硅衬底的三氧化二铝栅介质双栅石墨烯晶体管及制备方法

摘要

本发明公开了一种硅衬底的三氧化二铝栅介质双栅石墨烯晶体管及制备方法，主要解决现有技术制备的石墨烯晶体管沟道载流子迁移率低及载流子散射的问题。其实现步骤是：在外延于Si衬底上的3C‑SiC表面淀积一层Al₂O₃，并光刻出双栅图形；将刻蚀后的样片置于石英管中，通过Cl₂与SiC反应，生成碳膜，再将将该碳膜样片置于Ar气中退火，生成石墨烯；然后将石墨烯样片上距导电沟道60‑400nm处的两侧Al₂O₃刻蚀掉，形成双栅槽；最后在石墨烯样片上淀积金属层并刻蚀成晶体管金属接触。本发明制作出的双栅石墨烯晶体管具有载流子迁移率高，抑制散射效应性能好，能更好调制沟道载流子浓度的优点，可用于制作大规模集成电路。

主权项

一种硅衬底的三氧化二铝栅介质双栅石墨烯晶体管的制备方法，包括以下步骤：1)清洗：对Si样片进行清洗，以去除表面污染物；2)生长碳化层：将清洗后的Si衬底基片放入化学气相淀积CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10^‑7mbar级别；在H₂保护下，使反应室逐步升温至900‑1200℃，通入C₃H₈气体，生长一层碳化层；3)外延生长3C‑SiC：对反应室升温至3C‑SiC的生长温度1200‑1350℃，通入C₃H₈和SiH₄，进行3C‑SiC薄膜异质外延生长，生长时间为30‑60min，然后在H₂保护下逐步降温至室温，完成3C‑SiC薄膜的生长；4)淀积Al₂O₃：在外延生长的3C‑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；5)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；6)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℃；7)反应生成碳膜：将装有CCl₄液体的三口烧瓶加热至60‑80℃，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；8)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℃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，即形成了石墨烯晶体管的源极、漏极和导电沟道；9)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，形成双栅槽；10)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；11)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PMMA旋涂于金属层上，并用200℃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PMMA，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；12)获得双栅石墨烯晶体管：使用丙酮溶液浸泡制作好的样片10min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。