基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法

摘要

本发明公开了一种基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，主要解决现有技术制备的石墨烯连续性差及石墨烯器件载流子迁移率低等问题。其实现步骤是：在清洗后Si样片上生长碳化层进而形成3C-SiC薄膜；在3C-SiC薄膜上淀积SiO₂，并在SiO₂上光刻出侧栅晶体管图形窗口；将光刻后的3C-SiC与Cl₂反应，生成碳膜；将碳膜样片置于氢氟酸溶液中去除SiO₂；将去除SiO₂后的碳膜样片置于Cu膜上，再将该整体置于Ar气中，高温下退火，使碳膜重构为石墨烯；在石墨烯样片上淀积金属Pd层和Au层，再刻蚀出侧栅晶体管的金属接触。本发明制作的石墨烯连续性好，其工艺过程保证了晶体管的迁移率，提升了器件性能。

主权项

一种基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法，包括以下步骤：(1)对4‑12英寸的Si衬底基片进行标准清洗；(2)生长碳化层：(2a)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；(2b)向反应室通入H₂后，使反应室逐步升温至碳化温度1000℃‑1150℃，通入流量为40sccm的C₃H₈，对衬底进行碳化4‑8min，生长一层碳化层；(3)对反应室升温至适宜3C‑SiC生长的1150℃‑1350℃，通入C₃H₈和SiH₄气体，进行3C‑SiC薄膜异质外延生长，生长时间为36‑60min，然后在H₂保护下逐步降温至室温，完成SiC薄膜的生长；(4)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方法，淀积一层0.5‑1μm厚的SiO₂掩膜层；(5)在SiO₂层上光刻出侧栅晶体管图形窗口：(5a)按照侧栅石墨烯晶体管的侧栅极，源极，漏极，导电沟道位置制作成光刻版；(5b)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；(5c)用电子束对PMMA层进行曝光，将光刻版上的图形转移到SiO₂掩膜上；(5d)使用缓冲氢氟酸对SiO₂掩膜层进行腐蚀，露出3C‑SiC，形成侧栅晶体管的侧栅极、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，加热至700‑1100℃；(7)向石英管中通入Ar气和Cl₂气的混合气体，持续4‑7min，使Cl₂与裸露的3C‑SiC发生反应，生成具有侧栅晶体管的侧栅极，源极，漏极和导电沟道图形的碳膜；(8)将生成的碳膜样片置于缓冲氢氟酸溶液中以去除窗口之外多余的SiO₂；(9)将去除SiO₂后的碳膜样片置于Cu膜上，再将它们一同置于Ar气中，在温度为900‑1100℃下退火10‑30分钟，使碳膜在侧栅晶体管的侧栅极，源极，漏极和导电沟道位置重构成连续石墨烯，再将Cu膜从生成石墨烯的样片上去除；(10)在生成石墨烯的样片上用电子束蒸发的方法淀积金属Pd/Au层；(11)光刻金属接触层：(11a)按照侧栅晶体管的侧栅极、源极、漏极金属电极位置制作光刻版；(11b)将浓度为7％的丙烯酸树脂PMMA溶液旋涂于金属层上，并用180℃烘烤60秒，使其与金属层紧密接触；(11c)用电子束曝光丙烯酸树脂PMMA，使光刻版上的图形转移到金属层上，再用氧气作为刻蚀气体对金属层进行RIE刻蚀，得到刻蚀后的样片；(12)使用丙酮溶液浸泡刻蚀后的样片10分钟，以去除残留的丙烯酸树脂PMMA，并烘干，获得侧栅石墨烯晶体管。