[发明专利]电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层及制备方法和应用

说明书

本发明属于微纳电子器件技术领域，公开了一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层及制备方法和应用。碳质绝缘层按照如下过程制备：首先使用有机溶剂对光刻胶进行溶解稀释；然后将稀释过的光刻胶溶液均匀地涂敷在基底表面，通过加热烘干使光刻胶溶液固化，形成覆盖于基底表面的光刻胶固态薄膜；对覆盖有光刻胶固态薄膜的基底进行电子束辐照，诱导光刻胶固态薄膜变性而成为碳质绝缘层；最后用有机溶液清洗未受到辐照的光刻胶固态薄膜。本发明制备的绝缘层性能优异稳定，耐压性良好，尤其是与基于石墨烯材料的半导体制造工艺中高度适配，可以与石墨烯基场效应管等器件的加工流程无缝耦合，具备快速、精确可控、不引入重金属、环保无污染等优势。

技术领域

本发明属于微纳电子器件技术领域，具体的说，是涉及一种碳质绝缘层及其制备方法，和基于该碳质绝缘层制备的应用。

背景技术

集成电路进入后摩尔时代后，面对硅基COMS尺寸逐渐逼近于摩尔极限，自下而上的碳基电子学发展实现了重大技术突破。由于传统半导体在未来器件的技术和性能方面受到严重限制，而碳基器件具有特殊的电子能带结构，相比于硅基器件在电子学领域具有更高的性能和更低的功耗。因此，碳基电子技术被认为是最有希望代替现有硅基技术的未来信息器件研究方向。

在现有的碳基材料中，石墨烯因其独特的二维形貌在构建器件时可与传统半导体平面制备工艺兼容；此外，石墨烯具有高载流子饱和速度、高载流子迁移率和优异的导热性，因而在集成电路领域有望成为硅基材料的替代品。从基于石墨烯的场效应晶体管到大规模的集成电路，开启了石墨烯产业的新篇章。

然而，目前使用石墨烯作为沟道材料或者电极制备出的碳基电子器件，其栅介质仍然采用硅基CMOS工艺中高k值金属氧化物介电材料，例如Al₂O₃、HfO₂等材料。然而生长Al₂O₃、HfO₂等绝缘层需要电子束蒸镀、原子层沉积等方式互相配合形成绝缘层薄膜，还需要光刻、刻蚀、剥离等工艺对其进行图形化，所需工艺复杂繁琐，对材料的消耗也很大。而且，由于Al₂O₃、HfO₂等绝缘层与石墨烯存在界面问题，因此在石墨烯上生长出具有稳定优异性质的传统金属氧化物绝缘层也较为困难。同时，在生长Al₂O₃、HfO₂等绝缘层时，金属会对石墨烯造成费米钉扎现象，对石墨烯形成掺杂，破坏石墨烯原有性质。

发明内容

本发明旨在解决传统金属氧化物绝缘层工艺技术复杂，且由于存在界面问题导致传统金属氧化物绝缘层工艺不完全适配石墨烯器件等技术问题，提供了一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层及制备方法和应用，利用电子束诱导光刻胶直接生长图形化碳材料的方式制备出绝缘性优异的碳质绝缘层材料，并作为石墨烯基场效应管的绝缘层。本发明使用电子束直接诱导与石墨烯功函数相近的碳材料作为绝缘层，不仅能够避免石墨烯与传统金属氧化物绝缘层界面失配问题，而且能够减少金属对石墨烯的掺杂，避免出现费米钉扎现象，保护石墨烯原有性质，而且相比于金属材料其环保性和循环性也有所提高；同时，相比于传统金属氧化物绝缘层工艺，本发明具有工艺步骤简单、可直接图形化，而且所制备出的碳质绝缘层具有耐压性良好，绝缘性质稳定等特点，对碳基电子器件绝缘层工艺的发展有着重要的意义。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种电子束诱导光刻胶生长的碳质绝缘层，由如下制备过程得到：

(1)使用有机溶剂对光刻胶进行溶解稀释；

(2)将稀释过的光刻胶溶液均匀地涂敷在基底表面，通过加热烘干使所述光刻胶溶液固化，形成覆盖于所述基底表面的光刻胶固态薄膜；

(3)利用电子束曝光设备对覆盖有所述光刻胶固态薄膜的所述基底进行电子束辐照，诱导所述光刻胶固态薄膜变性而成为碳质绝缘层；