一种基于自对准工艺的石墨烯场效应晶体管制造方法与流程

本发明涉及微电子与固体电子技术领域，尤其涉及一种基于自对准工艺的石墨烯场效应晶体管制造方法。

背景技术：

随着晶体管特征尺寸的缩小，由于短沟道效应等物理规律和制造成本的限制，主流硅基材料与cmos技术正发展到10纳米工艺节点而很难继续提升。目前，以碳材料为基的纳米电子学得到了广泛的关注，尤其是随着石墨烯材料的发现，石墨烯具有超高电子迁移率以及电子饱和速度，并且具有二维平面结构，可以与传统硅工艺集成，因此被认为是可替代硅的下一代集成电路新材料。基于石墨烯的纳电子器件因为具有尺寸小、速度快、功耗低、工艺简单等特点，受到人们越来越广泛的关注。

但是，对于普通的石墨烯晶体管，由于石墨烯上下表面发生的各种散射，造成石墨烯的实际电子迁移率远低于其理论上所能达到的最大电子迁移率，限制了其在高频应用中的使用。此外，石墨烯场效应晶体管(gfet)在高频应用中的一个重要参数是本征频率ft，其与器件的接触电阻呈负相关关系，当器件的接触电阻降低时，本征频率增加。

在现有技术中，通过采用自对准工艺减小未被栅电极覆盖的沟道区域的长度，可以降低器件的接触电阻。当使用经自然氧化的铝作为栅介质层时，由于在限定栅介质层的区域时使用了负光刻胶，继续生长的栅电极可能覆盖栅介质层的边缘，从而造成栅电极与石墨烯直接接触，引起器件短路。因此，亟需设计一种新式的基于自对准工艺的石墨烯场效应晶体管制造方法，有效解决现有技术中栅电极易与石墨烯直接接触造成器件短路的问题。

技术实现要素：

本发明提供的基于自对准工艺的石墨烯场效应晶体管制造方法，能够针对现有技术的不足，有效解决栅电极易与石墨烯直接接触造成器件短路的问题。

第一方面，本发明提供一种基于自对准工艺的石墨烯场效应晶体管制造方法，其中包括：

步骤一、提供基板，在所述基板上沉积石墨烯层，并在所述石墨烯层上沉积自对准层；

步骤二、在所述自准层上旋涂第一光刻胶，经过图形化后刻蚀去除所述自对准层和所述石墨烯层未被所述第一光刻胶覆盖的部分，随后移除所述第一光刻胶；

步骤三、在所述自对准层上旋涂第二光刻胶，经图形化后刻蚀去除所述自对准层未被所述第二光刻胶覆盖的部分，在所述自对准层的中心位置开槽，并保留所述第二正光刻胶；

步骤四、在所述槽中沉积栅介质层和栅电极，旋涂第三光刻胶层并进行图形化，保留所述槽上方的所述第三光刻胶，刻蚀所述栅介质层和所述栅电极未被所述第三光刻胶层覆盖的部分，形成栅结构，去除所述第三光刻胶；

步骤五、产生源电极和漏电极。

可选地，上述第一光刻胶、第二光刻胶、第三光刻胶均为正性光刻胶。

可选地，上述基板为半导体基板、绝缘体基板、聚合物基板、层叠基板中的任何种类或其组合。

可选地，上述基板为硅基板，且在所述硅基板上覆盖有二氧化硅层。

可选地，上述石墨烯层为单原子层或多原子层。

可选地，上述单原子层或多原子层中的石墨烯为单晶结构。

可选地，上述自对准层为与所述石墨烯层形成低接触电阻的金属层。

可选地，上述自对准层为金层、钯层、钛层或者其组合。

可选地，上述自对准层的中心位置的槽宽度为50nm-3000nm。

可选地，上述栅介质层为氧化铝、二氧化铪、氮化硼、bcb、氧化钇或者其组合。

本发明提供的基于自对准工艺的石墨烯场效应晶体管制造方法，能够在限定栅介质层的区域时使用正光刻胶，消除负光刻胶显影后在图像区域边缘出现的倒梯形结构，从而避免栅电极与石墨烯层直接接触，使得石墨烯场效应晶体管的性能更加稳定。

附图说明

图1为现有技术中负性光刻胶显影后形成的晶体管结构示意图；

图2a至图2g为本发明一个实施例的石墨烯场效应晶体管制造步骤的晶体管结构示意图；

图3为本发明的一个实施例的石墨烯场效应晶体管制造方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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。

图1示出了现有技术中负性光刻胶显影后形成的晶体管结构示意图。如图所示，基板110上覆盖有一层石墨烯薄膜120，在石墨烯薄膜120上生长自对准层130(未示出)，并通过光刻将自对准层130图形化，形成自对准层区域131和132，通过自对准层131和132上的负光刻胶161和162来限定栅介质层140的区域，在生长栅介质层140后，由于负光刻胶显影之后在边缘形成倒梯形形状，继续生长的栅电极150可能覆盖栅介质层140的边缘，从而造成栅电极150与石墨烯薄膜120直接接触，引起器件短路。

在半导体器件制造工艺中，负性光刻胶具有较好的灵敏度、耐刻蚀性和附着性，不溶于显影液。而正性光刻胶具有很好的对比度，所以生成的图形具有良好的分辨率，当没有溶解抑制剂存在时，正性光刻胶会溶解在显影液中。本发明提供的基于自对准工艺的石墨烯场效应晶体管制造方法，在限定栅介质层140的区域时使用正光刻胶，消除负光刻胶显影后在图像区域边缘出现的倒梯形结构，能够避免栅电极150与石墨烯薄膜120直接接触导电。

图2a示出了本发明的一个实施例的石墨烯场效应晶体管制造步骤中的晶体管结构示意图，如图示出了基板210的结构示意图。特别的，基板210包括但不限于：半导体基板、绝缘体基板、聚合物基板、层叠基板中的任何种类或其组合。典型地，半导体基板材料包括例如硅、碳化硅、硅锗、锗、iii-v化合物或ii-vi化合物中的任何种类或其组合；绝缘体基板材料包括例如石英和/或蓝宝石；聚合物基板(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet))、层叠的基板(例如sio2/si、hfo2/si、al2o3/si或soi(绝缘体上硅)、或者任何前述基板种类的组合。在本发明的实施例中，基板210为sio2/si基板，在si上有一层sio2。

图2b示出了本发明的一个实施例的石墨烯场效应晶体管制造步骤中的晶体管结构示意图，如图所示，在基板210上沉积有石墨烯层220。优选地，石墨烯层220具有10个或更少的碳原子层，更优选地，石墨烯层220具有少于5个碳原子层，最优选地，石墨烯层220具有仅仅有1或2个碳原子层。

图2c示出了本发明的一个实施例的石墨烯场效应晶体管制造步骤中的晶体管结构示意图，如图所示，在石墨烯层220上沉积了自对准层230。自对准层230用于与石墨烯层220形成金属-半导体接触。自对准层230可以包括但不限于能够与石墨烯形成低电阻接触的任何金属。

图2d示出了本发明的一个实施例的石墨烯场效应晶体管制造步骤中的晶体管结构示意图，首先在图2c所示的器件上旋涂正光刻胶，经过图形化之后，分别使用湿法刻蚀和干法刻蚀去除自对准层230和石墨烯层220上未被光刻胶覆盖的部分，随后移除光刻胶，如图所示，得到石墨烯层220和自对准层230被刻蚀后的器件结构示意图。

图2e示出了本发明的一个实施例的石墨烯场效应晶体管制造步骤中的晶体管结构示意图，如图所示，自对准层230的一部分被移除。在该步骤中，首先在自对准层230上旋涂正光刻胶，经图形化之后，使用湿法刻蚀去除自对准层230上未被光刻胶覆盖的部分，从而在自对准层230的中心位置开出具有一定宽度的槽233。由于湿法刻蚀金属产生的钻蚀效果，槽233的宽度略大于光刻胶所限定的图像的宽度。特别的，保留器件上的正光刻胶。

图2f示出了本发明的一个实施例的石墨烯场效应晶体管制造步骤中的晶体管结构示意图，如图所示，在器件上沉积栅介质层240和栅电极250。在该步骤中，首先在器件上按顺序沉积栅介质层240和栅电极250。接着，在器件上旋涂正光刻胶层并且将其图形化，保留正光刻胶层在槽233上方的部分。接着，通过湿法刻蚀将栅介质层240和栅电极250未被正光刻胶层覆盖的部分移除，从而形成器件包括栅介质层240和栅电极250的栅结构。最后，去除剩余正光刻胶。

图2g示出了本发明的一个实施例的石墨烯场效应晶体管制造步骤中的晶体管结构示意图，如图示出了沉积源电极(261)和漏电极(262)之后的器件。在该步骤中，使用现有技术工艺产生源电极和漏电极。

图3示出了本发明的一个实施例的石墨烯场效应晶体管制造方法的流程图。如图所示，s31为提供基板，在基板上沉积石墨烯层，并在石墨烯层上沉积自对准层；s32为在自准层上旋涂正光刻胶，经过图形化后，刻蚀去除自对准层和石墨烯层未被光刻胶覆盖的部分，随后移除光刻胶；s33为在自对准层上旋涂正光刻胶，经图形化后，刻蚀去除自对准层未被光刻胶覆盖的部分，在自对准层的中心位置开出槽，并保留正光刻胶；s34为顺序沉积栅介质层和栅电极，在器件上旋涂正光刻胶层并且将其图形化，保留槽上方的正光刻胶，刻蚀栅介质层和栅电极未被正光刻胶层覆盖的部分，形成栅结构，去除剩余正光刻胶；s35为产生源电极和漏电极。

本发明实施例提供的基于自对准工艺的石墨烯场效应晶体管制造方法，能够在限定栅介质层的区域时使用正光刻胶，避免栅电极与石墨烯层直接接触，使得石墨烯场效应晶体管的性能更加稳定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。