采用水基原子层沉积技术在石墨烯表面制备高k栅介质的方法技术

本发明专利技术属于半导体器件制造技术领域，具体为一种采用正丙醇改善的水基原子层沉积技术在石墨烯表面制备高k栅介质的方法。本发明专利技术方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上有未经功能化处理石墨烯层；利用在反应温度条件下在所述石墨烯层表面物理吸附的水/正丙醇混合溶液作为氧化剂而与金属源反应生成高k栅介质薄膜；所述高k栅介质薄膜为ⅢA族金属氧化物ⅢB族稀土氧化物、ⅣB族过渡金属氧化物中的其中一种以及它们的二元及二元以上的氧化物中的任一种。相较于现有技术，本发明专利技术可以显著改善沉积在石墨烯表面的高k栅介质薄膜的均匀性和覆盖率，且在薄膜沉积工艺中不会破坏石墨烯晶体结构，有助于制备高性能的石墨烯器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体器件制造
，具体涉及一种在石墨烯表面制备栅介质的方法。
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(Beyond Silicon),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。石墨烯(Graphene)是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，在二维平面上每个碳原子以sp2杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个σ键，剩余的一个P电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围原子形成η键，碳原子间相互围成正六边形的平面蜂窝形结构。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200 000 cm2/V*s，实验测得迁移率也超过15 000 cm2/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。采用物理气相沉积(Physical VaporDeposition, PVD)工艺可以直接在石墨烯表面沉积栅介质层,但制得栅介质膜的均勻性和覆盖率较差，并且沉积过程中的动能离子不可避免地会破坏石墨烯的结构，产生大量缺陷使石墨烯的电学性能大幅衰退。原子层淀积(Atomic Layer Deposition,ALD)工艺依靠交替重复的自限制反应生长薄膜，能精确地控制薄膜的厚度和化学组分，因而淀积的薄膜杂质少、质量高并且具有很好的均匀性和保形性，被认为是最有可能制备高质量高k介质层的方法。但由于石墨烯表面呈疏水性并且缺乏薄膜生长所需的悬挂键，因而采用常规水基(H20-based)ALD生长工艺很难在未经功能化处理的石墨烯表面成核生长均匀的超薄高k介质层。而如果采用臭氧基(03-based)ALD工艺虽然可以在石墨烯上制备出高k介质层,但实验证明O3会破坏石墨烯的C-C键，引入大量C-O键，从而破坏石墨烯晶体结构，会降低石墨烯基场效应晶体管的性能。这样，如何在不破坏石墨烯结构，不影响其电学性能的前提下，在石墨烯表面制备高质量的氧化物栅介质是一个巨大的挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种在石墨烯表面制备高k栅介质的方法，以解决石墨烯表面呈疏水性并且缺乏薄膜生长所需的悬挂键，难以用ALD工艺在其表面直接沉积高k栅介质层等问题。本专利技术提出的在石墨烯表面制备高k栅介质的方法，采用正丙醇改善的水基原子层沉积技术，通过改善化学源与石墨烯之间浸润性来提高沉积在石墨烯表面的高k栅介质薄膜的均匀性和覆盖率。与常规依靠功能化处理在石墨烯晶格中引入亲水性基团从而改善石墨烯疏水性的方法不同，本专利技术通过降低水的表面张力来改善化学源与石墨烯之间浸润性，进而提高沉积在石墨烯表面的高k栅介质薄膜的均匀性和覆盖率。正丙醇是一种有三个碳原子的醇类有机化合物，它本身无法作为氧化剂或者还原剂参与到原子层沉积工艺的化学反应中去，从而影响金属氧化物薄膜的沉积。但由于正丙醇分子结构中既有憎水的非极性烃链又有亲水的羟基，表现出双亲特性，因此，在水中加入正丙醇能有效降低水的表面张力，从而提高水在石墨烯表面的浸润性。将正丙醇与水互溶·配成一定体积浓度的混合液后，由于正丙醇的沸点(标准大气压下97. 19°C )与水接近，因此调节混合液中正丙醇的体积浓度就能改变混合蒸气中水与正丙醇的比例并最终决定吸附在石墨烯表面的混合液中正丙醇的体积浓度。实验证明采用一定体积浓度的正丙醇水溶液作为原子层沉积工艺的水化学源后，在薄膜的沉积过程中，当水与正丙醇的混合蒸气进入腔体并吸附在石墨烯样品表面时，由于正丙醇的存在改善了水在石墨烯表面的浸润性，因此沉积在石墨烯表面的高k栅介质薄膜的均匀性和覆盖率得到明显改善。本专利技术提供的采用正丙醇改善的水基原子层沉积技术在石墨烯表面制备高k栅介质的方法，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有未经功能化处理的石墨烯层；利用在反应温度条件下在所述石墨烯层表面物理吸附的水和正丙醇混合溶液作为氧化剂而与金属源反应生成金属氧化物薄膜，作为高k栅介质层；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、ZrO2,HfO2的IV B族过渡金属氧化物中的其中一种以及它们的二元及二元以上的氧化物中的任一种。可选地，所述半导体衬底上具有石墨烯层包括将石墨烯样品转移到所述半导体衬底上，所述石墨烯样品未经功能化处理。可选地，所述生成金属氧化物薄膜包括将具有石墨烯层的所述半导体衬底转移到反应腔室中；将所述反应腔室升温至反应温度，采用原子层沉积工艺，利用在所述石墨烯表面物理吸附的水/正丙醇混合溶液作为氧化剂与金属源反应生成金属氧化物薄膜，作为高k栅介质层。可选地，所述反应温度为60°C至120°C。可选地,所述金属氧化物薄膜的厚度为5 nm至30nm。本专利技术在另一方面提供一种采用正丙醇改善的水基原子层沉积技术在石墨烯表面制备高k栅介质的方法，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有石墨烯层；利用在第一反应温度条件下在所述石墨烯层表面物理吸附的水和正丙醇混合溶液作为氧化剂而与第一金属源反应生成第一金属氧化物薄膜，作为成核层；所述第一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，或它们的二元及二元以上的氧化物中的任一种；在第二反应温度条件下，利用水与第二金属源的自限制化学吸附，在作为成核层的所述第一金属氧化物薄膜上生成第二金属氧化物薄膜，作为高k栅介质层；所述第二金属氧化物薄膜为包括Al2O3的IIIA族金属氧化物、包括La2O3、Gd2O3、Pr2O3的IIIB族稀土氧化物、包括Ti02、ZrO2, HfO2的IV B族过渡金属氧化物中的其中一种，或它们的二元及二元以上的氧化物中的任一种。 可选地，所述半导体衬底上生成有石墨烯层包括将将石墨烯样品转移到所述半导体衬底上，所述石墨烯样品未经功能化处理。可选地，所述生成第一金属氧化物薄膜包括将生成有石墨烯层的所述半导体衬底转移到反应腔室中；将所述反应腔室升温至反应温度，采用原子层沉积工艺，利用在所述石墨烯表面物理吸附的水/正丙醇混合溶液作为氧化剂与第一金属源反应生成第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用正丙醇改善的水基原子层沉积技术在石墨烯表面制备高k栅介质的方法，其特征在于，具体步骤为：提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有石墨烯层，所述石墨烯层未经功能化处理；在一定的反应温度条件下，利用石墨烯层表面物理吸附的水和正丙醇混合溶液作为氧化剂，而与金属源发生反应，生成金属氧化物薄膜，作为高k栅介质层；所述金属氧化物薄膜材料为ⅢA族金属氧化物、ⅢB族稀土氧化物、ⅣB族过渡金属氧化物中的其中一种，或它们的二元及二元以上的氧化物中的任一种。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张有为，仇志军，陈国平，陆冰睿，刘冉，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：