一種石墨烯射頻晶體管及其制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及到半導體器件制造的技術領域，特別涉及到一種石墨烯射頻晶體管及 其制作方法。
【背景技術】
[0002] 石墨稀(Graphene)是一種新型的二維納米材料，是目前發(fā)現(xiàn)的硬度最高、韌性最 強的納米材料。因其特殊納米結構和優(yōu)異的物理化學性能，石墨烯在電子學、光學、磁學、生 物醫(yī)學、催化、儲能和傳感器等領域應用前景廣闊，被公認為21世紀的"未來材料"和"革命 性材料"。在電子領域，由于其超高載流子迀移率，石墨烯在制作晶體管溝道材料方面體現(xiàn) 出巨大的優(yōu)勢。目前，石墨烯射頻晶體已經(jīng)被設計應用在電子倍頻器、移相鍵控調(diào)制器和混 頻器等具有射頻概念的電路中。將石墨烯晶體管用于射頻電路，其最重要參數(shù)之一是截止 頻率，其大小由公式(1)給出
(1)
[0004] 其中，為載流子迀移率(石墨烯的載流子迀移率理論上可達2*105cm2/vs，比硅高 100倍），L為溝道長度。由公式可知，石墨烯射頻晶體管的截止頻率與晶體管的溝道長度呈 反比。所以要提高截止頻率，一般可通過縮小溝道長度來提高。
[0005] 2010年2月，IBM的研究人員就在《科學》雜志上展示了在SiC晶圓上大規(guī)模射頻石 墨烯晶體管，速度高達IOOGHz(每秒1000億次循環(huán)）。2010年9月加州大學洛杉磯分校研究人 員制備出迄今仍為最尚截止頻率的石墨稀射頻晶體管，頻率為300GHz。目如實驗上石墨稀 場效應管的截止頻率要達到300GHz，其溝道長度需要做到40nm，而要得到40nm的溝道長度， 傳統(tǒng)的ArF(193nm)光刻機已不能滿足如此小特征尺度的要求，一般需要采用電子束光刻機 設備完成。而電子束光刻工藝技術在石墨烯射頻晶體管工藝過程中，石墨烯表面的光刻膠 殘留，尤其是光學光刻膠殘留，嚴重影響了石墨烯場效應器件中的接觸電阻和柵控能力，使 得石墨烯的電學性能大打折扣，是限制其進一步應用發(fā)展的瓶頸之一。其次，電子束光刻機 設備價格昂貴，電子束光刻膠也比普通的光學光刻膠貴幾倍，因此，造成石墨烯射頻晶體管 價格昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯射頻晶體管的制作方法，采用核殼結構的 PMMA/PAN納米線作為掩膜，實現(xiàn)低成本的制作高性能的石墨烯射頻晶體管。
[0007] 為此，本發(fā)明采用以下技術方案：
[0008] -種石墨烯射頻晶體管的制作方法，所述石墨烯射頻晶體管包括一帶有SiO2層的 襯底，所述襯底掩埋有源、漏電極;所述襯底上設有基底/Graphene二維材料層以及源、漏電 極的連接金屬層，所述連接金屬層覆蓋住基底/Graphene二維材料層的兩端，所述基底/ Graphene二維材料層中間上設有柵極絕緣層，所述柵極絕緣層上設有柵極;其制作方法如 下：
[0009] 1)通過光刻和蒸鍍工藝，在帶有SiO2層的襯底上形成掩埋源、漏電極；
[0010] 2)在襯底上開$成基底/Graphene二維材料層，光亥丨」得至丨」特定圖形；
[0011] 3)在基底/Graphene二維材料層上沉積柵絕緣層，在所述柵絕緣層上沉積柵極；
[0012] 4)在顯微設備下，將核殼結構的納米線覆蓋到柵極表面，以納米線為掩膜，刻蝕掉 未被掩膜的柵極和柵絕緣層；
[0013] 5)加熱納米線，使納米線對柵極頂端形成包覆，采用蒸鍍工藝，在襯底表面形成 源、漏電極的連接金屬層，并光刻得到特定圖形；
[0014] 6)去除納米線及其上覆蓋的金屬層，即得到所需的石墨烯射頻晶體管。
[0015] 優(yōu)選的，所述帶有SiO2層的襯底的制作方法為提供一高阻襯底，熱氧化在表面形 成SiO2層，其中SiO 2層的厚度為80-100nm。
[0016] 優(yōu)選的，所述源、漏電極的材料為&1^11、1^1或者48中的至少一種，其厚度為80-100nm〇
[0017]優(yōu)選的，所述在襯底上形成基底/Graphene二維材料層的制作方法包括如下：
[0018] 1)在化學氣相沉積設備中以Pt箱為襯底生長Graphene二維材料層，再在Graphene 二維材料層上生長基底二維材料層，得到基底/Graphene二維材料層；
[0019] 2)通過鼓泡法將Pt襯底上的基底/Graphene二維材料層轉移到帶有SiO2層的襯底 上。
[0020] 優(yōu)選的，所述基底二維材料層為BN或者類金剛石碳。
[0021]優(yōu)選的，所述柵絕緣層采用原子沉積設備沉積，其材料為Si02、Al203、Hf0 2或者SiN 中的至少一種，厚度為2-10nm;所述柵極采用電子束蒸發(fā)設備沉積，其材料為Cu、Au、Ti、Al 或者Ag中的至少一種，厚度為30-100nm〇
[0022] 優(yōu)選的，所述核殼結構的納米線為通過高壓靜電紡絲形成的PMMA/PAN納米線，其 直徑為30-40nm，其靜電紡絲條件為溫度80 °C，濕度25 %，針極距40cm，電壓為45KV，收集板 為金屬鋁制成的矩形方框。
[0023] 優(yōu)選的，所述以納米線為掩膜前需要加熱納米線5-15s，使其軟化與柵極緊密貼 合。
[0024]優(yōu)選的，所述納米線的加熱時間為20-40S。
[0025] 優(yōu)選的，所述連接金屬層的材料為Cu、Au、Ti、Al或者Ag中的至少一種，厚度為10-20nm〇
[0026] 本發(fā)明采用以上技術方案，采用核殼結構的靜電紡絲納米線作為掩膜，納米線直 徑為30-40nm，通過自對準工藝，可以低成本的制作高性能的石墨烯射頻晶體管。靜電紡絲 設備價格約為2萬元，約為電子束光刻機設備的1/500,因而成本極低。不可否認，光刻技術 在微細加工和集成電路制造中一直是主流技術，但是對于單個射頻晶體管器件而言，采用 靜電紡絲納米線作為掩膜不失不為一種低成本的解決辦法。而采用PMMA/PAN核殼結構的納 米線作為掩膜，其優(yōu)勢在于:核為PAN，該材料具有較好的黏彈力，在高壓電場作用下，可形 成直徑10-50nm的納米線，但是其與金屬粘附性較差，不能用作掩膜板。而殼材料PMM較脆， 在高的電場作用下易斷裂，難以獲得直徑小于IOOnm的納米線，但其軟化溫度較低，稍稍加 熱即可軟化并與基底材料緊密結合，適合作為掩膜板使用。采用PMMA包覆PAN材料，融合了 PMM軟化溫度低和PAN納米線直徑小的優(yōu)勢，因而適合用作小尺寸溝道材料的掩膜板。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明石墨烯射頻晶體管的結構側視圖。
[0028] 圖2為本發(fā)明石墨烯射頻晶體管的結構俯視圖。
[0029] 圖3為本發(fā)明石墨烯射頻晶體管的制作方法結構流程示意圖。
[0030] 圖4為本發(fā)明PMMA/PAN核殼結構靜電紡絲納米線的SEM圖。
【具體實施方式】
[0031]為了使本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點更加的清晰，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明 的【具體實施方式】做出更為詳細的說明，在下面的描述中，闡述了很多具體的細節(jié)以便于充 分的理解本發(fā)明，但是本發(fā)明能夠以很多不同于描述的其他方式來實施。因此，本發(fā)明不受 以下公開的具體實施的限制。
[0032] -種石墨烯射頻晶體管的制作方法，如圖1、圖2所示，所述石墨烯射頻晶體管包括 一帶有SiO 2層11的襯底1，所述襯底1掩埋有源電極21和漏電極22;所述襯底1上設有基底 31/Graphene32二維材料層以及源、漏電極的連接金屬層4,所述連接金屬層4覆蓋住基底 31/Graphene32二維材料層的兩端，所述基底31/Graphene32二維材料層中間上設有柵極絕 緣層5，所述柵極絕緣層5上設有柵極6;其制作方法如圖3所示，包括如下：
[0033] 1)通過光刻和蒸鍍工藝，在帶有SiO2層11的襯底1上形成掩埋源電極21和漏電極 22；
[0034] 2)在襯底1上形成基底31/Graphene32二維材料層，光刻得到特定圖形；
[0035] 3)在基底31/Graphene32二維材料層上沉積柵絕緣層5,在所述柵絕緣層5上沉積 柵極6;
[0036] 4)在顯微設備下，將核殼結構的納米線0覆蓋到柵極6表面，以納米線0為掩膜，刻 蝕掉未被掩膜的柵極6和柵絕緣層