一种退化石墨烯氧化物的电诱导还原方法技术

本发明专利技术属于碳基集成电路制造技术领域，具体涉及一种退化石墨烯氧化物的还原方法。本发明专利技术采用接触探针电诱导还原法对导电衬底上的石墨烯氧化物进行可控还原，通过控制导电原子力显微镜的探针所加电压来控制还原后石墨烯氧化物的成分从而控制还原后石墨烯氧化物的电阻率。利用导电接触探针对石墨烯氧化物进行还原是一种新颖的还原石墨烯氧化物的方法，它可以直接应用在纳米尺度的平面器件制备当中，大大简化了此种器件制备的复杂性。另外，该方法也可以作为石墨烯基电子器件的基本加工工艺。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于碳基集成电路制造
，具体涉及一种石墨烯氧化物的还原方法。特别涉及一种使用导电原子力显微镜(C-AFM)来制备和纳米刻蚀石墨烯的方法。
技术介绍
在半导体制造领域，随着集成度的提高，线宽的缩小，当前集成电路的材料基础一娃，逐渐达到其材料加工极限一10纳米线宽，而硅基集成电路在11纳米后无法突破其物理局限包括电流传输损耗，量子效应，热效应等，因此很难生产出性能稳定、集成度更高的产品，半导体产业似乎遇到了无法逾越的瓶颈。然而在2004年，一种新型半导体材料一石墨烯(Graphene)的发现让人们看到了希望。石墨烯(Graphene)是由单层六角元胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体，是石墨中的一层。图1所示为石墨烯的基本结构示意图。石墨烯具有零禁带特性，能带结构就像一个大写字母的X，同时，石墨烯还具有远比硅高的载流子迁移率，所以它是一种性能优异的半导体材料。基于其独特的二维结构和物理特性，石墨烯被认为是下一代集成电路中有望延续摩尔定律的重要材料。石墨烯高电子迁移率的特性使其最早被应用在高频器件中，但是，零带隙特性却成为石墨烯应用在逻辑器件的一大障碍。研究发现，还原后的石墨烯氧化物(rGO，reduced Graphene Oxide)相比于石墨烯会出现介于0 eV到0. 5 eV之间大小的禁带宽度，其电子迁移率仍可媲美掺杂的导电聚合物，是掺杂的氢化非晶硅的33，000倍。作为还原方法中的一种，使用C-AFM的电诱导还原方法对石墨烯氧化物进行还原，可以做到对还原物的纳米尺度的控制和还原程度的控制，是一种有效和新颖的方法，将进一步推动碳基集成电路的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种适用于石墨烯氧化物的还原的方法，该石墨烯氧化物的还原方法可以在未来超越硅材料后的碳基大规模集成电路制造中获得全面应用。本专利技术提出的石墨烯氧化物的还原方法，亦称石墨烯氧化物的形成及电诱导还原加工方法，具体步骤包括利用化学气相沉积方法在提供的高掺杂的硅片衬底上形成石墨烯层； 将所述石墨烯层经过氧化处理，形成石墨烯氧化物；利用电压可控的纳米尺寸导电接触探针使得绝缘性的石墨烯氧化物还原为导电性的石墨烯，或者石墨烯与石墨烯氧化物的混合物。进一步地，所述的氧化处理是采用反应离子刻蚀及远程等离子氧化，且选择半导体常用的刻蚀去胶设备进行氧化。使用导电原子力显微镜来完成电诱导还原，所述纳米尺寸导电接触探针是涂有15-30纳米PtIr层的导电探针(典型的如20纳米PtIr层)，加在石墨烯氧化物和探针之间的压差应该在3V以上。另外，石墨烯氧化物所处的衬底是高掺杂的硅片(如高浓度P型掺杂的硅片)，总处于低电位，在室温环境中，要求保持空气相对湿度最好高于25%。石墨烯氧化物可以看作是由石墨烯吸附大量氧离子功能团形成，调节功能团可以调制石墨烯的电学、光学等属性，同时石墨烯氧化物在一定的加电场条件下可以由相对绝缘性转换为导电性的石墨烯，或者石墨烯与石墨烯氧化物的混合物。本专利技术采用接触探针电诱导还原方法对导电衬底上的石墨烯氧化物进行还原，可以做到对还原图形和还原程度的有效控制，类似于热探针还原方法。在室温下空气环境中， 石墨烯氧化物表面会存在一层水膜，导电探针和样品之间的电压差会使水分子电解，产生的氢离子会被低电位的石墨烯氧化物所吸引而参与到石墨烯氧化物的还原过程当中。控制石墨烯氧化物与导电探针之间的不同压差可以控制石墨烯氧化物的还原程度，控制导电探针在石墨烯氧化物表面的走向可以控制还原得到的图形。因此，该工艺可以被称为石墨烯氧化物的形成及电诱导还原方法。采用接触探针电诱导还原法对导电衬底上的石墨烯氧化物进行可控还原，通过控制探针电压来控制还原石墨烯氧化物的成分从而控制还原产物的电阻率。利用单原子尺寸导电接触探针对石墨烯氧化物进行还原是一种新颖的还原石墨烯氧化物的方法，它可以直接应用在纳米尺度的平面器件制备当中，大大简化了此种器件制备的复杂性。该方法也可以作为石墨烯基电子器件的基本加工工艺。附图说明图1为石墨烯基本结构示意图。图2至图3为本专利技术提供的石墨烯氧化物的形成过程示意图。图4和图5分别为本专利技术提供的还原后的石墨烯氧化物的示意图。图6为本专利技术还原方法的装置图示。具体实施方式本专利技术所提出的使用导电原子力显微镜来电诱导还原石墨烯氧化物的方法是比较稳定和可靠的，可以被当作一种常规手段来完成石墨烯氧化物的还原工作。以下所述的是采用本专利技术所提出的使用导电原子力显微镜来电诱导还原石墨烯氧化物的实施例。在图中，为了方便说明，线路和结构大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全准确的反映出仪器和电路的实际规模，但是它们还是完整的反映了仪器的大致工作原理和还原过程当中工作电路的基本结构。首先，在清洗过的硅衬底101上掺杂形成高掺杂的衬底。其中，掺杂的方法是离子注入，注入的杂质元素为硼，浓度约为IX IO19cnT3到IXlO21CmA然后通过化学气相沉积 (LPCVD)方法在衬底101上形成一层石墨烯102，如图2所示。其中，形成石墨烯的具体方法为通过通入甲烷以及氩气等惰性气体(其中甲烷/氩气的气体流量比值范围约为1:2至 1:5，甲烷以及氩气的总气体流量范围约为280sCCm至480sCCm，其大小取决于所需形成的薄膜的尺寸)，加热到1000°C后，再迅速降至室温，这样可在氧化硅层102上沉积形成6-10 层的石墨烯。接下来，对石墨烯层102进行氧化处理形成石墨烯氧化物层200，如图3所示。其中，所述氧化方法是采用反应离子刻蚀(RIE)及远程等离子氧化，该氧化方法易与CMOS工艺兼容，并能实现大规模化生产石墨烯氧化物层。对石墨烯进行氧化时可以选择半导体常用的刻蚀去胶设备进行氧化，不直接对石墨烯层进行离子接触。具体地，氧化的工艺条件中，功率约为600 W至1000W、通入的氧气/氩气的气体流量比值范围是1 1至1 3，氧气/氩气的流量大小取决于薄膜形成尺寸，氧气和氩气的总流量的范围约为200sCCm至400sCCm。接下来，使用C-AFM对石墨烯氧化物200进行电诱导还原。还原过程为，在室温环境中，保持相对空气湿度在40%到60%之间，在原子力显微镜(AFM)中选择导电原子力显微镜模块(C-AFM Module)，使用接触模式(Contact Mode)，控制探针和样品的电压差在4 V 到10 V之间，控制探针在样品200表面扫描，经过大约3分钟到5分钟，一层10纳米到80 纳米厚，面积大小为微米尺寸级别的石墨烯氧化物层300就会被彻底还原。经检测，在5V 电压下，样品上某一点的电流大小会从未还原之前的0 pA到2 pA增大到了还原后的300 PA左右。这里要注意的是，同一片区域，在压差不变的情况下，电阻率随着扫描时间的增加而降低，但并非无限降低。所得到的还原后的石墨烯氧化物300便具有了半导体特性，其电阻率及能带可以通过石墨烯氧化物层数以及被还原程度调制，可以大范围满足不同应用需求。需要注意的是，导电接触探针会对样品表面形成一定的机械损伤，而调节接触模式下的悬臂梁弯曲量的设定值(Deflection Setpoint)可在尽量降低损伤的情况下做到还原，而且长时间(> 10分钟)的扫描也会对样品造成损伤，所以在实施过程中采取控制悬臂梁弯曲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周鹏，孙清清，魏红强，张卫，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：