[發(fā)明專利]碳化硅熱解制備石墨烯的襯底可控臺階形貌預(yù)處理方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711420112.2
• 申請日: 2017-12-25
• 公開（公告）號: CN108183064B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙志飛;李赟;王翼;李忠輝
• 申請（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;C01B32/188
• 代理公司: 南京君陶專利商標(biāo)代理有限公司 32215
• 代理人: 沈根水

本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于碳化硅熱解制備石墨烯的襯底可控臺階形貌預(yù)處理方法，包括如下步驟:(1)將碳化硅襯底置于化學(xué)氣相沉積CVD設(shè)備內(nèi)的基座上;(2)設(shè)置反應(yīng)室壓力、氫氣流量，氫氣氣氛下升溫至開始刻蝕溫度;(3)保持壓力和H₂流量不變，繼續(xù)升溫至最終刻蝕溫度的同時通入小流量碳源輔助刻蝕;(4)升溫至最終刻蝕溫度后，保持壓力、溫度和H₂流量不變，線性緩變的方式緩慢提高碳源流量輔助刻蝕;(5)關(guān)閉碳源通入反應(yīng)室閥門，純H₂刻蝕;(6)向反應(yīng)室通入硅烷輔助H₂刻蝕;(7)氫氣氣氛下降溫至室溫，取出完成預(yù)處理的碳化硅襯底。優(yōu)點:擴(kuò)大純氫氣刻蝕的可控工藝窗口，同時解決純氫氣刻蝕導(dǎo)致的襯底表面臺階難以控制的問題。既有效去除襯底表面的亞損傷層，又可在碳化硅襯底表面形成可控平直、無缺陷臺階，其上解離速度一致，臺面上碳原子的供給速度一樣，可以使得生長的石墨烯更加均勻。具有較高的推廣價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明具體涉及的是一種應(yīng)用于碳化硅熱解制備石墨烯的襯底可控臺階形貌預(yù)處理方法。屬于半導(dǎo)體外延材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

石墨烯薄膜具有完美的二維晶體結(jié)構(gòu)，賦予其許多優(yōu)異特性，例如：單原子層構(gòu)成的二維平面結(jié)構(gòu)，室溫下大于200000 cm²/V·s的本征電子遷移率（硅的140 倍，且高于碳納米管）；微米級電子的平均自由程；比銅高兩個數(shù)量級的電流密度（108 A/cm²）；優(yōu)秀的導(dǎo)熱性[～5000 W/ (m·K)]（金剛石的5倍，且高于碳納米管）。顯然，若能挖掘出石墨烯這些本征性能在射頻電子領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，有望突破高速晶體管在接近THz范圍主要噪聲源（熱噪聲以及散粒噪聲）的限制，大幅提升高速器件的噪聲性能。目前，硅器件的工作速度能達(dá)到GHz范圍，而石墨烯由于具有超高的電子遷移率以及二維結(jié)構(gòu)可突破短溝道效應(yīng)的限制，以之為溝道材料制備的器件工作頻率有望超越THz范圍。如果其潛力能夠得到開發(fā)，其意義不言而喻。

石墨烯的合成方法主要有微機械分離法、取向附生法、化學(xué)分散法、SiC熱分解法等。SiC熱分解法是通過加熱單晶SiC襯底，使Si元素解離，在表面上剩余的C原子形成石墨烯片層。具體過程是：將經(jīng)氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下或氣氛下加熱，表層硅原子升華，碳原子重構(gòu)生成石墨烯。該法被人們認(rèn)為是實現(xiàn)石墨烯在集成電路中應(yīng)用的最有希望的途徑之一。在SiC襯底表面上生長的石墨烯有很多優(yōu)勢。其中就襯底而言，SiC是寬禁帶半導(dǎo)體，可以是很好的半絕緣襯底，SiC襯底熱導(dǎo)率高，散熱好。經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，SiC已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子學(xué)、MEMS等領(lǐng)域。作為一個被人們廣泛研究并應(yīng)用的材料，人們對它已經(jīng)有比較完善的了解，并發(fā)展了相關(guān)的半導(dǎo)體加工工藝，因此在SiC表面上生長的石墨烯可比較容易地實現(xiàn)半導(dǎo)體器件應(yīng)用。與其他方法相比，在SiC襯底表面上生長的石墨烯在很多方面具有更高的質(zhì)量，這種材料表面非常均勻，其主要形貌由下面的SiC襯底的臺階決定。SiC襯底上生長的石墨烯可以在整個晶片上利用傳統(tǒng)的光刻和微納米加工技術(shù)進(jìn)行器件或電路的刻蝕，可直接利用已有的SiC生產(chǎn)工藝實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，因而在微納電子器件和大規(guī)模集成邏輯電路領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景，SiC上生長的晶圓級石墨烯是目前為止最有希望取代晶體硅的材料。