在石墨烯表面制备栅介质的方法技术

本发明专利技术提供一种在石墨烯表面制备栅介质的方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上生成有石墨烯层；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、或者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在石墨烯表面生成均匀性和覆盖率较高的高k栅介质，且在生成过程中不会破坏石墨烯晶体结构及引入缺陷，提高由所述石墨烯制备的产品（例如石墨烯基场效应晶体管）的器件性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及一种。
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。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电子轨邀垂直于石墨烯平面，与周围原子形成π键，碳原子问相互围成正六边形的平面蜂窝形结构，这样在同一原子面上只有两种空间位置相异的原子。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。采用物理气相沉积(PhysicalVapor Deposition, 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匀性和覆盖率较差，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供一种，用于解决现有技术中在石墨烯表面制备的高k栅介质层的均匀性和覆盖率较差或者破坏石墨烯晶体结构以及含有较多杂质等问题。本专利技术在一方面提供一种，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底上生成有石墨烯层；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IIIA族金属氧化物、包括La2O3、Gd2O3、Pr2O3的IIIB族稀土氧化物、包括Ti02、Zr02、Hf02的IVB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。可选地，所述半导体衬底上生成有石墨烯层包括将未经功能化处理的石墨烯样品转移到所述半导体衬底上。可选地，所述生成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100°C至150°C。可选地,所述金属氧化物薄膜的厚度为2nm至200nm。本专利技术在另一方面提供一种，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底上生成有石墨烯层；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A1203的IIIA族金属氧化物、包括La203、Gd203、Pr2O3的IIIB族稀土氧化物、包括TiO2、ZrO2、HfO2的IVB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；在第二反应温度条件下，利用水作为氧化剂与第二金属源反应，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A1203的IIIA族金属氧化物、包括La203、Gd2O3^Pr2O3的IIIB族稀土氧化物、包括TiO2、ZrO2、HfO2的IVB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。可选地，所述半导体衬底上生成有石墨烯层包括将未经功能化处理的石墨烯样品转移到所述半导体衬底上。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作为氧化剂与第一金属源反应生成第一金属氧化物薄膜，作为成核层。可选地，所述反应温度为100°C至150°C。可选地,所述第一金属氧化物薄膜的厚度为2nm至200nm。可选地，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包括将生成有作为成核层的第一金属氧化物薄膜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第二反应温度，采用原子层沉积工艺，利用水作为氧化剂与第二金属源反应，在所述成核层上生成第二金属氧化物薄膜，作为高k栅介质层。可选地，所述第二反应温度为200°C至350°C。可选地,所述第二金属氧化物薄膜的厚度为5nm至200nm。本专利技术技术方案主要是利用物理吸附在石墨烯表面上、控制在一个分子层到数个分子层的水作为氧化剂与金属源反应生成金属氧化物薄膜，所述金属氧化物既可以直接作为石墨烯表面的高k栅介质层，或者作为成核层，从而在后续采用原子层沉积工艺，利用水作为氧化剂与金属源反应，在成核层上生成均匀性和覆盖率较高的金属氧化物薄膜，作为高k栅介质层。相较于现有技术，本专利技术可以在石墨烯表面生成均匀性和覆盖率较高的高k栅介质，且在生成过程中不会破坏石墨烯晶体结构及引入缺陷，提高由所述石墨烯制备的产品(例如石墨烯基场效应晶体管)的器件性能。附图说明图I为本专利技术在第一实施方式中的流程示意图；·图2至图3为按照图I所示的流程制备栅介质的示意图；图4为本专利技术在第二实施方式中的流程示意图；图5至图7为按照图4所示的流程制备栅介质的示意图。具体实施例方式本专利技术的专利技术人发现现有技术中，在石墨烯表面制备的氧化物栅介质层存在均匀性和覆盖率较差或者破坏石墨烯晶体结构以及含有较多杂质等问题，影响后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在石墨烯表面制备栅介质的方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上生成有石墨烯层；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IIIA族金属氧化物、包括La2O3、Gd2O3、Pr2O3的IIIB族稀土氧化物、包括TiO2、ZrO2、HfO2的IVB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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程新红，张有为，徐大伟，王中健，夏超，俞跃辉，
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：