基于Ni膜退火的Si衬底侧栅石墨烯晶体管制备方法

摘要

本发明公开了一种基于Ni膜退火的Si衬底侧栅石墨烯晶体管制备方法，其实现步骤如下：(1)清洗Si衬底；(2)在Si衬底上先生长一层碳化层作为过渡，再在温度1200℃-1350℃下生长3C-SiC薄膜；(3)在3C-SiC样片表面淀积一层SiO₂，并光刻出侧栅晶体管的侧栅极、源极、漏极和导电沟道图形窗口，露出3C-SiC；(4)将开窗后裸露的3C-SiC在800-1000℃下与气态CCl₄反应，生成碳膜；(5)去除剩余的SiO₂；(6)在碳膜上电子束蒸发沉积Ni膜；（7）将沉积有Ni膜的碳膜样片置于Ar气中，在1000-1200℃温度下退火15-25min，生成侧栅石墨烯晶体管图形；(8)在石墨烯样片上淀积金属Pd/Au层，并刻蚀形成金属电极。本发明制作出的侧栅石墨烯晶体管工艺步骤简单，载流子迁移率高，具有良好的输运特性，能避免顶栅石墨烯晶体管顶栅介质的散射效应。

主权项

一种基于Ni膜退火的Si衬底侧栅石墨烯晶体管制备方法，包括以下步骤：(1)Si衬底清洗：对4‑12英寸的Si衬底基片进行标准清洗；(2)Si衬底上生长碳化层：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；在H₂保护的情况下，使反应室逐步升温至碳化温度1000℃‑1200℃，通入流量为30ml/min的C₃H₈，对衬底进行碳化4‑8min，生长一层碳化层；(3)生长3C‑SiC薄膜：对反应室加温至生长温度1200℃‑1350℃，通入C₃H₈和SiH₄，进行3C‑SiC薄膜异质外延生长，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SiO₂掩膜：在生长好的3C‑SiC薄膜表面利用等离子体增强化学气相沉积PECVD淀积一层0.5‑1μm厚的SiO₂，作为掩膜；(5)光刻掩膜层：按照侧栅石墨烯晶体管的的侧栅极、源极、漏极和导电沟道图形制作成光刻版；在掩膜表面以旋涂一层浓度为3％的丙烯酸树脂PMMA溶液，并在180℃下烘烤60秒，使其与掩膜紧密结合在一起；用电子束对丙烯酸树脂PMMA层曝光，电子加速电压100kV，曝光强度为8000‑9000μC/cm²，将光刻版上的图形转移到掩膜上；使用缓冲氢氟酸对SiO₂掩膜层进行腐蚀，露出3C‑SiC，形成侧栅石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极和导电沟道图形；(6)连接反应装置并加热：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、石英管和电阻炉组成的反应装置，再对石英管加热至800‑1000℃；(7)反应生成碳膜：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流速为40‑80ml/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3C‑SiC反应30‑120min,生成碳膜；(8)去除SiO₂掩膜：将生成的碳膜样片置于缓冲氢氟酸溶液中以去除窗口以外的SiO₂掩膜；(9)电子束沉积Ni膜：在去除了SiO₂的碳膜样片上用电子束沉积300‑500nm厚的Ni膜；(10)退火重构成石墨烯：将沉积有Ni膜的碳膜样片置于Ar气中在温度为1000‑1200℃下退火15‑25分钟，使碳膜在窗口位置重构成石墨烯，形成侧栅石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极和导电沟道，再置于HCl和CuSO₄混合溶液中去除Ni膜；(11)淀积金属接触层：在已退火后的石墨烯样片上用电子束蒸发的方法淀积金属Pd和金属Au作为侧栅石墨烯晶体管的接触层；(12)光刻金属形成电极：按照侧栅石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极的电极图形制作光刻版；将浓度为7％的丙烯酸树脂PMMA溶液旋涂于金属接触层上，并用180℃烘烤60秒，使其与金属接触层紧密接触；用电子束曝光丙烯酸树脂PMMA，将光刻版上的图形转移到金属上；以氧气为刻蚀气体采用反应离子刻蚀RIE金属接触层，形成侧栅石墨烯晶体管的侧栅极、源极、漏极金属电极；(13)去除PMMA：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，得到侧栅石墨烯晶体管。