骤十:与实施例1的步骤10相同。
[0094]实施例3
[0095]步骤A:对4H_SiC衬底基片使用ΝΗ40Η+Η202试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；将去除表面有机残余物后的4H-SiC样片再使用HC1+H202试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物，如图4 (a)。
[0096]步骤B:在4H_SiC样片表面淀积一层Al2O3薄膜，如图4 (b)
[0097]BI)将SiC样片放入生长室，向生长室中通入流量为IOsccm的N2进行2分钟的吹扫，重复循环5次；
[0098]B2)打开温控器，将生长室加热到250°C，气路加热到40°C，持续60分钟；
[0099]B3)向生长室中通入流量为IOsccm的N2进行2分钟的吹扫，重复循环3次，此后，向生长室持续通入流量为15SCCm的N2 ；
[0100]B4)向腔室再通入流量为IOsccm的水蒸气,通入时间为I秒；40秒后，向腔室通入三甲基铝，其流量为5sCCm，通入时间为I秒，完成第一个Al2O3的原子层淀积周期；
[0101]B5)完成一个Al2O3的原子层淀积周期的40秒后，向腔室再通入流量为IOsccm的水蒸气，通入时间为I秒；40秒后，向腔室通入三甲基铝，其流量为5sCCm，通入时间为I秒，完成另一个Al2O3的原子层淀积周期；
[0102]B6)重复步骤B5)共6次，完成所需要的Al2O3层的淀积。
[0103]步骤C:在Al2O3薄膜上刻出结构图形窗口，如图4 (C)。[0104]在Al2O3薄膜上旋涂一层光刻胶；按照双栅石墨烯晶体管的源极S、漏极D、导电沟道位置制作成光刻版，用电子束曝光；接着用组分为HF:NH4F:H20=3:6:10的腐蚀剂对Al2O3薄膜进行腐蚀，将光刻版上图形转移到Al2O3薄膜上，露出4H-SiC，形成源、漏及沟道图形窗口，其中腐蚀得到的沟道长度为4um,宽度为600nm。
[0105]步骤D:将开窗后的样片放入石英管5中，并把石英管置于电阻炉6中，再将CCl4液体装入三口烧瓶8中，并将三口烧瓶放入水浴锅9中，然后按照图1将石英管与三口烧瓶进行连接；从三通阀门3的进气口 4通入流速为80ml/min的Ar气，并利用三通阀门3控制Ar气从第一通道I进入对石英管进行排空30分钟，使石英管内的空气从出气口 7排出；打开电阻炉电源开关，对石英管加热至1150°C。
[0106]步骤E:打开水浴锅9电源，将装有CCl4液体的三口烧瓶8加热至80°C;当电阻炉达到设定的1150°C后，旋转三通阀门，使流速为90ml/min的Ar气从第二通道2流入三口烧瓶，并携带CCl4蒸汽进入石英管，使气态CCl4与裸露的4H-SiC在石英管中反应lOOmin，生成碳膜，如图4 (d)。
[0107]步骤F:将生成的碳膜样片置于流速为lOOml/min的Ar气中，在温度为1000°C下退火20分钟，使碳膜在窗口位置重构成石墨烯，即形成了双栅石墨烯晶体管的源极、漏极和导电沟道，犾得双棚石墨稀样片，如图4 (e)。
[0108]步骤G:将形成的双栅石墨烯样片上距导电沟道400nm处的两侧Al2O3刻蚀掉，形成栅槽，如图4 (f)0
[0109]步骤H:与实施例1的步骤8相同。
[0110]步骤1:与实施例1的步骤9相同。
[0111]步骤J:与实施例1的步骤10相同。
【权利要求】
1.一种以三氧化二铝为栅介质的双栅石墨烯晶体管，包括:石墨烯沟道(4)、电极、栅介质层(5)和半绝缘衬底(6)，其特征在于，石墨烯沟道(4)的两侧各设有一个栅电极(I)，每个栅电极(I)与石墨烯沟道(4 )之间各设有一层栅介质层(5 )，形成双栅电极结构。
2.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于栅介质(5)采用Al2O3材料，以加厚栅介质层的物理厚度，防止栅击穿。
3.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于每个栅电极(I)与石墨烯沟道(4)之间的栅介质厚度为60-400nm。
4.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于石墨烯沟道(4)的长度为40nm-4um，宽度为 35_600nm。
5.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于半绝缘衬底(6)采用半绝缘4H-SiC或者6H-SiC 衬底。
6.一种以三氧化二铝为栅介质的双栅石墨烯晶体管制备方法，包括以下步骤: 1)清洗:对SiC样片进行清洗，以去除表面污染物； 2)淀积三氧化二铝:在清洗后的SiC样片表面利用原子层淀积ALD方法生长Al2O3薄膜，作为掩膜和栅介质层； 3)光刻图形:按照双栅石墨烯晶体管的源极S、漏极D、导电沟道位置制作成第一张光刻版；在Al2O3薄膜表面旋涂一层光刻胶，再利用第一张光刻版，对光刻胶进行电子束曝光，形成腐蚀窗口 ；使用腐蚀剂对腐蚀窗口处的Al2O3薄膜进行腐蚀，露出SiC，得到与光刻板图形相同的窗口； 4)连接装置并加热:将开窗后的样片置于石英管中，并连接好由三口烧瓶、水浴锅、电阻炉和石英管组成的反应装置，用电阻炉对石英管加热至750-1150°C ； 5)反应生成碳膜:将装有CCl4液体的三口烧瓶加热至60-80°C，再向三口烧瓶中通入流速为40-90ml/min的Ar气，利用Ar气携带CCl4蒸汽进入石英管中，使CCl4与裸露的SiC反应20-100min，生成碳膜； 6)退火形成石墨烯:将生成的碳膜样片置于流速为20-100ml/min的Ar气中，在温度为900-1100°C下退火10-20min，使碳膜在窗口位置重构成具有结构图形的石墨烯，即形成了双栅石墨烯晶体管的源极、漏极和导电沟道； 7)开栅槽:将形成的石墨烯样片上距导电沟道60-400nm处的两侧Al2O3刻蚀掉，形成栅槽； 8)淀积金属接触层:在开有栅槽的石墨烯样片上用电子束蒸发的方法淀积金属Pd/Au接触层； 9)光刻金属接触层:按照双栅、源、漏金属电极位置制作第二张光刻版；将浓度为7%的聚甲基丙烯酸甲酯溶液旋涂于金属层上，并用200°C烘烤80s，使其与金属层紧密接触；利用第二张光刻版，电子束曝光聚甲基丙烯酸甲酯，在聚甲基丙烯酸甲酯层上形成用以刻蚀金属接触层的掩膜图形；再以氧气作为反应气体，使用反应离子刻蚀工艺，刻蚀金属接触层，形成双栅石墨烯晶体管的双栅、源、漏金属电极； 10)获得双栅石墨烯晶体管:使用丙酮溶液浸泡制作好的样片IOmin以去除聚甲基丙烯酸甲酯层，取出后烘干，获得双栅石墨烯晶体管。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤I)对SiC样片进行清洗，按如下步骤进行: la)使用ΝΗ40Η+Η202试剂浸泡SiC样片10分钟，取出后烘干，以去除样片表面有机残余物； Ib)使用HC1+H202试剂浸泡样片10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤2)中生长Al2O3薄膜，按如下工艺步骤进行: 2a)将SiC样片放入生长室，向生长室中通入流量为IOsccm的N2进行2分钟的吹扫，重复循环5次； 2b)打开温控器，将生长室加热到250°C，气路加热到40°C，持续60min ； 2c)向生长室中通入流量为IOsccm的N2进行2min的吹扫，重复循环3次； 2d)向生长室保持通入流量为15SCCm的N2 ； 2e)在通入N2的40s后，向腔室依次通入水蒸气和三甲基铝完成一个Al2O3的原子层淀积周期。其中水蒸气的通入流量为lOsccm，通入时间为Is ;三甲基铝的通入流量为5Sccm，通入时间为Is ； 2f)重复步骤2e)，直到所需要的Al2O3层全部淀积。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤3)所述的使用腐蚀剂对腐蚀窗口处的Al2O3薄膜进行腐蚀，其中腐蚀剂的配比关系是:HF:NH4F:H20=3:6:10，腐蚀速率为lOnm/s。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤8)中的电子束蒸发淀积，其工艺条件是:基底到靶材的距离为50cm，反应室压强为5X 10_4Pa，束流为40mA。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤8)中的金属Pd/Au层，其厚度为分别为 Pd=5nm，Au=100nm。
【文档编号】H01L29/423GK103840003SQ201410058290
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年2月21日 优先权日:2014年2月21日
【发明者】郭辉, 赵亚秋, 张玉明, 黄海栗, 雷天民, 胡彦飞 申请人:西安电子科技大学