[发明专利]一种沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯纳米器件技术领域，具体涉及一种沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件及其制备方法。

背景技术

随着半导体器件尺寸进一步等比例缩小，传统的硅基器件将达到尺寸的极限。半导体业界对适应器件小型化的材料与工艺进行了一系列研究和探索。其中石墨烯由于其出色的机械强度和杨氏模量，非常高的电、热导率，以及固有的高迁移率特性等受到业界科研工作者的广泛关注。

石墨烯是一种零带隙的二维材料，而早在2006年，Y.-W. Son提出了通过制作极窄的石墨烯带给石墨烯引入带隙的理论。P. Kim等通过实验验证了当石墨烯纳米带宽度小于20nm时，石墨烯的带隙会打开，这为石墨烯能够应用于电子器件提供了基础。

由于石墨烯纳米材料的尺寸对于其电学性能和应用有着决定性的作用，因而实现对石墨烯纳米材料的尺寸的有效控制具有非常重要的意义。要制备出窄沟道宽度的石墨烯纳米带Fin-FET器件，传统的方法包括电子束光刻和扫描隧道显微镜（STM）光刻，但存在耗时、费用昂贵、产率低等诸多不足。目前比较新颖的方法包括离心剥离、等离子体刻蚀和利用硅纳米线作为刻蚀掩膜版等，但实现大面积制备尺寸可控的石墨烯纳米材料仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单，且适合于大面积制备的沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件及其制备方法。

本发明提供的沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件，包括：

由硅/二氧化硅材料组成的衬底；

位于上述衬底之上的转移石墨烯层；

位于所述转移石墨烯层之上的源/漏电极；

位于转移石墨烯层之上的栅介质层；

位于栅介质层之上的栅电极。

本发明还提供上述沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件的制备方法，采用原子层淀积侧墙转移技术以及电子束套刻技术，具体步骤为：

（1）在石墨烯/二氧化硅/硅的样品上悬涂150-250 nm聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）,电子束曝光出对准标记以及Fin-FET的源（S）/漏（D）电极；电子束蒸发Ti/Au，lift-off工艺剥离；

（2）在石墨烯/二氧化硅/硅的样品上，再依次旋涂40-60 nm聚乙烯醇（PVA）和15-30 nm PMMA，利用电子束套刻，在其上曝光出长8-15 um、宽度为450-600 nm的百纳米级线条阵列；

（3）原子层淀积介质薄膜，采用这种工艺生长的薄膜均匀性和可重复性好，并且可以通过改变淀积的周期数非常精确地控制薄膜的厚度。由于需要获得较小线宽的石墨烯纳米带结构，所以原子层淀积介质薄膜的厚度控制在10nm以内；

（4）等离子体刻蚀工艺刻蚀金属氧化物，留下原子层淀积薄膜侧墙；

（5）以原子层淀积的侧墙作为硬掩膜保护下方的石墨烯纳米带结构，O2等离子体刻蚀PVA和石墨烯层，放入水中去除PVA和侧墙；

（6）原子层淀积一层high-k栅介质，在样品上悬涂150-250 nm PMMA，利用电子束套准工艺以及电子束蒸发工艺获得顶栅结构，最终得到石墨烯纳米带Fin-FET器件结构。

本发明中，石墨烯/二氧化硅/硅的样品是由石墨烯在铜箔上生长后转移到硅/二氧化硅衬底上而获得；源/漏电极材料为Cr/Au或者Ti/Au等金属材料。

 本发明中，所述介质薄膜的生长采用低温原子层淀积技术，其具体步骤包括多个循环生长周期，对于每个生长周期，交替脉冲式地通入金属有机源和另一种气体或者液体源，并进行两次吹洗以保证自限制生长，通过控制生长不同的循环周期数，可以最终获得所需厚度薄膜。所述的介质薄膜材料可以是Al₂O₃，HfO₂，ZrO₂，TiO₂等。

本发明所提出的利用原子层淀积侧墙转移技术以及电子束套刻技术制备沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件的方法优点为：

1.该方法简单、有效、节约原材料成本，通过控制原子层淀积的生长周期数精确控制石墨烯纳米带的线宽，能够实现沟道宽度可控的石墨烯纳米带Fin-FET器件的大面积制备。

2.在进行侧墙转移步骤时，采用光刻胶（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）/聚乙烯醇（PVA）双层掩模结构，避免了胶与衬底的直接接触，而且易于去胶。将RIE处理后的PVA用于侧墙转移，减少了一步刻蚀步骤和一步去胶步骤。

附图说明