專利名稱：一種電場(chǎng)誘導(dǎo)的在石墨烯表面原子層淀積高k柵介質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳基集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在石墨烯表面淀積高k柵 介質(zhì)的方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)摩爾定律，芯片的集成度每18個(gè)月至2年提高一倍，即加工線寬縮小一半。硅 材料的加工極限一般認(rèn)為是10納米線寬，硅基集成電路在11納米后無(wú)法突破其物理局限 包括電流傳輸損耗，量子效應(yīng)，熱效應(yīng)等，因此很難生產(chǎn)出性能穩(wěn)定、集成度更高的產(chǎn)品。隨 著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，硅基集成電路器件尺寸距離其物理極限越來(lái)越近。為延長(zhǎng)摩爾定律的壽命，國(guó)際半導(dǎo)體工業(yè)界紛紛提出超越硅技術(shù)(Beyond Silicon)，其中最有希望的石墨烯應(yīng)運(yùn)而生。石墨烯(Graphene)是一種從石墨材料中剝離 出的單層碳原子薄膜，在二維平面上每個(gè)碳原子以sp2雜化軌道相銜接，也就是每個(gè)碳原 子與最近鄰的三個(gè)碳原子間形成三個(gè)σ鍵，剩余的一個(gè)ρ電子軌道垂直于石墨烯平面，與 周圍原子的P電子一起形成一個(gè)離域大η鍵，碳原子間相互圍成正六邊形的平面蜂窩形結(jié) 構(gòu)，這樣在同一原子面上只有兩種空間位置相異的原子，如圖1所示。石墨烯具有零禁帶特 性，即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長(zhǎng)度也可以達(dá)到微米級(jí)，同時(shí)， 石墨烯還具有遠(yuǎn)比硅高的載流子遷移率，所以它是一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，并且由于 其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，相較納米碳管而言石墨烯更容易實(shí)現(xiàn)大面積平面器件，因而得到了科 學(xué)界的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是下一代集成電路中有望延續(xù)摩爾定律的重要材料。目前，基于石墨烯材料的石墨烯晶體管主要還面臨兩個(gè)問(wèn)題1)石墨烯的帶隙寬 度為零；2)由于石墨烯表面除邊緣外基本上是化學(xué)惰性的，所以無(wú)法使用原子層淀積方法 在石墨烯表面直接淀積柵高k柵介質(zhì)?，F(xiàn)有的在石墨烯表面淀積高k柵介質(zhì)的主要方法是 在原子層淀積高k柵介質(zhì)之前先在石墨烯表面生長(zhǎng)一層薄的緩沖層，利用緩沖層表面的反 應(yīng)位來(lái)引導(dǎo)原子層淀積高k柵介質(zhì)的初始反應(yīng)，但是緩沖層的使用使得石墨烯器件的電學(xué) 特性變差。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種在石墨烯表面淀積高k柵介質(zhì)的方法，以 避免緩沖層的預(yù)淀積，提高石墨烯器件的電學(xué)特性。為達(dá)到本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提出了一種采用電場(chǎng)誘導(dǎo)的在石墨烯表面原子 層淀積高k柵介質(zhì)的方法，具體步驟包括
在第一塊硅襯底上形成鎳薄膜； 在所述鎳薄膜上生長(zhǎng)石墨烯；
刻蝕鎳薄膜，并將所形成的石墨烯轉(zhuǎn)移到第二塊硅襯底上； 將第二塊硅襯底放入原子層淀積反應(yīng)腔中；在原子層淀積反應(yīng)腔中施加電場(chǎng)，使石墨烯表面電子分布取向發(fā)生變化，石墨烯表面 化學(xué)活性增強(qiáng)；
在石墨烯表面完成原子層淀積的初始化學(xué)吸附； 在石墨烯表面原子層淀積高k柵介質(zhì)。進(jìn)一步地，所述鎳薄膜的優(yōu)選厚度為100-600納米。進(jìn)一步地，所述施加在原子層淀積反應(yīng)腔中的電場(chǎng)方向垂直于所述第二塊硅襯底 的表面。進(jìn)一步地，所述的高k柵介質(zhì)可以為T(mén)￡i205、Pr203、Ti02、Hf02、Al203、&02等高介電 常數(shù)材料。一方面，電場(chǎng)的存在可以破壞石墨烯表面較弱的離域大π鍵，促進(jìn)原子層淀積的 初始反應(yīng)，使得原子層淀積高k柵介質(zhì)可以直接在石墨烯表面進(jìn)行，而不需要預(yù)先淀積一 層緩沖層，簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程。另一方面，電場(chǎng)的存在也可以在促使反應(yīng)源分子在到達(dá)石墨烯 表面的過(guò)程中發(fā)生取向變化，提高了石墨烯表面的化學(xué)活性，為薄膜淀積提供了反應(yīng)位，原 子層淀積的初始過(guò)程的薄膜的均勻性得到保證，進(jìn)而整個(gè)過(guò)程生長(zhǎng)的高k介質(zhì)薄膜也較為 均勻。緩沖層的去除以及柵介質(zhì)薄膜均勻性的保證提高了石墨烯器件的電學(xué)特性。


圖1為本征石墨烯的原子結(jié)構(gòu)示意圖。圖2至圖7為本發(fā)明所提供的一種采用電場(chǎng)誘導(dǎo)的在石墨烯表面原子層淀積氧化 鋁柵介質(zhì)的實(shí)施例的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，在圖中，為了方便 說(shuō)明，放大或縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實(shí)際尺寸。盡管這些圖并不能完全 準(zhǔn)確的反映出器件的實(shí)際尺寸，但是它們還是完整的反映了區(qū)域和組成結(jié)構(gòu)之間的相互位 置，特別是組成結(jié)構(gòu)之間的上下和相鄰關(guān)系。本發(fā)明所提出的采用電場(chǎng)誘導(dǎo)的在石墨烯表面原子層淀積高k柵介質(zhì)的方法可 以廣泛應(yīng)用于各種石墨烯器件中，以下所敘述的是本發(fā)明所提供的一種采用電場(chǎng)誘導(dǎo)的在 石墨烯表面原子層淀積氧化鋁柵介質(zhì)的實(shí)施例的工藝流程。首先，利用物理氣相沉積(PVD)方法在硅襯底201上生長(zhǎng)一層400納米的鎳薄膜 202，如圖2所示。然后通入氬氣，在1000°C溫度下進(jìn)行退火。退火完成后，利用化學(xué)氣相沉積(CVD)在鎳薄膜202上淀積石墨烯層203，如圖3 所示。具體工藝過(guò)程可以為先通入甲烷以及氬氣的混合氣體(其中甲烷/氬氣的氣體流量 比值控制在1:2-1:5，總氣體流量大小約為280-480sCCm)，然后加熱到1000°C后迅速降至
室溫，即可在鎳薄膜上形成石墨烯薄層。接下來(lái)，利用濕法刻蝕的方法刻蝕鎳薄膜202，然后將石墨烯層203轉(zhuǎn)移到另一塊 硅襯底204上，如圖4所示。接下來(lái)，將第二塊硅襯底204放入原子層淀積反應(yīng)腔中，并在原子層淀積反應(yīng)腔 中施加垂直于硅襯底204表面的電場(chǎng)205，如圖5所示，所示箭頭方向表示所施加電場(chǎng)205的方向。在電場(chǎng)的作用下石墨烯表面的離域大η鍵將會(huì)斷裂，石墨烯表面的化學(xué)活性增 強(qiáng)。接下來(lái)，通入反應(yīng)源Al (CH3)3，在石墨烯表面發(fā)生化學(xué)吸附形成-Al (CH3)2基團(tuán) 206，如圖6所示，多余的Al (CH3) 3和氣體反應(yīng)產(chǎn)物CH4由載氣氮?dú)?N2)帶走。最后，通入H2O源，與之前化學(xué)吸附的-Al (CH3) 2基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，多余的水和反應(yīng)副 產(chǎn)物則由載氣帶出反應(yīng)腔。通過(guò)交替進(jìn)行一定次數(shù)的Al (CH3)3 ->隊(duì)沖洗_> H20-> N2沖 洗循環(huán)，可以在石墨烯203的表面得到合適厚度的Al2O3薄膜207，如圖7所示。如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構(gòu)成許多有很大差別的 實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說(shuō)明書(shū)中所述的具體 實(shí)例。
權(quán)利要求
1.一種采用電場(chǎng)誘導(dǎo)的在石墨烯表面原子層淀積高k柵介質(zhì)的方法，其特征在于具體 步驟包括在第一塊硅襯底上形成鎳薄膜；在所述鎳薄膜上生長(zhǎng)石墨烯；刻蝕鎳薄膜，并將所形成的石墨烯轉(zhuǎn)移到第二塊硅襯底上；將第二塊硅襯底放入原子層淀積反應(yīng)腔中；在原子層淀積反應(yīng)腔中施加電場(chǎng)，使石墨烯表面電子分布取向發(fā)生變化，石墨烯表面 化學(xué)活性增強(qiáng)；在石墨烯表面完成原子層淀積的初始化學(xué)吸附；在石墨烯表面原子層淀積高k柵介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用電場(chǎng)誘導(dǎo)的在石墨烯表面原子層淀積高k柵介質(zhì)的方 法，其特征在于，所述鎳薄膜的厚度為100-600納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用電場(chǎng)誘導(dǎo)的在石墨烯表面原子層淀積高k柵介質(zhì)的方 法，其特征在于，所述施加在原子層淀積反應(yīng)腔中的電場(chǎng)方向垂直于所述第二塊硅襯底的 表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用電場(chǎng)誘導(dǎo)的在石墨烯表面原子層淀積高k柵介質(zhì)的方 法，其特征在于，所述的高k柵介質(zhì)為T(mén) 05、Pr203、TiO2, HfO2, Al2O3或^O2高介電常數(shù)材 料。
全文摘要
本發(fā)明屬于碳基集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用電場(chǎng)誘導(dǎo)的在石墨烯表面原子層淀積高k柵介質(zhì)的方法。具體是在電場(chǎng)的誘導(dǎo)下，石墨烯表面的離域大π建被破壞，電子分布取向發(fā)生變化，從而可以在不預(yù)先淀積緩沖層的情況下直接在石墨烯表面原子層淀積均勻的高k柵介質(zhì)，簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程，提高了石墨烯器件的電學(xué)特性。
文檔編號(hào)H01L21/285GK102097297SQ20101054515
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者孫清清, 張衛(wèi), 江婷婷, 王鵬飛 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)