[發明專利]采用水基原子層沉積技術在石墨烯表面制備高k柵介質的方法

有效

• 申請號: 201210365230.9
• 申請日: 2012-09-26
• 公開（公告）號: CN102891077A
• 公開（公告）日: 2013-01-23
• 發明（設計）人: 張有為;仇志軍;陳國平;陸冰睿;劉冉
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L21/285
• 分類號: H01L21/285;C23C16/40
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于半導體器件制造技術領域，具體涉及一種在石墨烯表面制備柵介質的方法。

背景技術

根據摩爾定律，芯片的集成度每18個月至2年提高一倍，即加工線寬縮小一半。利用尺寸不斷減小的硅基半導體材料（硅材料的加工極限一般認為是10納米線寬）來延長摩爾定律的發展道路已逐漸接近終點。隨著微電子領域器件尺寸的不斷減小，硅材料逐漸接近其加工的極限。

為延長摩爾定律的壽命，國際半導體工業界紛紛提出超越硅技術（Beyond?Silicon），其中最有希望的石墨烯應運而生。石墨烯（Graphene）作為一種新型的二維六方蜂巢結構碳原子晶體，自從2004年被發現以來，在全世界引起了廣泛的關注。

石墨烯（Graphene）是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子薄膜，在二維平面上每個碳原子以sp2雜化軌道相銜接，也就是每個碳原子與最近鄰的三個碳原子間形成三個σ鍵，剩余的一個p電子軌道垂直于石墨烯平面，與周圍原子形成π鍵，碳原子間相互圍成正六邊形的平面蜂窩形結構。實驗證明石墨烯不僅具有非常出色的力學性能和熱穩定性，還具有獨特的電學性質。?石墨烯是零帶隙材料，其電子的有效質量為零，并以10⁶m/s的恒定速率運動，行為與光子相似，由此，石墨的理論電子遷移率高達200?000?cm²/V·s，實驗測得遷移率也超過15?000?cm²/V·s，是商業硅片中電子遷移率的10倍，并具有常溫整數量子霍爾效應等新奇的物理性質。正是其優異的電學性能使發展石墨烯基的晶體管和集成電路成為可能，并有可能完全取代硅成為新一代的主流半導體材料。

作為新型的半導體材料，石墨烯已經被應用于MOS（Metal-Oxide-Semiconductor，金屬-氧化物-半導體）場效應晶體管中。為制造高性能的石墨烯基場效應晶體管（G-FET），必須要在石墨烯表面制備高質量的高k柵介質。采用物理氣相沉積（Physical?Vapor?Deposition，PVD）工藝可以直接在石墨烯表面沉積柵介質層，但制得柵介質膜的均勻性和覆蓋率較差，并且沉積過程中的動能離子不可避免地會破壞石墨烯的結構，產生大量缺陷使石墨烯的電學性能大幅衰退。原子層淀積（Atomic?Layer?Deposition，ALD）工藝依靠交替重復的自限制反應生長薄膜，能精確地控制薄膜的厚度和化學組分，因而淀積的薄膜雜質少、質量高并且具有很好的均勻性和保形性，被認為是最有可能制備高質量高k介質層的方法。但由于石墨烯表面呈疏水性并且缺乏薄膜生長所需的懸掛鍵，因而采用常規水基（H₂O-based）ALD生長工藝很難在未經功能化處理的石墨烯表面成核生長均勻的超薄高k介質層。而如果采用臭氧基（O₃-based）ALD工藝雖然可以在石墨烯上制備出高k介質層，但實驗證明O₃會破壞石墨烯的C-C鍵，引入大量C-O鍵，從而破壞石墨烯晶體結構，會降低石墨烯基場效應晶體管的性能。這樣，如何在不破壞石墨烯結構，不影響其電學性能的前提下，在石墨烯表面制備高質量的氧化物柵介質是一個巨大的挑戰。

發明內容

???本發明的目的在于提出一種在石墨烯表面制備高k柵介質的方法，以解決石墨烯表面呈疏水性并且缺乏薄膜生長所需的懸掛鍵，難以用ALD工藝在其表面直接沉積高k柵介質層等問題。

本發明提出的在石墨烯表面制備高k柵介質的方法，采用正丙醇改善的水基原子層沉積技術，通過改善化學源與石墨烯之間浸潤性來提高沉積在石墨烯表面的高k柵介質薄膜的均勻性和覆蓋率。與常規依靠功能化處理在石墨烯晶格中引入親水性基團從而改善石墨烯疏水性的方法不同，本發明通過降低水的表面張力來改善化學源與石墨烯之間浸潤性，進而提高沉積在石墨烯表面的高k柵介質薄膜的均勻性和覆蓋率。