[发明专利]基于Cu膜退火的Si衬底上侧栅石墨烯场效应管制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体薄膜材料的场效应管制备方法，具体地说是基于Cu膜退火的Si衬底上侧栅石墨烯场效应管制作方法，可用于高频和高速电路中。

技术背景

英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫于2004年发现石墨薄片。自从这种由嵌入碳原子的二维蜂巢晶格组成的单层膜结构被发现以来，作为未来纳米电子学的代替材料，石墨烯已经吸引了诸多学者投入该领域的研究。石墨烯由于其卓越的力学、热学、电学、光学等性质，成为被寄予厚望取代Si的半导体候选材料之一。生产晶圆级石墨烯薄膜的潜在可能性连同器件的平面工艺使得石墨烯器件工艺可以和CMOS工艺兼容，在这方面它优于碳纳米管器件。

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。

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。它们都有一定的缺点，但这不会影响石墨烯在场效应管方面的应用前景。现有技术制作石墨烯场效应晶体管GFET时顶栅介质会引入更多的散射源，引起正面和背面散射，同时在刻蚀过程中，石墨烯薄膜也很容易受到破坏，使得顶栅石墨烯场效应晶体管的迁移率显著下降。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于Cu膜退火的Si衬底上侧栅石墨烯场效应管制作方法，以避免顶栅石墨烯场效应管的正面和背面散射效应，选择性地生长石墨烯形成侧栅结构，免除后续刻蚀工艺对石墨烯的损伤，从而提高场效应管的电子迁移率。

为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤：

（1）对4-12英寸的Si衬底基片进行标准清洗以去除表面污染物；

（2）将清洗后的Si衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10^-7mbar级别，而后在H₂保护的情况下，使反应室逐步升温至碳化温度900℃-1100℃，通入流量为40ml/min的C₃H₈气体3-8min，生长一层碳化层；

（3）将反应室升温至3C-SiC的生长温度1100℃-1250℃，再通入C₃H₈和SiH₄，进行3C-SiC薄膜异质外延生长，生长时间为35-70min；然后在H₂保护下逐步降温至室温，完成3C-SiC薄膜的生长；

（4）在生长好的3C-SiC样片表面利用等离子体化学气相淀积PECVD淀积一层0.5-1μm厚的SiO₂掩膜；

（5）在SiO₂掩膜上光刻形成侧栅场效应管的侧栅极、源极、漏极和导电沟道图形的窗口；

（6）将开窗后的样片置于石英管中，对石英管加热至800-1000℃；

（7）对装有CCl₄液体的三口烧瓶加热至60-80℃，再向三口烧瓶中通入Ar气，利用Ar气携带CCl₄蒸汽进入石英管中，使CCl₄与裸露的3C-SiC反应30-120min，生成碳膜；

（8）将生成的碳膜的样片置于缓冲氢氟酸溶液中以去除窗口之外的SiO₂；

（9）将去除SiO₂后的碳膜样片置于Cu膜上，并一起置于Ar气中在温度为800-1000℃下退火10-25分钟，使碳膜在窗口位置重构成石墨烯，形成侧栅石墨烯场效应管的侧栅极、源极、漏极和导电沟道；

（10）将Cu膜从已形成侧栅极、源极、漏极和导电沟道的石墨烯样片上取开；

（11）在石墨烯样片上用电子束蒸发的方法淀积金属Pd和金属Au，作为侧栅石墨烯场效应管的接触层；

（12）光刻金属接触层形成侧栅石墨烯场效应管的侧栅极、源极、漏极金属电极；

（13）使用丙酮溶液浸泡制作好的样品10分钟以去除残留的PMMA，取出后烘干，得到侧栅石墨烯场效应管。