一种于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法技术

本发明专利技术提供一种于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法，先将石墨烯置于氧化物分子束外延室，并使所述氧化物分子束外延室保持预设的气压及预设的温度；然后向所述氧化物分子束外延室通入金属蒸气束流与氧化剂气流，使其于所述石墨烯表面反应并沉积形成金属氧化物薄膜。本发明专利技术通过控制气压及温度，选择合适的金属及氧化剂，可在石墨烯上制备出高k栅介质单层膜或多层膜；薄膜的厚度、组分等可以从原子尺寸精确控制；可以制备出沉积均匀、高质量高k栅介质薄膜；可以作为成核层再通过如原子层沉积法等继续生长获得所需厚度的高质量高k栅介质层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体制备领域，特别是涉及。
技术介绍
根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，S卩加工线宽缩小一半。利用尺寸不断减小的硅基半导体材料(硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽)来延长摩尔定律的发展道路已逐渐接近终点。随着微电子领域器件尺寸的不断减小，硅材料逐渐接近其加工的极限。为延长摩尔定律的寿命，国际半导体工业界纷纷提出超越硅技术(BeyondSilicon),其中最有希望的石墨烯应运而生。石墨烯(Graphene)作为一种新型的二维六方 蜂巢结构碳原子晶体，自从2004年被发现以来，在全世界引起了广泛的关注。实验证明石墨烯不仅具有非常出色的力学性能和热稳定性，还具有独特的电学性质。石墨烯是零带隙材料，其电子的有效质量为零，并以106m/s的恒定速率运动，行为与光子相似，由此，石墨的理论电子迁移率高达200000cm2/V · s，实验测得迁移率也超过15000cm2/V · s，是商业硅片中电子迁移率的10倍，并具有常温整数量子霍尔效应等新奇的物理性质。正是其优异的电学性能使发展石墨烯基的晶体管和集成电路成为可能，并有可能完全取代硅成为新一代的主流半导体材料。作为新型的半导体材料,石墨烯已经被应用于MOS(Metal-Oxide-Semiconductor,金属-氧化物-半导体)场效应晶体管中。为制造高性能的石墨烯基场效应晶体管(G-FET)，必须要在石墨烯表面制备高质量的高k栅介质。研究人员尝试采用物理气相沉积(Physical VaporDeposition, PVD)工艺、原子层淀积(Atomic Layer Deposition, ALD)工艺等方法在石墨烯表面制备高k栅介质薄膜，但这些方法要么会破坏石墨烯晶体结构从而降低石墨烯的电学性能，要么很难在石墨烯表面成核生长出均匀、平整的高k介质层，目前尚没有一种可控的、重复性好、能满足工艺应用需求的工艺或方法。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供，用于解决现有技术中难以在石墨烯表面成核生长出均匀、平整的高k介质层的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供，至少包括以下步骤I)提供石墨烯，将所述石墨烯置于氧化物分子束外延室，并使所述氧化物分子束外延室保持预设的气压及预设的温度；2)向所述氧化物分子束外延室通入金属蒸气束流与氧化剂气流，使其于所述石墨烯表面反应并沉积形成金属氧化物薄膜。在本专利技术的于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法步骤I)中，所述预设的气压为10_8 10_9帕斯卡，所述预设的温度为25°C 400°C。在本专利技术的于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法中，所述金属蒸汽束流为包括Al的III A族金属、包括La、Gd、Pr的III B族金属、包括Hf、Zr、Ti IV B族过渡金属的一种或一种以上，金属束流分压为10_卜10_4帕斯卡，所述氧化剂气流为02、03、N02的一种或一种以上，氧化剂分压为10_5 10_4帕斯卡。在本专利技术的于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法中，所述金属氧化物薄膜为包括Al2O3的III A族金属氧化物、包括La203、Gd203、Pr2O3的III B族稀土氧化物、包括Ti02、Zr02、Hf02的IV B族过渡金属氧化物中的其中一种、或者它们的二元及二元以上的氧化物中的任一种。在本专利技术的于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法步骤2)中，通入金属蒸气束流与氧化剂气流后，所述氧化物分子束外延室内的气压保持在10_5 10_6帕斯卡。 本专利技术还提供，至少包括以下步骤I)提供石墨烯，将所述石墨烯置于氧化物分子束外延室，并使所述氧化物分子束外延室保持预设的气压及预设的温度；2)向所述氧化物分子束外延室通入金属蒸气束流与氧化剂气流，使其于所述石墨烯表面反应并沉积形成第一金属氧化物薄膜；3)以所述第一金属氧化物薄膜为成核层，采用原子层沉积法于所述第一金属氧化物薄膜表面沉积第二金属氧化物薄膜。在本专利技术的于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法步骤I)中，所述预设的气压为10_8 10_9帕斯卡，所述预设的温度为25°C 400°C。在本专利技术的于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法中，所述金属蒸汽束流为包括Al的III A族金属、包括La、Gd、Pr的III B族金属或包括Hf、Zr、Ti IV B族过渡金属的一种或一种以上，金属束流分压为10_卜10_4帕斯卡，所述氧化剂气流为02、03、N02的一种或一种以上，氧化剂分压为10_5 10_4帕斯卡。在本专利技术的于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法中，所述第一金属氧化物薄膜及第二金属氧化物薄膜均为包括Al2O3的III A族金属氧化物、包括La203、Gd203、Pr2O3的IIIB族稀土氧化物或包括Ti02、ZrO2, HfO2的IV B族过渡金属氧化物中的其中一种、或者它们的二元及二元以上的氧化物中的任一种，且所述第一金属氧化物薄膜与所述第二金属氧化物薄膜的组分相同或不相同。在本专利技术的于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法步骤2)中，通入金属蒸气束流与氧化剂气流后，所述氧化物分子束外延室内的气压保持在10_5 10_6帕斯卡。如上所述，本专利技术提供，先将石墨烯置于氧化物分子束外延室，并使所述氧化物分子束外延室保持预设的气压及预设的温度；然后向所述氧化物分子束外延室通入金属蒸气束流与氧化剂气流，使其于所述石墨烯表面反应并沉积形成金属氧化物薄膜。本专利技术通过控制气压及温度，选择合适的金属及氧化剂，可在石墨烯上制备出高k栅介质单层膜或多层膜；薄膜的厚度、组分等可以从原子尺寸精确控制；可以制备出沉积均匀、高质量高k栅介质薄膜；可以作为成核层再通过如原子层沉积法等继续生长获得所需厚度的高质量高k栅介质层。附图说明图I显示为本专利技术的于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法实施例I的流程示意图。图2显示为本专利技术的于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法实施例2的流程示意图。 元件标号说明S11 S13 步骤具体实施例方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图f图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。实施例I分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)技术其基本原理是在超高真空的环境中，利用热蒸发等各种手段形成的中性分子束流沉积到单晶衬底上，形成的薄膜将会延续衬底的晶格结构并同时具有可准确调控的化学成分，形成所谓的外延生长。分子束外延技术最早应用于高纯度半导体薄膜的生长，而在此基础上通过在生长的过程中引入合适分压的氧化剂，例如o2、o3、no2等，就可以实现氧化物薄膜的外延生长，这就是氧化物分子束外延技术(OxideMolecular Beam Epitaxy, 0ΜΒΕ)。本实施例采用的分子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法，其特征在于：至少包括以下步骤：1）提供石墨烯，将所述石墨烯置于氧化物分子束外延室，并使所述氧化物分子束外延室保持预设的气压及预设的温度；2）向所述氧化物分子束外延室通入金属蒸气束流与氧化剂气流，使其于所述石墨烯表面反应并沉积形成金属氧化物薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩敏，张有为，沈大伟，杨喜超，谢晓明，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：