[发明专利]一种适用于石墨烯基场效应管制造的纳米光刻方法

说明书

技术领域

本发明属于碳基集成电路制造技术领域，具体涉及一种石墨烯基场效应晶体管的制备方法，特别涉及一种适用于石墨烯基器件例如场效应管、存储单元纳米制备的纳米光刻方法。 

背景技术

根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽，硅基集成电路在11纳米后无法突破其物理局限包括电流传输损耗，量子效应，热效应等，因此很难生产出性能稳定、集成度更高的产品。随着半导体技术的不断发展，硅基集成电路器件尺寸距离其物理极限越来越近。

为延长摩尔定律的寿命，国际半导体工业界纷纷提出超越硅技术（Beyond Silicon），其中最有希望的石墨烯应运而生。石墨烯（Graphene）是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，是由单层六角元胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体。石墨烯具有零禁带特性，即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可以达到微米级, 同时，石墨烯还具有远比硅高的载流子迁移率,所以它是一种性能优异的半导体材料。基于其独特的二维结构和物理特性，石墨烯被认为是下一代集成电路中有望延续摩尔定律的重要材料。

作为新型的半导体材料，石墨烯已经被应用于MOS（Metal-Oxide-Semiconductor，金属-氧化物-半导体）场效应晶体管中。IBM公司已经于2010年2月在2寸硅片上开发出了频率高达100GHz、栅极长度为240纳米的石墨烯通道场效应晶体管。

石墨烯晶体管面临的两个主要挑战1）能带带隙为零；2）在硅衬底上形成沟道；现在已经被国际科学界逐步克服。但是针对制造石墨烯基器件例如场效应管、存储单元的纳米级光刻方法并未有研究，而纳米级别光刻技术的建立是规模制造石墨烯基器件的必需条件。

发明内容

本发明的目的在于提出一种石墨烯基场效应晶体管的制备方法，具体提出一种适用于石墨烯基器件例如场效应管、存储单元的纳米光刻方法，该石墨烯基器件的纳米光刻方法可以在未来超越硅材料后的碳基大规模集成电路制造中获得应用。

为达到本发明的上述目的，本发明提出了一种石墨烯氧化物的形成及纳米加工方法，具体步骤包括：

利用化学气相沉积方法在提供的衬底上形成石墨烯层；

将所述石墨烯层经过氧化处理形成石墨烯氧化物；

利用温度可控的纳米尺寸热接触探针使得绝缘性的石墨烯氧化物还原为导电性的石墨烯或者石墨烯与石墨烯氧化物的混合物。

进一步地，所述的氧化方法是采用反应离子刻蚀及远程等离子氧化，且选择半导体常用的刻蚀去胶设备进行氧化。所述纳米尺寸热接触探针的温度范围为100-600℃。

石墨烯氧化物可以看做是由石墨烯吸附大量氧离子功能团形成，调节功能团可以调制石墨烯的电学、光学等各属性，同时石墨烯氧化物在一定的加热条件下可以由相对绝缘性转换为导电性的石墨烯或者石墨烯与石墨烯氧化物的混合物。

采用接触探针热还原方法对任意衬底上的石墨烯氧化物进行纳米光刻，可以直写石墨烯基纳米电子器件，类似于电子束光刻在现在掩膜工厂制造掩膜的技术。一般接触探针尺寸为小于50纳米，先进探针可以做到探针尖只有单个原子，借助此特性，对任意衬底上的石墨烯氧化物上实施接触探针热还原，可以做到单原子级别器件，因此，该工艺可以被称为单原子级热探针直写石墨烯场效应管技术，具体包括：

利用化学气相沉积方法在提供的衬底上形成石墨烯层；

将所述石墨烯层经过氧化处理形成石墨烯氧化物；

利用温度可控的纳米尺寸热接触探针使得接触区部分石墨烯氧化物还原成为高导电率的石墨烯，形成石墨烯场效应管的源极、漏极和控制栅极；

利用温度可控的纳米尺寸热接触探针在所述源极与漏极之间形成渐变型石墨烯与石墨烯氧化物的混合物，形成石墨烯极场效应管的沟道区域。

更进一步地，形成所述石墨烯场效应管的源极、漏极和控制栅极时，纳米尺寸热接触探针的温度范围为200-600℃。形成所述石墨烯极场效应管的沟道区域时，纳米尺寸热接触探针的温度范围为100-200℃。

采用接触探针热还原法对任意衬底上的石墨烯氧化物进行可控还原，通过控制探针温度来控制还原石墨烯氧化物的成分从而控制沟道电阻率。利用单原子尺寸热接触探针在石墨烯氧化物上直写石墨烯基场效应管，可以实现石墨烯基纳米场效应管的光刻制造工艺，这大大简化了石墨烯场效应管制备的复杂性，并降低了工艺实施的困难程度。单原子级热探针直写石墨烯技术还可以提供石墨烯基传感器、射频器件等制备的图形化技术，也可以作为石墨烯基电子器件的基本加工工艺。