CN102290333A - 一种适用于石墨烯基器件的栅氧介质的形成方法 - Google Patents

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孙清清
王鹏飞
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Abstract

本发明属于碳基集成电路制造技术领域，具体为一种适用于石墨烯基器件的栅氧介质的形成方法。本发明是在石墨烯基器件中采用原子层淀积方法生长氮化硼（BN），作为高k栅氧介质。生长BN可以突破目前BN靠机械剥离形成、大小难以控制、无法整合到石墨烯基电路集成工艺中的巨大难题，并且通过控制原子层淀积生长参数可以控制BN的结构与缺陷，进而能够提供多种不同石墨烯基器件应用，实现具有较高迁移率的石墨烯基场效应晶体管。

Description

一种适用于石墨烯基器件的栅氧介质的形成方法
技术领域
本发明涉及一种栅氧化层的形成方法，具体涉及一种在石墨烯半导体器件例如场效应管或存储器中生长高k栅氧介质的方法，属于碳基集成电路制造技术领域。
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，是由单层六角元胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体，其结构如图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。基于其独特的二维结构和物理特性，石墨烯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。
作为新型的半导体材料，石墨烯已经被应用于MOS（Metal-Oxide-Semiconductor，金属-氧化物-半导体）场效应晶体管中，其中石墨烯通道场效应晶体管潜力的发现者IBM公司已经于2010年2月在2寸硅片上开发出了频率高达100GHz、栅极长度为240纳米的石墨烯通道场效应晶体管。
目前，石墨烯基半导体器件面临的主要挑战在于栅氧介质的形成工艺。传统的物理气相沉积会破坏石墨烯导致迁移率严重衰退，化学气相沉积以及原子层沉积工艺由于石墨烯材料的自然疏水性，利用水作为前驱体的大部分工艺直接在石墨烯上淀积高k介质层是不容易实现的，因此必须先对石墨烯表面进行处理，例如NO2处理或者生长金属或聚合物缓冲层，这样就增加了高k栅氧介质的淀积困难。
发明内容
本发明的目的在于提出一种适用于石墨烯基器件的栅氧介质的形成方法，以实现具有高迁移率的石墨烯基器件。
本发明提出的适用于石墨烯基器件的栅氧介质的形成方法，是在石墨烯基器件中采用原子层淀积方法生长BN，作为高k栅氧介质，具体步骤包括：
提供一个半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成一层石墨烯；
在所述石墨烯层上形成金属接触并定义源、漏电极；
采用原子层淀积方法生长氮化硼（BN），作为栅氧介质；
在所述BN栅氧介质上形成栅电极。
本发明中，所述采用原子层淀积方法生长氮化硼（BN）的过程为：利用三溴化硼(BBr3 纯度大于99.999%)作为B的前驱体与氨气NH3（杂质低于1ppb）作为N的前驱体，高纯氩气（纯度大于99.995%）作为载气，采用原子层淀积方法在石墨烯层201上生长一层BN。其具体工艺过程为：将原子层淀积反应腔温度加热到400-750度，腔内压力保持在10torr，先以1000sccm流速通入Ar/BBr3 2秒钟，再以300sccm流速通入Ar气3秒钟，再以20sccm流速通入NH3 2秒钟，最后以300sccm流速通入Ar气3秒钟，这样完成一个循环，其生长速率在400度时约为0.3A每循环。
进一步地，所述的源、漏电极由Pt、Al、Ru、TiN或TaN等金属材料制成。所述的栅电极由Pt、Al、Au或Pd等金属材料制成。
BN的结构可以看做是石墨烯结构中的C原子分别由N和B原子占据，如图2所示，因此BN具有和石墨烯相匹配的晶格单元结构，根据此特性，当BN在石墨烯上形成薄膜作为栅氧时，石墨烯中的载流子输运会比其他结构栅氧介质受影响较小；也就改善了石墨烯迁移率降低问题。
BN的禁带宽度为5.97eV，介电常数和SiO2相比拟，约为3-4，由于其平面内键能较强，因此表面惰性并且悬挂键和缺陷很少。采用原子层淀积方法生长BN可以突破目前BN靠机械剥离形成、大小难以控制、无法整合到石墨烯基电路集成工艺中的巨大难题，并且通过控制原子层淀积生长参数可以控制BN的结构与缺陷，进而能够提供多种不同石墨烯基器件应用，可以实现具有较高迁移率的石墨烯基场效应晶体管。
附图说明
图1为石墨烯的原子结构示意图。
图2为BN的原子结构示意图。
图3至图7为本发明所提供的制备以BN为栅氧介质的石墨烯场效应晶体管为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原子层淀积方法生长BN作为栅氧介质的方法可以适用于不同结构的石墨烯器件的制造中，以下所述叙述的是，制备以BN为栅氧介质的石墨烯场效应晶体管结构为实施例的工艺流程。
首先，在清洗过的硅衬底200上利用化学气相沉积（CVD）方法生长石墨烯层201，如图3所示。具体工艺过程为：首先在石英管内通入流速为400sccm的Ar/H2混合气体，压力为8-9torr，并将硅衬底在此稳定环境下加热至950摄氏度。然后停止通入Ar/H2混合气体，在保持石英管内压力为500mTorr的环境下通入甲烷以及氩气等惰性气体（其中甲烷/氩气的气体流量比值范围约是1:2-1:5，甲烷以及氩气的总气体流量大小取决于所需形成的薄膜的尺寸，一般范围约为280-480sccm）。最后将硅衬底在此环境下加热到一定温度，比如1000摄氏度，然后再在Ar/H2混合气体环境下按50摄氏度每分钟的速率降至室温，即可在硅衬底上沉积形成6-10层的石墨烯。
接下来，采用业界所熟知的薄膜淀积工艺以及光刻、刻蚀工艺，在石墨烯层201上形成金属接触，并定义源电极202和漏电极203，如图4所示。
接下来，将硅衬底置于原子层淀积设备中，利用三溴化硼(BBr3 纯度大于99.999%)作为B的前驱体与氨气NH3（杂质低于1ppb）作为N的前驱体，高纯氩气（纯度大于99.995%）作为载气，采用原子层淀积方法在石墨烯层201上生长一层BN 204,如图5所示。其具体工艺过程为：将原子层淀积反应腔温度加热到400-750度，腔内压力保持在10torr，先以1000sccm流速通入Ar/BBr3 2秒钟，再以300sccm流速通入Ar气3秒钟，再以20sccm流速通入NH3 2秒钟，最后以300sccm流速通入Ar气3秒钟，这样完成一个循环，其生长速率在400度时约为0.3A每循环。 
采用原子层淀积方法生长BN时，借助温度、气流控制，可以在石墨烯表面形成不同结构的BN，例如h-BN及t-BN，其中淀积形成的h-BN经XRD分析后的结果如图6所示。
最后，采用常规的CMOS制造工艺制备器件的栅电极205，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 (3)

1.一种适用于石墨烯基器件的栅氧介质的形成方法，其特征在于具体步骤包括：
提供一个半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成一层石墨烯；
在所述石墨烯层上形成金属接触并定义源、漏电极；
采用原子层淀积方法生长氮化硼，作为栅氧介质；
在所述栅氧介质上形成栅电极。
2.根据权利要求1所述的适用于石墨烯基器件的栅氧介质的形成方法，其特征在于，所述的源、漏电极由Pt、Al、Ru、TiN或TaN金属材料制成。
3.根据权利要求1所述的适用于石墨烯基器件的栅氧介质的形成方法，其特征在于，所述的栅电极由Pt、Al、Au或Pd金属材料制成。
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