[发明专利]基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及到一种在石墨烯薄膜半导体材料上制造电子器件的方法，具体地说是基于Cu膜退火和氯气反应的侧栅石墨烯晶体管制备方法。

技术背景

随着人们对高性能，高可靠性，低能耗设备需求的提高，对集成电路上器件特性变得愈发关注。石墨烯，这种由二维六角形碳晶格组成的材料，由于其突出的电学结构特性，自2004年被英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现得到后，即被当做制造高性能器件的备选材料。

制备石墨烯的新方法层出不穷，但使用最多的主要有以下两种：

一是化学气相沉积法，它是一种可控制备石墨烯的有效方法,其将平面基底，如金属薄膜、金属单晶等置于高温可分解的前驱体，如甲烷、乙烯等气氛中,通过高温退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯,最后用化学腐蚀法去除金属基底后即可得到独立的石墨烯片。通过选择基底的类型、生长的温度、前驱体的流量等参数可调控石墨烯的生长，如生长速率、厚度、面积等，此方法最大的缺点在于获得的石墨烯片层与衬底相互作用强，丧失了许多单层石墨烯的性质，而且石墨烯的连续性不是很好。

二是热分解SiC法，这种方法是将单晶SiC加热以通过使表面上的SiC分解而除去Si，随后用残留的碳形成石墨烯。然而，SiC热分解中使用的单晶SiC非常昂贵，并且生长出来的石墨烯呈岛状分布，孔隙多，层数不均匀，而且做器件时由于光刻工艺会使石墨烯的电子迁移率降低，从而影响了器件性能。

现有的石墨烯的制备方法，如申请号为200810113596.0的“化学气相沉积法制备石墨烯的方法”专利，其技术方案是：首先制备催化剂，再进行高温化学气相沉积，将带有催化剂的衬底放入无氧反应器中，使衬底达到500-1200℃，再通入含碳气源进行化学沉积而得到石墨烯，然后对石墨烯进行提纯，即使用酸处理或在低压、高温下蒸发，以除去催化剂。该方法的主要缺点是：工艺复杂，需要专门去除催化剂，能源消耗大，生产成本高。

2005年Geim研究组与Kim研究组发现，室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率，其迁移率约为10am/V·s，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性，在300K下可达0.3m，这是石墨烯作为纳米电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，与目前电子器件中使用的硅及金属材料不同，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。最近，Geim研究组利用电子束光刻与干刻蚀的方法将同一片石墨烯加工成量子点，引线和栅极，获得了室温下可以操作的石墨烯基单电子场效应管，解决了目前单电子场效应由于纳米尺度材料的不稳定性所带来的操作温度受限问题。荷兰科学家则报道了第一个石墨烯基超导场效应管，发现在电荷密度为零的情况下石墨烯还是可以传输一定的电流，可能为低能耗，开关时间快的纳米尺度超导电子器件带来突破。

IBM研究中心宣称研究出世界上速度最快的石墨烯场效应晶体管，工作频率达到26GHz，这是目前为止测量到的石墨烯晶体管的最快工作频率，栅长为150nm。因为峰值频率随着栅长的减小而增加，他们相信通过进一步减小栅长到50nm以内，石墨烯晶体管的工作频率有望突破THz。石墨烯的组成和由碳原子构成的丝网状的“蜂窝”晶格的碳纳米管类似。但碳纳米管将蜂窝晶格弯曲成纳米管形状难以仿制，石墨烯晶体管是将碳原子沉积成薄膜，并由传统的微影工具绘制出来。IBM已经证明了通过一种层状的石墨烯技术可以有效地解决用窄状石墨烯作晶体管通道所带来的噪音问题。在最近的演示中，IBM声称毫米波通信电路所要求的THz频率能通过石墨烯薄膜达到。

IBM表示栅极在顶部的石墨烯晶体管由绝缘硅晶圆所制成，在不同的栅极电压和长度下均有很高的工作频率。研究结果表明随着频率的增高，石墨烯晶体管电流增益的下降遵循传统晶体管的响应曲线。而最高截止频率和栅极长度的平方成反比，在栅长为150nm的时候达到26GHz。下一个研究目标是改善栅极介电材料，以实现工作在THz频率范围的射频电路。