本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種倒T型埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管及其制造方法。

背景技術(shù)：

石墨烯的出現(xiàn)打破了“二維材料不能在室溫下穩(wěn)定存在”的理論預(yù)研，隨后因其優(yōu)異的物理化學(xué)性能在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注，在全球掀起了二維材料的研究熱潮，之后MoS₂，WS₂，WSe₂，BN等二維材料也相繼出現(xiàn)。全新的二維材料進入電子領(lǐng)域的時間不長，取得的成果卻相當(dāng)顯著。如石墨烯具有高電子遷移率、高電子飽和速度和高熱導(dǎo)率等優(yōu)良特性，在毫米波、亞毫米波乃至太赫茲器件、超級計算機等方面具有廣闊應(yīng)用前景?；谑┑某咚?、超低噪聲、超低功耗場效應(yīng)晶體管及其集成電路，有望突破當(dāng)前電子器件的高成本、低分辨率及高功耗的瓶頸，為開發(fā)更高性能電子器件提供新的思路和方案。

開發(fā)二維材料電學(xué)性能的研究以二維材料的場效應(yīng)晶體管的研制為主，就現(xiàn)狀而言，二維材料晶體管的電學(xué)性能主要受以下幾個因素的制約：(1)散射問題。二維材料由單層碳原子構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)，因而同傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比更易受到與之接觸的材料對它的散射而影響其電學(xué)性能。對于常規(guī)的頂柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管，導(dǎo)電溝道處于襯底和柵介質(zhì)之間，受到散射也較大，影響了二維材料的電學(xué)性能。(2)寄生問題。二維材料晶體管的有源區(qū)在柵的正下方，而柵電極和源(漏)電極之間未覆蓋的區(qū)域則會產(chǎn)生寄生電阻，影響晶體管的電學(xué)性能，因而為優(yōu)化二維材料晶體管的性能，在確保穩(wěn)定隔離的同時減小柵電極和源(漏)電極的間距是一個關(guān)鍵。(3)柵長問題，柵長越小，二維材料晶體管的fT(電流截至頻率)會越大，但是柵長越小，柵金屬的電阻會越大，導(dǎo)致fMAX(功率截止頻率)會減小，所以設(shè)計出T柵的結(jié)構(gòu)，柵帽金屬做大，保證柵阻較小，柵腳線寬做小，可以有效提高晶體管頻率特性。

在石墨烯埋柵結(jié)構(gòu)設(shè)計上，已經(jīng)有文獻報道(RF performance of pre-patterned locally-embedded-back-gate graphene device,IEDM,2010,23.5.1)，但是該工藝設(shè)計仍然不能很好的解決二維材料制作場效應(yīng)晶體管時遇到的散射及寄生電阻大的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種倒T型埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管及其制造方法，減小二維材料應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管時普遍存在的散射以及寄生電阻，優(yōu)化了器件電學(xué)性能。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種倒T型埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管及其制備方法，由以下步驟按順序制備而得：

(1)制備倒T型柵極柵帽：在絕緣襯底上以電子束光刻顯影技術(shù)制備出場效應(yīng)晶體管的倒T型柵極的柵帽圖形，采用干法刻蝕技術(shù)在絕緣襯底上刻蝕出柵帽圖形的凹槽，再金屬化，輔以溶膠剝離技術(shù)，將凹槽填滿，作為倒T型柵極的柵帽；

(2)制備倒T型柵極柵腳：在絕緣襯底表面生長一層介質(zhì)層，再以電子束光刻顯影技術(shù)制備出場效應(yīng)晶體管的倒T型柵極的柵腳圖形，采用干法刻蝕技術(shù)刻蝕介質(zhì)層直至下層金屬，再金屬化，金屬厚度略高于介質(zhì)層厚度，輔以溶膠剝離技術(shù)，制備出倒T型柵極的柵腳；

(3)柵介質(zhì)制備及二維材料轉(zhuǎn)移：在柵腳上生長一層高k絕緣材料作為柵介質(zhì)，采用金屬轉(zhuǎn)移工藝轉(zhuǎn)移二維材料到襯底表面；

(4)隔離區(qū)工藝：在襯底表面以平面光刻顯影技術(shù)制備出隔離區(qū)圖形，濕法腐蝕去除其他部分金屬，再氧化去除隔離區(qū)外的二維材料；

(5)源漏電極制備：在襯底表面以平面光刻顯影技術(shù)制備出源漏電極圖形，金屬化，輔以溶膠剝離技術(shù)，制備出源漏電極；

(6)自對準(zhǔn)工藝：在襯底表面以電子束光刻顯影技術(shù)制備出柵腳圖形，與柵腳金屬對準(zhǔn)，以濕法腐蝕技術(shù)來將自對準(zhǔn)法中連接源漏電極的金屬從柵腳圖形下斷開，實現(xiàn)自對準(zhǔn)，從而得到倒T型埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點：(1)腐金液的側(cè)向腐蝕形成的對準(zhǔn)間距同自對準(zhǔn)去金屬厚度一致，小于常規(guī)工藝中電子束曝光系統(tǒng)形成的對準(zhǔn)間距，降低了寄生電阻。(2)埋柵結(jié)構(gòu)從設(shè)計上將二維材料受到的散射降到最低，優(yōu)化了二維材料的電學(xué)性能。(3)倒T型柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計，柵腳的柵長可以做到幾十納米量級，柵帽的金屬可以使柵極的電阻減小，倒T型的結(jié)構(gòu)使得柵極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會出現(xiàn)T型倒掉的情況。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

附圖說明

圖1是在襯底材料上刻蝕出柵帽凹槽示意圖。

圖2是蒸發(fā)金屬填滿凹槽示意圖。

圖3是生長介質(zhì)層示意圖。

圖4是柵腳制備示意圖。

圖5是柵介質(zhì)生長示意圖。

圖6是金轉(zhuǎn)移石墨烯示意圖。

圖7是自對準(zhǔn)腐蝕示意圖。

圖8是本發(fā)明的流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明倒T型埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管及其制備方法，步驟如下：

(1)制備倒T型柵極柵帽：在絕緣襯底上以電子束光刻顯影技術(shù)制備出場效應(yīng)晶體管的倒T型柵極的柵帽圖形，采用干法刻蝕技術(shù)在絕緣襯底上刻蝕出柵帽圖形的凹槽，再金屬化，輔以溶膠剝離技術(shù)，將凹槽填滿，作為倒T型柵極的柵帽；步驟(1)中的柵長為500nm-2um，凹槽深度為200nm-1um。

(2)制備倒T型柵極柵腳：在絕緣襯底表面生長一層介質(zhì)層(指氮化硅或氧化硅)，再以電子束光刻顯影技術(shù)制備出場效應(yīng)晶體管的倒T型柵極的柵腳圖形，采用干法刻蝕技術(shù)刻蝕介質(zhì)層直至下層金屬，再金屬化，金屬厚度略高于介質(zhì)層厚度，輔以溶膠剝離技術(shù)，制備出倒T型柵極的柵腳；步驟(2)中的介質(zhì)層厚度為50nm-200nm。

(3)柵介質(zhì)制備及二維材料轉(zhuǎn)移：在柵腳上生長一層高k絕緣材料作為柵介質(zhì)，采用金屬轉(zhuǎn)移工藝轉(zhuǎn)移二維材料到襯底表面；步驟(3)中的高k絕緣材料厚度為5nm-20nm。

(4)隔離區(qū)工藝：在襯底表面以平面光刻顯影技術(shù)制備出隔離區(qū)圖形，濕法腐蝕去除其他部分金屬，再氧化去除隔離區(qū)外的二維材料。

(5)源漏電極制備：在襯底表面以平面光刻顯影技術(shù)制備出源漏電極圖形，金屬化，輔以溶膠剝離技術(shù)，制備出源漏電極。

(6)自對準(zhǔn)工藝：在襯底表面以電子束光刻顯影技術(shù)制備出柵腳圖形，與柵腳金屬對準(zhǔn)，以濕法腐蝕技術(shù)來將自對準(zhǔn)法中連接源漏電極的金屬從柵腳圖形下斷開，實現(xiàn)自對準(zhǔn)，從而得到倒T型埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管。

實施例

本發(fā)明基于二維材料的平面制備工藝制作出一種倒T柵埋柵結(jié)構(gòu)的石墨烯場效應(yīng)晶體管，具體制備步驟如下：

(1)在Si/SiO₂襯底上用電子束電子束光刻顯影技術(shù)制備出場效應(yīng)晶體管的倒T型柵極的柵帽圖形，柵長500nm，采用干法刻蝕技術(shù)在Si/SiO₂襯底上刻蝕出深度200nm的凹槽，再蒸發(fā)200nmAu，輔以溶膠剝離技術(shù)，將凹槽填滿，作為倒T型柵極的柵帽，如圖1、圖2所示。

(2)在Si/SiO₂襯底表面生長一層氮化硅(生長技術(shù)為常規(guī)技術(shù)即可)，厚度50nm，使表面平坦化，再以電子束光刻顯影技術(shù)制備出場效應(yīng)晶體管的倒T型柵極的柵腳圖形，柵長100nm，采用干法刻蝕技術(shù)刻蝕氮化硅直至下層金屬，蒸發(fā)100nmAu，輔以溶膠剝離技術(shù)，制備出倒T型柵極的柵腳，如圖3、圖4所示。

(3)采用ALD生長Al₂O₃作為柵介質(zhì)，厚度10nm,采用Au轉(zhuǎn)移工藝轉(zhuǎn)移石墨烯到襯底表面，Au厚度30nm，如圖5、圖6所示。

(4)以平面光刻顯影技術(shù)制備出隔離區(qū)圖形，濕法腐蝕去除其他部分Au，再氧化去除隔離區(qū)外石墨烯。

(5)以平面光刻顯影技術(shù)制備出源漏電極圖形，蒸發(fā)20nmTi/200nmAu作為源漏金屬，輔以溶膠剝離技術(shù)，制備出源漏電極。

(6)以電子束光刻顯影技術(shù)制備出柵極圖形，柵長100nm，與柵腳金屬對準(zhǔn)，以濕法腐蝕技術(shù)來將自對準(zhǔn)法中連接源漏電極的金屬從柵腳圖形下斷開，實現(xiàn)自對準(zhǔn)，完成倒T型埋柵結(jié)構(gòu)的二維材料場效應(yīng)晶體管制備，如圖7所示。

通過上述方法制備得到的倒T型埋柵結(jié)構(gòu)的石墨烯FET(場效應(yīng)晶體管)器件具有如下特性：(1)腐金液的側(cè)向腐蝕形成的對準(zhǔn)間距同自對準(zhǔn)去金屬厚度一致，小于常規(guī)工藝中電子束曝光系統(tǒng)形成的對準(zhǔn)間距，利于降低寄生電阻。(2)埋柵結(jié)構(gòu)從設(shè)計上將二維材料受到的散射降到最低，利于優(yōu)化二維材料的電學(xué)性能。(3)倒T型柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計，柵腳的柵長可以做到幾十納米量級，柵帽的金屬可以使柵極的電阻減小，倒T型的結(jié)構(gòu)使得柵極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。