CN103456607A - 一种碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法，该方法包括：将清洗后的衬底放入烘箱内80℃～200℃干燥处理5分钟～60分钟；配制BCB溶液，利用有机溶液对BCB溶液进行稀释，通过匀胶机将稀释后的BCB溶液旋涂在衬底表面；在N2或者惰性气体的保护下，将表面旋涂BCB溶液后的衬底加热至200℃～400℃，使苯并环丁烯单体发生交联反应生成苯并环丁烯聚合体，从而在衬底表面形成BCB有机膜层。本发明解决了由于原有衬底表面极性散射、粗糙起伏、杂质吸附等原因而造成的石墨烯器件性能退化等问题，BCB有机膜层既钝化、修饰了原有衬底表面，同时自身不会引起石墨烯的载流子迁移率退化。
Description
技术领域
本发明涉及基于碳材料的半导体器件制备工艺，特别涉及一种碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法，属于纳电子学技术领域。
背景技术
以碳材料为基的纳米电子学，尤其是以碳纳米管(Carbon Nanotube)和石墨烯(Graphene)为基的纳米电子学，被认为具有极大的应用前景，极富潜力可替代硅基材料。自从1991年碳纳米管和2004年石墨烯被成功研制以来，碳基电子学取得了巨大发展。基于碳基的电子学具有尺寸小、速度快、功耗低、工艺简单等特点，受到人们越来越广泛的关注。
对于碳基半导体器件而言，由于导电碳材料只有一个或几个原子层厚度，所以其有一个重要的特点，即导电碳材料对与其接触的表面，包括衬底表面和介质表面，非常敏感。器件制备工艺中，需要把碳材料转移到目标衬底表面，而衬底的表面状况则会影响碳材料的表面态，在碳材料中引入新的散射机制，造成碳材料载流子迁移率的显著下降，和器件性能退化。
现有的碳基半导体器件工艺中，只对衬底进行常规清洗，无法有效修饰衬底表面。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法，以解决转移到目标衬底表面的碳基材料载流子迁移率的下降和器件性能退化的问题。其中所述碳基半导体器件主要是指以碳纳米管和石墨烯作为导电通道的器件。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法，该方法是以苯并环丁烯(BCB)有机膜层来钝化、修饰衬底表面，实现对衬底表面的预处理，该方法包括以下步骤：
步骤1：将清洗后的衬底放入烘箱内80℃～200℃干燥处理5分钟～60分钟；
步骤2：配制苯并环丁烯(BCB)溶液，利用有机溶液对BCB溶液进行稀释，通过匀胶机将稀释后的BCB溶液旋涂在衬底表面；
步骤3：在N2或者惰性气体的保护下，将表面旋涂BCB溶液后的衬底加热至200℃～400℃，使苯并环丁烯单体发生交联反应生成苯并环丁烯聚合体，从而在衬底表面形成BCB有机膜层。
上述方案中，步骤2中所述对BCB溶液进行稀释的有机溶液为1，3，5-三甲基苯、癸烷、1-丁醇、甲苯、丙二醇甲醚乙酸酯或N-甲基吡咯烷酮。
上述方案中，步骤3中所述加热的温度越低，需要加热的时间就越长，加热的温度越高，需要加热的时间就越短，当加热温度大于或者等于200℃且小于270℃时，在该加热温度处恒温保持15分钟～180分钟后，再自然冷却至常温；当加热温度大于或者等于270℃且小于400℃时，于5秒～1分钟的时间内进行快速热退火。
上述方案中，所述对衬底加热并退火是在N2保护下进行，采用热板加热、烘箱加热或管式炉加热，退火温度在200～400摄氏度，退火时间在5秒～3小时。
上述方案中，步骤3中所述BCB有机膜层的厚度为5nm～50nm。
上述方案中，步骤3中所述在衬底表面形成BCB有机膜层之后，再转移碳纳米管或石墨烯到衬底表面。
(三)有益效果
本发明是为了解决转移到目标衬底表面的碳基材料载流子迁移率的下降和器件性能退化的问题。在碳基半导体器件制备中常规衬底清洗工艺之外，创造性地提出了一种对衬底进行预处理方法，为碳基高性能器件的实现提供了一个解决方案，满足了碳基规模化集成电路的需求。具体而言，使用BCB有机膜层对原衬底进行表面预处理，其主要优势体现在：
1、以BCB有机膜层来钝化、修饰衬底表面，能减小由于衬底表面极性散射、表面坑洼起伏、杂质吸附等原因而造成的碳基材料性能下降，尤其是载流子迁移率的下降
2、BCB作为一种有机物，直接与碳基材料相接触，不会引起材料迁移率的显著下降，不会引起器件性能的下降。
3、BCB作为一种有机介质层，可以通过控制与溶剂的稀释比例和旋涂的速度、时间来控制介质层厚度，工艺简单、重复性好。
附图说明
图1是在加热交联前后，BCB有机介质的分子结构式变化。
图2是本发明提供的使用BCB有机介质对原衬底进行表面预处理的流程图。
图3是依照本发明实施例的石墨烯场效应晶体管器件的背栅转移特性(Ids-Vg)曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明通过使用苯并环丁烯(BCB)有机膜层对碳基半导体器件制备工艺中的衬底进行预处理，钝化、修饰衬底表面，解决了衬底表面碳基材料载流子迁移率的下降和器件性能退化问题。
BCB有机膜是由苯并环丁烯单体通过加热形成的交联的苯并环丁烯聚合体，或者苯并环丁烯单体在光刻后再通过加热形成的交联的苯并环丁烯聚合体构成。其对衬底表面的修饰，减小了由于衬底表面极性散射、表面坑洼起伏、杂质吸附等原因而造成的碳基材料性能下降，尤其是载流子迁移率的下降。BCB作为有机物，不会影响碳材料的电学性质、降低材料的载流子迁移率，同时BCB易于聚合，膜层厚度可控，可以轻松附着在多种类型的衬底表面。这种新型的、简单的、衬底预处理方法必将对碳基电子器件的发展起到重要作用。
图1为单体通过加热形成的交联的苯并环丁烯聚合体的反应方程式。所述苯并环丁烯有机介质层由苯并环丁烯单体通过加热形成的交联的苯并环丁烯聚合体，或者苯并环丁烯单体在光刻后再通过加热形成的交联的苯并环丁烯聚合体构成。
实施例1：使用CVD生长石墨烯材料，在经过BCB有机膜层预处理的二氧化硅／硅衬底上，实现石墨烯场效应晶体管。
图2为本发明使用BCB有机膜层对衬底进行表面预处理的流程图，包括以下步骤：
步骤1：将清洗后的100nm厚的二氧化硅／硅衬底放入烘箱内80℃～200℃干燥处理5分钟～60分钟；
步骤2：配制苯并环丁烯(BCB)溶液，利用有机溶液对BCB溶液进行稀释，通过匀胶机将稀释后的BCB溶液旋涂在衬底表面；
在本实施例中，是将BCB(Cyclotene3022-46，购自美国Dow化学公司)与1，3，5-三甲苯溶液以体积比1∶27进行稀释，充分摇匀稀释后，通过匀胶机旋涂在衬底表面，匀胶机转速4000-6000转／分钟，时间1分钟；
步骤3：在N2或者惰性气体的保护下，将表面旋涂BCB溶液后的衬底加热至200℃～400℃，使苯并环丁烯单体发生交联反应生成苯并环丁烯聚合体，从而在衬底表面形成BCB有机膜层；
在本实施例中，是将衬底放入烘箱中，箱体中通N2进行保护，将烘箱升温到230摄氏度，保持一小时后，将温度降为常温，取出衬底，测量苯并环丁烯有机层厚度为10nm。
其中，步骤2中所述对BCB溶液进行稀释的有机溶液为1，3，5-三甲基苯、癸烷、1-丁醇、甲苯、丙二醇甲醚乙酸酯或N-甲基吡咯烷酮等。步骤3中所述加热的温度越低，需要加热的时间就越长，加热的温度越高，需要加热的时间就越短，当加热温度大于或者等于200℃且小于270℃时，在该加热温度处恒温保持15分钟～180分钟后，再自然冷却至常温；当加热温度大于或者等于270℃且小于400℃时，于5秒～1分钟的时间内进行快速热退火。所述对衬底加热并退火是在N2保护下进行，采用热板加热、烘箱加热或管式炉加热，退火温度在200～400摄氏度，退火时间在5秒～3小时。步骤3中所述BCB有机膜层的厚度为5nm～50nm。
上述方案中，步骤3中所述在衬底表面形成BCB有机膜层之后，再转移碳纳米管或石墨烯到衬底表面(步骤4)，以及在石墨烯材料上通过电子束光刻形成图形，电子束蒸发一层10nm／50nm厚的钛／金(Ti／Au＝10／50nm)金属，然后将样品放入丙酮中剥离，去掉不需要的金属层，得到所需要的电极，从而实现背栅形以及顶栅形场效应管器件(步骤5)。
图3为依照本发明实施例1的石墨烯场效应晶体管器件的背栅转移特性(Ids-Vg)曲线。在使用BCB对衬底进行表面预处理后，减小了由于衬底表面极性散射和杂质吸附给石墨烯场效应器件所带来的不良影响。实际测量结果表明，器件有效迁移率从使用前的约2000cm2／Vs提升到约3000cm2／Vs。
实施例2：使用CVD生长石墨烯材料，在经过快速热退火BCB预处理的二氧化硅／硅衬底上，实现石墨烯场效应晶体管。
具体步骤与实施例1类似，但步骤3采用快速热退火(RTA)方式对BCB进行处理，BCB经290摄氏度，15s快速热退火形成有机介质层厚度为10nm。
实施例3：使用微机械剥离石墨烯材料，在经过BCB预处理的二氧化硅／硅衬底上，实现石墨烯场效应晶体管。
具体步骤与实施例1类似，但步骤4中将微机械剥离的石墨烯薄膜转移到经过BCB预处理后的二氧化硅／硅衬底上，然后再实现场效应管器件。
实施例4：使用CVD生长石墨烯材料，在经过BCB预处理的二氧化硅／硅衬底上，实现石墨烯场效应晶体管。
具体步骤与实施例1类似，但步骤2中BCB(Cyclotene3022-46，购自美国Dow化学公司)与癸烷以体积比1：27进行稀释。步骤3后，测量BCB有机层厚度为10nm。
同样的，经过测试，上述4个实施例制备的碳基场效应晶体管由于使用经过BCB预处理的衬底，减小了由于衬底表面极性散射和杂质吸附给石墨烯场效应器件所带来的不良影响，有效增加了器件载流子迁移率，提高了器件性能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法，其特征在于，该方法是以苯并环丁烯(BCB)有机膜层来钝化、修饰衬底表面，实现对衬底表面的预处理。
2.根据权利要求1所述的碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：将清洗后的衬底放入烘箱内80℃～200℃干燥处理5分钟～60分钟；
步骤2：配制苯并环丁烯(BCB)溶液，利用有机溶液对BCB溶液进行稀释，通过匀胶机将稀释后的BCB溶液旋涂在衬底表面；
步骤3：在N2或者惰性气体的保护下，将表面旋涂BCB溶液后的衬底加热至200℃～400℃，使苯并环丁烯单体发生交联反应生成苯并环丁烯聚合体，从而在衬底表面形成BCB有机膜层。
3.根据权利要求2所述的碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法，其特征在于，步骤2中所述对BCB溶液进行稀释的有机溶液为1，3，5-三甲基苯、癸烷、1-丁醇、甲苯、丙二醇甲醚乙酸酯或N-甲基吡咯烷酮。
4.根据权利要求2所述的碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法，其特征在于，步骤3中所述加热的温度越低，需要加热的时间就越长，加热的温度越高，需要加热的时间就越短，当加热温度大于或者等于200℃且小于270℃时，在该加热温度处恒温保持15分钟～180分钟后，再自然冷却至常温；当加热温度大于或者等于270℃且小于400℃时，于5秒～1分钟的时间内进行快速热退火。
5.根据权利要求4所述的碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法，其特征在于，所述对衬底加热并退火是在N2保护下进行，采用热板加热、烘箱加热或管式炉加热，退火温度在200～400摄氏度，退火时间在5秒～3小时。
6.根据权利要求2所述的碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法，其特征在于，步骤3中所述BCB有机膜层的厚度为5nm～50nm。
7.根据权利要求2所述的碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法，其特征在于，步骤3中所述在衬底表面形成BCB有机膜层之后，再转移碳纳米管或石墨烯到衬底表面。
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| CN103456607B (zh) | 2017-03-29 |
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