專(zhuān)利名稱(chēng)：在4H/6H-SiC碳面外延生長(zhǎng)晶圓級(jí)石墨烯的方法
在4H/6H-SiC碳面外延生長(zhǎng)晶圓級(jí)石墨烯的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體材料的制作，具體地說(shuō)是在 4H/6H-SiC (OOOT)碳面外延生長(zhǎng)晶圓級(jí)石墨烯的制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是由單層Sp2碳原子組成的六角平面晶格結(jié)構(gòu)的材料，它有著卓越的物理學(xué)性質(zhì)，主要表現(xiàn)在以下諸方面(1)雙極性電場(chǎng)效應(yīng)強(qiáng)僅施加一個(gè)外電場(chǎng)，其電荷載流子密度就能夠連續(xù)的從η型轉(zhuǎn)變?yōu)棣研停?2)在Dirac點(diǎn)附近，電子和空穴表現(xiàn)出如同光子的線性色散的關(guān)系，在低溫下，電子和空穴的速度接近光在真空速度的三百分之一；(3)室溫下，石墨烯電子和空穴的遷移率達(dá)到2X104cm2/V · s，其數(shù)值高于硅的10倍，可以說(shuō)是目前最快的半導(dǎo)體；(4)帶隙可調(diào)。帶隙取決于石墨烯帶的幾何寬度和方向；(5)厚度薄它是碳原子的單層平面材料，厚度只有一個(gè)原子的尺寸，是人類(lèi)目前發(fā)現(xiàn)的最薄的材料；(6)硬度高由Sp2雜化形成的平面六角結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性高，IOBOGPa的楊氏模量，比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵高100倍；(7)密度小密度僅為2. 2g/cm3 ；⑶熱傳導(dǎo)性能良好，其熱傳導(dǎo)系數(shù)達(dá)到5000W/m ·Κ。總之，石墨烯是一種以碳原子為基礎(chǔ)的納米級(jí)超薄材料，它的優(yōu)點(diǎn)在于它優(yōu)越的強(qiáng)度和很高的遷移率，同時(shí)具有非凡的電子學(xué)、熱力學(xué)和力學(xué)性能。
石墨烯具有非常令人驚奇和新穎的物理化學(xué)性質(zhì)，被人們認(rèn)為是post-CMOS時(shí)代微電子技術(shù)取代硅最有希望的候選材料。這就要求高質(zhì)量的厚度可控以及特定晶向的石墨烯晶圓被放量的制造出來(lái)。在SiC襯底上外延生長(zhǎng)石墨烯的方法被認(rèn)為是最有潛力和希望，突破Si技術(shù)發(fā)展瓶頸的方法。其形成機(jī)理如下，在高真空環(huán)境下中加熱4H-SiC/6H-SiC 的碳面(OOOT)面或者硅面(0001)面至1600°C左右，待硅原子充分升華后，表面就留下無(wú)定形碳原子層。保持該溫度，這些碳原子會(huì)以SP2方式在SiC襯底表面重構(gòu)形成石墨烯。使用這種外延生長(zhǎng)法，雖然可以得到質(zhì)量較高，尺寸較大的石墨烯，但卻存在諸多因素，使得生長(zhǎng)的石墨烯面積太小，均勻性不高等問(wèn)題。這些因素主要包括襯底材料4H/6H-SiC，襯底材料的硅面或者碳面，外延生長(zhǎng)工藝參數(shù)包括溫度、壓力、時(shí)間等因素。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種在4H/6H_SiC碳面外延生長(zhǎng)晶圓級(jí)石墨烯的方法，以增大外延石墨烯的面積和均勻性，提高石墨烯材料的性能。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟
1)對(duì)4H/6H_SiC (000Τ)碳面進(jìn)行表面清潔處理；
2)將清潔處理后的4H/6H-SiC樣品放置在CVD爐腔中，通入流量為50 701/min 的氫氣，升溫至1550 1650°C，在壓力為0. 9 1. Ibar下保持50 70分鐘，完成氫刻蝕過(guò)程，以去除樣品表面劃痕，形成規(guī)則的臺(tái)階狀條紋；
3)將氫刻蝕后的4H/6H-SiC樣品，在CVD爐腔中降溫至950 1050°C，通入流量為15 251/min的氫氣，保持6 10分鐘；繼續(xù)降溫至840 860°C，通入流量為0. 5ml/min的硅烷，保持5 15分鐘，以去除由于氫刻蝕所產(chǎn)生的表面氧化物；
4)將去除表面氧化物的4H/6H_SiC樣品，在CVD爐腔中，繼續(xù)通入流量為1 31/ min，壓力為2 6mbar的氬氣，升溫至1590 1610°C，持續(xù)80 120分鐘，完成晶圓級(jí)外延石墨烯的生長(zhǎng)。
本發(fā)明的優(yōu)選方案，包括如下過(guò)程
(1)對(duì)4H/6H-SiC (000Τ)碳面進(jìn)行表面清潔處理；
(2)將清潔處理后的4H/6H-SiC樣品放置在CVD爐腔中，通入流量為601/min的氫氣，升溫至1600°C，在壓力為Ibar下保持60分鐘，完成氫刻蝕過(guò)程，以去除樣品表面劃痕， 形成規(guī)則的臺(tái)階狀條紋；
(3)將氫刻蝕后的4H/6H_SiC樣品，在CVD爐腔中降溫至1000°C，通入流量為201/ min的氫氣，保持8分鐘；再繼續(xù)降溫至850°C，通入流量為0. 5ml/min的硅烷，保持10分鐘，以去除由于氫刻蝕所產(chǎn)生的表面氧化物；
(4)將去除表面氧化物的4H/6H_SiC樣品，在CVD爐腔中，繼續(xù)通入流量為21/ min，壓力為4mbar的氬氣，升溫至1600°C，持續(xù)100分鐘，完成晶圓級(jí)外延石墨烯的生長(zhǎng)。
本發(fā)明由于使用化學(xué)方法，對(duì)襯底表面的化學(xué)污染物進(jìn)行有效的清洗，隨后去除了襯底表面的機(jī)械劃痕，形成規(guī)則有序的臺(tái)階狀形貌，有助于碳原子石墨化過(guò)程的進(jìn)行；同時(shí)由于本發(fā)明在特定的溫度、壓力和時(shí)間作用下，完成晶圓級(jí)外延石墨烯的生長(zhǎng)，提高了外延石墨烯的面積和均勻性。


圖1是現(xiàn)有4H/6H_SiC晶格結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明在圖1所示的4H/6H_SiC襯底碳面上外延生長(zhǎng)晶圓級(jí)石墨烯的工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明采用的襯底來(lái)自Cree公司，包括4H_SiC和6H_SiC兩種晶體類(lèi)型，其中4H-SiC晶格結(jié)構(gòu)如附圖1(a)所示，6H-SiC晶格結(jié)構(gòu)如附圖1(b)所示，主要物理參數(shù)如下參雜類(lèi)型為η型，參雜濃度3Χ 1018/cm3，樣品直徑5. 08cm,偏離主軸角度8°，厚度 (380士30) μ m，室溫下電阻率小于等于0.025 Ω .cm。它具有兩個(gè)極面硅面(0001)面和碳面(OOOT)面。在硅面(0001)，每一個(gè)硅原子具有一個(gè)懸掛的硅鍵，在碳面(OOOT)面，每一個(gè)碳原子具有一個(gè)懸掛的碳鍵。在硅面(0001)面和碳面(OOOT )面均可外延生長(zhǎng)石墨烯， 但它們的電學(xué)性質(zhì)差別較大。本發(fā)明采用4H/6H-SiC(000T)碳面外延生長(zhǎng)晶圓級(jí)石墨烯。
參照?qǐng)D2，本發(fā)明給出在圖1所示的4H/6H_SiC晶格結(jié)構(gòu)襯底碳面外延生長(zhǎng)晶圓級(jí)石墨烯的三個(gè)實(shí)施例。
實(shí)施例1，本發(fā)明在4H_SiC (OOOT)碳面外延生長(zhǎng)晶圓級(jí)石墨烯
步驟一，去除樣品表面污染物。
對(duì)4H_SiC (000Τ)碳面表面進(jìn)行清潔處理，即將SiC放置在去離子水的超聲波中清洗15min，取出，反復(fù)沖洗；將SiC浸在氨水雙氧水去離子水=1:2: 5溶液中煮沸，浸泡15min，用去離子水反復(fù)清洗；將SiC浸入鹽酸雙氧水去離子水=1 2 8溶液中煮沸15min，用去離子水反復(fù)清洗；將SiC放入5 %的HF溶液中l(wèi)min，用去離子水沖洗； 將SiC放置在去離子水的超聲波中清洗15min，反復(fù)沖洗，取出烘干。
步驟二，在4H_SiC (ΟΟΟΤ；)碳面進(jìn)行氫刻蝕。
把清洗后的4H_SiC (OOOl)碳面放置在CVD爐腔中，并通入流量為501/min的氫氣，升溫至1550°C時(shí)，在壓力為0. 9bar的條件下，保持80分鐘，完成氫刻蝕過(guò)程，以去除襯底表面劃痕，并形成規(guī)則的臺(tái)階狀條紋。
步驟三，去除氫刻蝕產(chǎn)生的襯底表面氧化物。
將氫刻蝕后的4H_SiC樣品，在CVD爐腔中降溫至950°C，再通入流量為151/min的氫氣，保持6分鐘；然后繼續(xù)降溫至840°C，通入流量為0. 5ml/min的硅烷，保持5分鐘，以去除由于氫刻蝕所產(chǎn)生的襯底表面氧化物。
步驟四，外延生長(zhǎng)石墨烯。
將去除表面氧化物的4H_SiC樣品，在CVD爐腔中，通入流量為11/min、壓力為 2mbar的氬氣流，升溫至1590°C，保持80分鐘后降至室溫，使得Si原子從襯底表面升華，C 原子以Sp2形式重構(gòu)，以形成石墨烯。
實(shí)施例2，本發(fā)明在6H_SiC(000T)碳面外延生長(zhǎng)石墨烯
步驟1，對(duì)6H_SiC ( OOOT)碳面表面進(jìn)行清潔處理，去除樣品表面污染物。
la)將SiC放置在去離子水的超聲波中清洗15min，取出，反復(fù)沖洗；
lb)將SiC浸在氨水雙氧水去離子水=1:2:5溶液中煮沸，浸泡15min， 用去離子水反復(fù)清洗；
Ic)將SiC浸入鹽酸雙氧水離子水=1:2: 8溶液中煮沸15min，用去離子水反復(fù)清洗；
Id)將SiC放入5%的HF溶液中l(wèi)min，用去離子水沖洗；
Ie)將SiC放置在去離子水的超聲波中清洗15min，反復(fù)沖洗，取出烘干。
步驟2，在6H_SiC ( OOOT)碳面進(jìn)行氫刻蝕。
把清洗后的6H_SiC (OOOl)碳面放置在CVD爐腔中，并通入流量為701/min的氫氣，升溫至1650°C，壓力1. lbar，保持70分鐘，完成氫刻蝕過(guò)程，以去除襯底表面劃痕，并形成規(guī)則的臺(tái)階狀條紋。
步驟3，去除氫刻蝕產(chǎn)生的表面氧化物。
將氫刻蝕后的6H_SiC樣品，在CVD爐腔中降溫至1050°C，通入流量為251/min的氫氣，保持10分鐘；繼續(xù)降溫至860°C，通入流量為0. 5ml/min的硅烷，保持15分鐘，以去除由于氫刻蝕所產(chǎn)生的表面氧化物；
步驟4，外延生長(zhǎng)石墨烯。
將去除表面氧化物的6H_SiC樣品，在CVD爐腔中，通入流量為31/min、壓力為 6mbar的氬氣，升溫至1610°C，保持120分鐘，使得Si原子從襯底表面升華，C原子以sp2雜化，重構(gòu)形成石墨烯。
實(shí)施例3，本發(fā)明在6H_SiC碳面外延生長(zhǎng)Graphene的步驟如下
步驟A，對(duì)6H_SiC (000Τ)碳面表面進(jìn)行清潔處理，去除樣品表面污染物。
將SiC放置在去離子水的超聲波中清洗15min，取出，反復(fù)沖洗；
將SiC浸在氨水雙氧水去離子水=1:2: 5溶液中煮沸，浸泡15min，用去離子水反復(fù)清洗；
將SiC浸入鹽酸雙氧水去離子水=1:2: 8溶液中煮沸15min，去離子水反復(fù)清洗；
將SiC放入5%的HF溶液中l(wèi)min，用去離子水沖洗；
將SiC放置在去離子水的超聲波中清洗15min，反復(fù)沖洗，取出烘干。
步驟B，在6H_SiC (OOOT)碳面進(jìn)行氫刻蝕。
把清洗后的6H-SiC (OOOl)碳面放置在CVD爐腔中，并通入流量為601/min的氫氣，升溫至1600°C，壓力lbar，保持60分鐘，完成氫刻蝕過(guò)程，以去除襯底表面劃痕，并形成規(guī)則的臺(tái)階狀條紋。
步驟C，去除氫刻蝕產(chǎn)生的表面氧化物。
將氫刻蝕后的6H-SiC樣品，在CVD爐腔中降溫至1000°C，通入流量為201/min的氫氣，保持8分鐘；再繼續(xù)降溫至850°C，通入流量為0. 5ml/min的硅烷，保持10分鐘，以去除由于氫刻蝕所產(chǎn)生的表面氧化物；
步驟D，外延生長(zhǎng)石墨烯。
將去除表面氧化物的6H_SiC樣品，在CVD爐腔中，通入流量為21/min，壓力為 4mbar的氬氣，升溫至1600°C，保持100分鐘，使得Si原子從襯底表面升華，C原子以sp2雜化，重構(gòu)形成石墨烯。
權(quán)利要求
1.一種在4H/6H-SiC碳面外延生長(zhǎng)晶圓級(jí)石墨烯的方法，包括如下過(guò)程1)對(duì)4H/6H-SiC(000Τ)碳面進(jìn)行表面清潔處理；2)將清潔處理后的4H/6H-SiC樣品放置在CVD爐腔中，通入流量為50 701/min的氫氣，升溫至1550 1650°C，在壓力為0. 9 1. Ibar下保持50 70分鐘，完成氫刻蝕過(guò)程，以去除樣品表面劃痕，形成規(guī)則的臺(tái)階狀條紋；3)將氫刻蝕后的4H/6H-SiC樣品，在CVD爐腔中降溫至950 1050°C，通入流量為 15 251/min的氫氣，保持6 10分鐘；繼續(xù)降溫至840 860°C，通入流量為0. 5ml/min 的硅烷，保持5 15分鐘，以去除襯底表面所產(chǎn)生的氧化物；4)將去除表面氧化物的4H/6H-SiC樣品，在CVD爐腔中，繼續(xù)通入流量為1 31/min， 壓力為2 6mbar的氬氣，升溫至1590 1610°C，持續(xù)80 120分鐘，完成晶圓級(jí)外延石墨烯的生長(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)步驟1的要求，其中所述對(duì)4H/6H-SiC(OOOT)碳面進(jìn)行表面清潔處理，按如下步驟進(jìn)行l(wèi)a)將SiC放置在去離子水的超聲波中清洗15min后取出，反復(fù)沖洗；lb)將SiC浸在氨水雙氧水去離子水=1:2: 5溶液中煮沸，浸泡15min，用去離子水反復(fù)清洗；Ic)將SiC浸入鹽酸雙氧水去離子水=1:2: 8溶液中煮沸15min，去離子水反復(fù)清洗；Id)將SiC放入5%的HF溶液中l(wèi)min，用去離子水沖洗；Ie)將SiC放置在去離子水的超聲波中清洗15min，反復(fù)沖洗，取出烘干。
3.一種在4H/6H-SiC碳面外延生長(zhǎng)晶圓級(jí)石墨烯的方法，包括如下過(guò)程(1)對(duì)4H/6H-SiC(000Τ)碳面進(jìn)行表面清潔處理；(2)將清潔處理后的4H/6H-SiC樣品放置在CVD爐腔中，通入流量為601/min的氫氣， 升溫至1600°C，在壓力為Ibar下保持60分鐘，完成氫刻蝕過(guò)程，以去除樣品表面劃痕，形成規(guī)則的臺(tái)階狀條紋；(3)將氫刻蝕后的4H/6H-SiC樣品，在CVD爐腔中降溫至1000°C，通入流量為201/min 的氫氣，保持8分鐘；再繼續(xù)降溫至850°C，通入流量為0. 5ml/min的硅烷，保持10分鐘，以去除襯底表面的氧化物；(4)將去除表面氧化物的4H/6H-SiC樣品，在CVD爐腔中，繼續(xù)通入流量為21/min，壓力為4mbar的氬氣，升溫至1600°C，持續(xù)100分鐘，完成晶圓級(jí)外延石墨烯的生長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種在4H/6H-SiC碳面外延生長(zhǎng)晶圓級(jí)石墨烯的方法，主要解決現(xiàn)有在4H/6H-SiC碳面外延生長(zhǎng)石墨烯時(shí)，產(chǎn)生的石墨烯面積太小、均勻性不高的問(wèn)題。其方法是，對(duì)4H/6H-SiC碳面進(jìn)行清潔處理，以去除表面有機(jī)殘余物和離子污染物；通入氫氣，對(duì)4H/6H-SiC碳面分別進(jìn)行氫刻蝕，以去除表面劃痕，形成規(guī)則的臺(tái)階狀條紋；通入硅烷去除氫刻蝕在表面帶來(lái)的氧化物；在通入氬氣流2mbar壓力環(huán)境下，通過(guò)加熱，使得硅原子升華，碳原子以sp2方式在襯底表面重構(gòu)形成外延石墨烯。使用本發(fā)明的工藝方法所制備的石墨烯具有較大的面積和良好的均勻性，可應(yīng)用于晶圓級(jí)外延石墨烯材料的制備。
文檔編號(hào)C01B31/04GK102502592SQ20111029363
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月2日
發(fā)明者張義門(mén), 張玉明, 湯曉燕, 王黨朝, 王悅湖, 王航, 雷軍, 雷天民 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)