[发明专利]一种自对准石墨烯场效应晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于场效应晶体管制造技术领域，具体涉及一种自对准石墨烯场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

以碳材料为基础的纳米电子学，尤其是石墨烯(Graphene)材料，由于其较高的载流子迁移率和饱和速度，及其二维平面结构可与传统的Si工艺集成，被认为具有极大的应用前景，被认为是可替代硅的下一代集成电路新材料。自从2004年石墨烯被成功研制以来，石墨烯器件的研究取得了巨大进展。基于石墨烯的微纳电子器件具有尺寸小、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。

石墨烯场效应晶体管近年来发展十分迅速，器件的截止频率已经达到了300GHz，但是其频率特性的进一步提高却受到了多方面因素的限制，其中一个重要因素就是通路区电阻过大。它对器件频率特性的影响随着栅长的减小而更加明显。

在石墨烯场效应晶体管中，为了减小栅与源漏电极之间的寄生电容，栅源与栅漏之间需要留出一定的通路区，由于石墨烯为单原子层结构，因此本身方块电阻很大。此外，由于通路区的石墨烯不受栅极电压的调控，费米能级靠近狄拉克点附近，电子能态密度较低，也会产生较大电阻。在传统硅基场效应晶体管中，通路区电阻可以通过掺杂的方式减小，但是这在石墨烯场效应晶体管中并不适用，因为石墨烯是二维结构，直接掺杂会破坏石墨烯的完整晶格给器件特性带来不利影响。

因此，开发自对准工艺来尽可能减小石墨烯场效应晶体管的通路区就成为了研究的重点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种自对准石墨烯场效应晶体管及其制备方法，以减小器件的通路电阻，提高器件直流和频率特性。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种自对准石墨烯场效应晶体管，该自对准石墨烯场效应晶体管包括半导体衬底10、绝缘层11、导电通道12、源电极13、漏电极14、栅介质层15、栅金属16和自对准金属17，其中，绝缘层11形成于半导体衬底10上，导电沟道12形成于绝缘层上，导电沟道12由石墨烯构成，源电极13和漏电极14分别形成于导电通道12的两侧，栅介质层15选择性沉积在源电极13和漏电极14之间的导电沟道12上，栅金属16形成于栅介质层15之上，栅介质层15与栅金属16同时图形化堆砌在一起形成栅堆积层，对沟道区载流子浓度进行调控；自对准金属17覆盖源电极13、漏电极14、导电通道12以及栅金属16之上，减小未被栅条覆盖区域面积，实现器件栅与源漏的自对准。

上述方案中，所述栅介质层15为活泼金属铝或钇，随后通过氧化的方法形成；或者所述栅介质层15由原子层沉积的金属氧化物层氧化铝、氧化锆或氧化铪形成。

上述方案中，所述栅介质层15的厚度在10纳米～50纳米之间。

上述方案中，所述自对准金属17采用钛、金、铬、钯或铂等金属。

上述方案中，所述自对准金属层的厚度小于介质层的厚度，在2纳米～20纳米之间。

为达到上述目的，本发明还提供了一种制备自对准石墨烯场效应晶体管的方法，该方法包括：

步骤S11：在半导体衬底上依次形成绝缘层和石墨烯导电沟道层，并在石墨烯导电沟道层上形成源电极和漏电极；

步骤S12：在源电极和漏电极之间的石墨烯导电沟道层上旋涂光刻胶，对该光刻胶进行曝光和显影，形成栅图形区；

步骤S13：在栅图形区选择性沉积活泼金属随后进行氧化处理，或者在栅图形区利用原子层沉积技术选择性低温沉积金属氧化物层，形成栅介质层；

步骤S14：在栅介质层上电子束蒸发栅金属；

步骤S15：剥离去除光刻胶和多余栅金属，并去除沟道区其它部位残胶；

步骤S16：在源电极13、漏电极14、导电通道12以及栅金属16之上电子束蒸发形成自对准金属层，且自对准金属层的厚度小于栅介质层的厚度。

上述方案中，步骤S12中所述光刻胶为正胶9912、翻转胶AZ5214、电子束胶PMMA、MMA、UVIII或ZEP胶。步骤S12中所述显影采用的显影液，对于正胶9912采用的显影液为CD26，对于翻转胶采用的显影液为AZ显影液，对于电子束胶采用的显影液为邻二甲苯或N50。

上述方案中，步骤S13中所述活泼金属是易被氧化的金属铝或钇，对活泼金属进行氧化处理包括：热板加热在空气中氧化，用RIE或Matrix产生的氧等离子体氧化，用氧紫外线的UV进行氧化，或者利用ALD腔体中的臭氧源进行氧化。