CN103903973B - 利用旋涂液态金属种子层在石墨烯上生长高k介质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于碳基集成电路制造技术领域，具体涉及一种利用旋涂液态金属种子层在石墨烯上生长高K介质的方法。本发明采用高温旋涂液态金属的方法在石墨烯表面先淀积一层薄的金属铝种子层并使之暴露于氧气氛围中被氧化,之后再通过原子层沉积的方法生长高K介质。通过高温真空旋涂液态金属铝的方法在石墨烯上形成铝种子层是一种新颖的方法，这种方法对石墨烯造成损伤最小，不破坏石墨烯的晶格结构。本发明方法可以直接应用在纳米尺度的平面器件制备当中，也可以作为石墨烯基电子器件的基本加工工艺。
Description
技术领域
本发明属于碳基集成电路制造技术领域，具体涉及一种石墨烯上生长高K介质薄膜的方法。
背景技术
在半导体制造领域，摩尔定律的不断延展与纵深使得硅基集成电路器件尺寸距离其物理极限越来越近。2004年，人们发现了一种新型半导体材料——石墨烯（Graphene）。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。石墨烯具有远比硅高的载流子迁移率，对于零禁带宽度的石墨烯施加电场，进行掺杂或者制备成石墨烯纳米带等处理，可以打开石墨烯的禁带，使得它成为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。
在石墨烯表面淀积超薄的高K介质是制造石墨烯基场效应晶体管的关键。但是由于石墨烯表面没有悬挂键，化学性质不活泼，使得通过原子沉积方法淀积高K介质非常困难。使用原子层沉积的方法生长高K介质之前，必须对石墨烯表面进行活化处理，比如使用二氧化氮或者臭氧等方法对石墨烯表面进行预处理，可采用这种方法会对石墨烯造成损伤，使石墨烯的迁移率大大下降。可以在石墨烯先淀积种子层，然后在种子层通过原子层沉积的方法淀积高K介质，一般采用电子束蒸发的方法在石墨烯上形成金属种子层，然而电子束蒸发的方法也会对石墨烯的晶格造成较大的损伤。本发明采用旋涂的方法在石墨烯上形成金属种子层，对石墨烯造成的影响很小，不造成石墨烯晶格的破坏，氧化后，可以通过原子层沉积的方法淀积高K介质。这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。
发明内容
本发明的目的在于提出一种对石墨烯造成损伤小，不破坏石墨烯的晶格结构的，在石墨烯上生长均匀高K介质的方法，这种高K介质的生长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。
本发明提出的在石墨烯上生长高K介质的方法，具体步骤包括：
提供需要生长高K介质的石墨烯样品；
采用高温真空旋涂液态金属技术，在石墨烯样品上制备金属铝薄膜，作为铝种子层；
将石墨烯样品置于氧气环境中，使铝种子层充分被氧化；
利用原子层沉积方法在石墨烯样品上生长高K介质薄膜。
进一步地，所述的提供需要生长高K介质的石墨烯薄膜样品应该生长或者转移在具有一定厚度的绝缘衬底上。通过高温真空旋涂液态金属技术在样品表面生长一层超薄的高纯铝膜，控制铝种子层的厚度在2—3 nm。之后将样品暴露在氧气氛围中，在样品表面的铝种子层充分被氧化之后，通过原子层沉积的方法在涂有缓冲层的样品上生长高K介质。
本发明采用高温真空旋涂液态金属技术在石墨烯上形成金属种子层，对石墨烯造成的损伤最小，再通过原子层沉积，可以实现石墨烯上高K介质的生长。由于采用电子束蒸发的方法在石墨烯上形成金属种子层会对石墨烯造成较大的损伤，严重损失石墨烯的优良的电学性能。而采用高温真空旋涂液态金属的方法在石墨烯上能形成质量很好的连续均匀薄膜，并且这种方法不会破坏石墨烯原有的晶格结构。这种方法可以直接应用在纳米尺度的平面器件制备当中，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为本发明提供的种子层的形成过程示意图。
图4为本发明提供的高K介质形成过程示意图。
图5为本发明操作流程图。
具体实施方式
本发明所提出的使用高温真空旋涂液态金属的方法在石墨烯上形成金属种子层，接着通过原子层沉积可以在石墨烯上形成高K介质。通过高温真空旋涂的方法简单方便可靠，可以在石墨烯上能形成质量很好的连续均匀金属铝薄膜。最主要的是这种方法对石墨烯造成损伤很小，不损伤石墨烯的优良的电学性能。通过铝种子层，原子层沉积可以形成质量很好的高K介质。以下所述的是采用本发明所提出的利用旋涂液态金属种子层实现原子层沉积高K介质的实施例。
在图中，为了方便说明，结构大小和比例并不代表实际尺寸。
首先，在Si衬底101上生长一层SiO2薄膜102，再将CVD生长的石墨烯薄膜转移到SiO2表面，形成石墨烯薄膜103，如图2所示。
接下来，采用高温真空旋涂液态金属技术制备高纯铝薄膜。在高温真空条件下，在石墨烯上旋涂上液态金属铝，形成薄层的金属铝种子层104，厚度控制在2—3 nm，如图3所示。
接下来，将样品置于氧气的氛围中，使得样品表面的铝薄膜层充分被氧化。
接下来，通过原子层沉积的手段在样品表面沉积高K介质。具体步骤为，设置反应温度为100℃并加热反应腔，将样品放入ALD反应腔，当温度达到设定温度时，选择三甲基铝和水作为反应源，设定反应周期数，开始进行原子层沉积。当反应结束后，关闭源，清洗管路，取出样品，形成高K介质105，如图4所示。
如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。
Claims (2)
1.一种利用旋涂液态金属种子层在石墨烯上生长高K介质的方法，其特征在于具体步骤为：
提供需要生长高K介质的石墨烯样品；
采用高温真空旋涂液态金属技术，在石墨烯样品上制备金属铝薄膜，作为铝种子层；
将石墨烯样品置于氧气环境中，使铝种子层充分被氧化；
利用原子层沉积方法在石墨烯样品上生长高K介质薄膜；
所述铝种子层的厚度在2-3nm。
2.根据权利要求1所述的生长高K介质的方法，其特征在于提供的石墨烯样品是生长或者转移在具有一定厚度的绝缘衬底上。
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