CN102097297A - 一种电场诱导的在石墨烯表面原子层淀积高k栅介质的方法 - Google Patents

一种电场诱导的在石墨烯表面原子层淀积高k栅介质的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于碳基集成电路制造技术领域，具体涉及一种采用电场诱导的在石墨烯表面原子层淀积高k栅介质的方法。具体是在电场的诱导下，石墨烯表面的离域大π建被破坏，电子分布取向发生变化，从而可以在不预先淀积缓冲层的情况下直接在石墨烯表面原子层淀积均匀的高k栅介质，简化了工艺过程，提高了石墨烯器件的电学特性。

Description

一种电场诱导的在石墨烯表面原子层淀积高k栅介质的方法
技术领域
本发明属于碳基集成电路制造技术领域，具体涉及一种在石墨烯表面淀积高k栅介质的方法。 
背景技术
根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽，硅基集成电路在11纳米后无法突破其物理局限包括电流传输损耗，量子效应，热效应等，因此很难生产出性能稳定、集成度更高的产品。随着半导体技术的不断发展，硅基集成电路器件尺寸距离其物理极限越来越近。
为延长摩尔定律的寿命，国际半导体工业界纷纷提出超越硅技术（Beyond Silicon），其中最有希望的石墨烯应运而生。石墨烯（Graphene）是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，在二维平面上每个碳原子以sp2杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个σ 键，剩余的一个p电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围原子的p电子一起形成一个离域大π键，碳原子间相互围成正六边形的平面蜂窝形结构，这样在同一原子面上只有两种空间位置相异的原子，如图1所示。石墨烯具有零禁带特性，即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可以达到微米级, 同时，石墨烯还具有远比硅高的载流子迁移率,所以它是一种性能优异的半导体材料，并且由于其独特的二维结构，相较纳米碳管而言石墨烯更容易实现大面积平面器件，因而得到了科学界的广泛关注，被认为是下一代集成电路中有望延续摩尔定律的重要材料。
目前，基于石墨烯材料的石墨烯晶体管主要还面临两个问题：1)石墨烯的带隙宽度为零；2)由于石墨烯表面除边缘外基本上是化学惰性的，所以无法使用原子层淀积方法在石墨烯表面直接淀积栅高k栅介质。现有的在石墨烯表面淀积高k栅介质的主要方法是在原子层淀积高k 栅介质之前先在石墨烯表面生长一层薄的缓冲层，利用缓冲层表面的反应位来引导原子层淀积高k栅介质的初始反应，但是缓冲层的使用使得石墨烯器件的电学特性变差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种在石墨烯表面淀积高k栅介质的方法，以避免缓冲层的预淀积，提高石墨烯器件的电学特性。
为达到本发明的上述目的，本发明提出了一种采用电场诱导的在石墨烯表面原子层淀积高k栅介质的方法，具体步骤包括：
在第一块硅衬底上形成镍薄膜；
在所述镍薄膜上生长石墨烯；
刻蚀镍薄膜，并将所形成的石墨烯转移到第二块硅衬底上；
将第二块硅衬底放入原子层淀积反应腔中；
在原子层淀积反应腔中施加电场，使石墨烯表面电子分布取向发生变化，石墨烯表面化学活性增强；
在石墨烯表面完成原子层淀积的初始化学吸附；
在石墨烯表面原子层淀积高k栅介质。
进一步地，所述镍薄膜的优选厚度为100-600纳米。
进一步地，所述施加在原子层淀积反应腔中的电场方向垂直于所述第二块硅衬底的表面。
进一步地，所述的高k栅介质可以为Ta2O5、Pr2O3、TiO2、HfO2、Al2O3、ZrO2等高介电常数材料。
一方面，电场的存在可以破坏石墨烯表面较弱的离域大π键，促进原子层淀积的初始反应，使得原子层淀积高k 栅介质可以直接在石墨烯表面进行，而不需要预先淀积一层缓冲层，简化了工艺过程。另一方面，电场的存在也可以在促使反应源分子在到达石墨烯表面的过程中发生取向变化，提高了石墨烯表面的化学活性，为薄膜淀积提供了反应位，原子层淀积的初始过程的薄膜的均匀性得到保证，进而整个过程生长的高k介质薄膜也较为均匀。缓冲层的去除以及栅介质薄膜均匀性的保证提高了石墨烯器件的电学特性。
附图说明
图1为本征石墨烯的原子结构示意图。
图2至图7为本发明所提供的一种采用电场诱导的在石墨烯表面原子层淀积氧化铝栅介质的实施例的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，在图中，为了方便说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。
本发明所提出的采用电场诱导的在石墨烯表面原子层淀积高k栅介质的方法可以广泛应用于各种石墨烯器件中，以下所叙述的是本发明所提供的一种采用电场诱导的在石墨烯表面原子层淀积氧化铝栅介质的实施例的工艺流程。
首先，利用物理气相沉积（PVD）方法在硅衬底201上生长一层400纳米的镍薄膜202，如图2所示。然后通入氩气，在1000℃温度下进行退火。
退火完成后，利用化学气相沉积（CVD）在镍薄膜202上淀积石墨烯层203，如图3所示。具体工艺过程可以为：先通入甲烷以及氩气的混合气体（其中甲烷/氩气的气体流量比值控制在1:2-1:5，总气体流量大小约为280-480sccm），然后加热到1000℃后迅速降至室温，即可在镍薄膜上形成石墨烯薄层。
接下来，利用湿法刻蚀的方法刻蚀镍薄膜202，然后将石墨烯层203转移到另一块硅衬底204上，如图4所示。
接下来，将第二块硅衬底204放入原子层淀积反应腔中，并在原子层淀积反应腔中施加垂直于硅衬底204表面的电场205，如图5所示，所示箭头方向表示所施加电场205的方向。在电场的作用下石墨烯表面的离域大π键将会断裂，石墨烯表面的化学活性增强。
接下来，通入反应源Al(CH3)3，在石墨烯表面发生化学吸附形成-Al(CH3)2基团206，如图6所示，多余的Al(CH3)3和气体反应产物CH4由载气氮气（N2）带走。
最后，通入H2O源，与之前化学吸附的-Al(CH3)2基团发生反应，多余的水和反应副产物则由载气带出反应腔。通过交替进行一定次数的Al(CH3)3 -> N2冲洗-> H2O-> N2冲洗循环，可以在石墨烯203的表面得到合适厚度的Al2O3薄膜207，如图7所示。
如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。

Claims (4)

1.一种采用电场诱导的在石墨烯表面原子层淀积高k栅介质的方法，其特征在于具体步骤包括：
在第一块硅衬底上形成镍薄膜；
在所述镍薄膜上生长石墨烯；
刻蚀镍薄膜，并将所形成的石墨烯转移到第二块硅衬底上；
将第二块硅衬底放入原子层淀积反应腔中；
在原子层淀积反应腔中施加电场，使石墨烯表面电子分布取向发生变化，石墨烯表面化学活性增强；
在石墨烯表面完成原子层淀积的初始化学吸附；
在石墨烯表面原子层淀积高k栅介质。
2.根据权利要求1所述的采用电场诱导的在石墨烯表面原子层淀积高k栅介质的方法，其特征在于，所述镍薄膜的厚度为100-600纳米。
3.根据权利要求1所述的采用电场诱导的在石墨烯表面原子层淀积高k栅介质的方法，其特征在于，所述施加在原子层淀积反应腔中的电场方向垂直于所述第二块硅衬底的表面。
4.根据权利要求1所述的采用电场诱导的在石墨烯表面原子层淀积高k栅介质的方法，其特征在于，所述的高k栅介质为Ta2O5、Pr2O3、TiO2、HfO2、Al2O3或ZrO2高介电常数材料。
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