一種石墨烯表面高k柵介質的集成方法技術

本發明專利技術屬于半導體器件技術領域，具體為一種石墨烯金屬氧化物柵介質的集成方法。本發明專利技術首先利用金屬醇鹽水解機理，采用浸漬或旋覆工藝在石墨烯表面生成一層超薄金屬氫氧化物薄膜；以該超薄金屬氫氧化物薄膜作為成核層，采用常規原子層沉積工藝在所述石墨烯表面制備出均勻、高質量高k柵介質薄膜。本發明專利技術通過金屬醇鹽水解引入的金屬氫氧化物薄膜，金屬醇鹽水解過程不會破壞石墨烯晶體結構，同時金屬氫氧化物薄膜在后續原子層沉積工藝中能夠逐漸脫水形成介電常數更高的金屬氧化物薄膜，不會降低總體柵介質層的性能，這些都有利于提高由所述石墨烯制備的產品（例如石墨烯基場效應晶體管）的器件性能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于半導體器件
，具體涉及一種石墨烯金屬氧化物柵介質的集成方法。
技術介紹
根據摩爾定律，芯片的集成度每18個月至2年提高一倍，S卩加工線寬縮小一半。利用尺寸不斷減小的硅基半導體材料(硅材料的加工極限一般認為是10納米線寬)來延長摩爾定律的發展道路已逐漸接近終點。隨著微電子領域器件尺寸的不斷減小，硅材料逐漸接近其加工的極限。為延長摩爾定律的壽命，國際半導體工業界紛紛提出超越硅技術(BeyondSilicon),其中最有希望的石墨烯應運而生。石墨烯(Graphene)作為一種新型的二維六方 蜂巢結構碳原子晶體，自從2004年被發現以來，在全世界引起了廣泛的關注。實驗證明石墨烯不僅具有非常出色的力學性能和熱穩定性，還具有獨特的電學性質。石墨烯是零帶隙材料，其電子的有效質量為零，并以106m/s的速度運動，行為與光子相似，由此，石墨的理論電子遷移率高達200000 cm2/V · s，實驗測得遷移率也超過15000 cm2/V · s，是商業硅片中電子遷移率的10倍以上，并具有常溫整數量子霍爾效應等新奇的物理性質。正是其優異的電學性能使發展石墨烯基的晶體管和集成電路成為可能，并有可能完全取代硅成為新一代的主流半導體材料。作為新型的半導體材料,石墨烯已經被應用于MOS(Metal-Oxide-Semiconductor,金屬-氧化物-半導體)場效應晶體管中。為制造高性能的石墨烯基場效應晶體管(G-FET)，必須要在石墨烯表面制備高質量的高k柵介質。采用物理氣相沉積(Physical VaporDeposition, PVD)工藝可以直接在石墨烯表面沉積柵介質層,但制得柵介質膜的均勻性和覆蓋率較差，并且沉積過程中具有一定動能的離子不可避免地會破壞石墨烯的結構，產生大量缺陷使石墨烯的電學性能大幅衰退。原子層淀積(Atomic Layer Deposition,ALD)工藝依靠交替重復的自限制反應生長薄膜，能精確地控制薄膜的厚度和化學組分，因而淀積的薄膜雜質少、質量高并且具有很好的均勻性和保形性，被認為是最有可能制備高質量高k介質層的方法。但由于石墨烯表面呈疏水性并且缺乏薄膜生長所需的懸掛鍵，因而采用常規原子層沉積工藝很難在未經功能化處理的石墨烯表面成核生長均勻的超薄高k介質層。針對石墨烯表面呈疏水性并且缺乏薄膜生長所需的懸掛鍵，難以用原子層沉積工藝直接在其表面沉積高k柵介質層的情況，在石墨烯表面引入有利于氣相前驅體化學吸附的成核層是解決這一難題的一個可行的思路。前人提出了兩類成核層薄膜，一類是在石墨烯表面旋轉涂布一層高分子聚合物薄膜，但聚合物薄膜不僅存在耐熱性差的問題，而且其介電常數很低會引起總體柵介質薄膜的介電特性變差；另一類是采用電子束蒸發工藝在石墨烯表面沉積一層超薄金屬薄膜，然后讓其氧化為金屬氧化物薄膜，并以此作為成核層，但這種方法同樣存在著金屬在石墨烯表面潤濕性差無法均勻成膜，金屬難以完全氧化，金屬與石墨烯之間存在相互作用甚至可能形成化學鍵從而影響石墨烯的電學性能等問題。
技術實現思路
鑒于以上所述現有技術的缺點，本專利技術的目的在于提出一種能夠在石墨烯表面成核生長出均勻、高質量的高k介質層的石墨烯金屬氧化物柵介質的集成方法。本專利技術提出的石墨烯金屬氧化物柵介質的集成方法，其基本思想是利用金屬醇鹽在石墨烯表面水解生成的屬金氫氧化物作為采用原子層沉積工藝在石墨烯表面制備高k柵介質薄膜的成核層。金屬醇鹽是醇中的羥基氫被金屬取代后形成的一類化合物，可溶于普通有機溶齊U，易水解，是溶膠-凝膠(Sol-gel)、醇鹽熱解、化學氣相淀積(CVD)等方法所常用的前驅體。將金屬醇鹽溶解于特定的有機溶劑制成均勻的金屬醇鹽溶液后，采用浸潰或旋覆工藝在所述石墨烯表面涂覆一層金屬醇鹽溶液。由于有機溶劑在石墨烯表面是潤濕性的，因此金屬醇鹽溶液能夠均勻覆蓋在石墨烯表面，從而使金屬醇鹽分子均勻分布在石墨烯表面。當石墨烯表面覆蓋的金屬醇鹽溶液暴露在空氣中時，隨著有機溶劑的揮發，均勻分布在石墨烯表面的金屬醇鹽分子與空氣中水分子發生水解反應，逐漸生成一層金屬氫氧化物薄膜。通過控制浸潰提拉工藝的提拉速度或旋覆工藝的轉速以及實施多次浸潰或旋覆工藝就·可以得到一層所需厚度的均勻金屬氫氧化物薄膜。以這層金屬氫氧化物薄膜作為成核層，采用常規原子層沉積工藝就可以在石墨烯表面制備出均勻、高質量的高k柵介質薄膜。同時，由于金屬氫氧化物薄膜在后續原子層沉積工藝中會逐漸脫水形成介電常數更高的金屬氧化物薄膜，不會降低總體柵介質層的介電特性，再加上金屬醇鹽水解過程不會破壞石墨稀晶體結構，這些都有助于提聞由所述石墨稀制備的廣品(例如石墨稀基場效應晶體管)的器件性能。所以，本專利技術有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。本專利技術提供，至少包括以下步驟 (1)配制金屬醇鹽溶液，將金屬醇鹽溶解于有機溶劑中，制成摩爾濃度為O.ooorimol/L的金屬醇鹽溶液； (2)金屬醇鹽水解處理，提供石墨烯，采用涂覆工藝在所述石墨烯表面涂覆一層均勻的金屬醇鹽溶液，隨著溶劑揮發，金屬醇鹽在空氣中水解生成一層薄金屬氫氧化物薄膜； (3)制作高k柵介質層，將經過金屬醇鹽水解處理的石墨烯轉移到原子層沉積工藝反應腔室中，將反應腔室升溫至反應溫度，采用原子層沉積工藝，利用金屬氫氧化物薄膜作為成核層，在所述石墨烯表面制備金屬氧化物薄膜，作為高k柵介質層。本專利技術中，步驟(I)所述金屬醇鹽為包括A1的III A族金屬醇鹽，La、Gd或Pr的IIIB族金屬醇鹽，Hf、Zr或Ti的IV B族過渡金屬醇鹽的其中一種，或者它們的二元及二元以上的混合物中的任一種；所述有機溶劑為具有揮發性的醇類、芳香烴類、脂肪烴類、脂環烴類、鹵化烴類、酮類等溶劑的其中一種，或者它們的二元及二元以上的混合物中的任一種。步驟(I)中的金屬醇鹽溶液摩爾濃度優選為0. OTlmol/Lo 本專利技術中，步驟(2)所述的涂覆工藝為浸潰法、旋覆法中的一種。所述金屬氫氧化物薄膜為包括Al (OH)3的III A族金屬氫氧化物、包括La(0H)3、Gd(OH) 3、Pr (OH) 3 的III B 族稀土氫氧化物、包括 Ti (OH)4, Zr (OH)4、Hf (OH)4 的IV B 族過渡金屬氫氧化物中的其中一種、或者它們的二元及二元以上的氫氧化物中的任一種、或以上任意金屬氫氧化物組成的疊層。所述金屬氫氧化物薄膜的厚度為f30nm。本專利技術中，步驟(3)所述反應腔室的反應溫度為150°C 350°C，沉積所述金屬氧化物薄膜。采用原子層沉積工藝在所述石墨烯表面制備得到的金屬氧化物薄膜，包括Al2O3的III A族金屬氧化物、包括La2O3、Gd2O3、Pr2O3的IIIB族稀土氧化物或包括TiO2、ZrO2、HfO2的IV B族過渡金屬氧化物中的其中一種、或者它們的二元及二元以上的氧化物中的任一種，或以上任意金屬氫氧化物組成的疊層。附圖說明圖I顯示為本專利技術的石墨烯表面高k柵介質的集成方法的流程示意圖。圖2至圖4顯示為本專利技術的石墨烯表面高k柵介質的集成方法步驟(2)所呈現的 結構示意圖。圖5顯示為本專利技術的石墨烯表面高k柵介質的集成方法步驟(3)所呈現的結構示意圖。圖中標號101襯底，102石墨烯層，103金屬醇鹽溶本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種石墨烯表面高k柵介質的集成方法，其特征在于至少包括以下步驟：（1）配制金屬醇鹽溶液????將金屬醇鹽溶解于有機溶劑中，制成摩爾濃度為0.0001~1mol/L的金屬醇鹽溶液；??（2）金屬醇鹽水解處理石墨烯?提供石墨烯，采用涂覆工藝在所述石墨烯表面涂覆一層均勻的金屬醇鹽溶液，隨著溶劑揮發，金屬醇鹽在空氣中水解生成一層薄金屬氫氧化物薄膜；?（3）制作高k柵介質層將經過金屬醇鹽水解處理的石墨烯轉移到原子層沉積工藝反應腔室中，將反應腔室升溫至反應溫度，采用原子層沉積工藝，利用金屬氫氧化物薄膜作為成核層，在所述石墨烯表面制備金屬氧化物薄膜，作為高k柵介質層。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張有為，仇志軍，陸冰睿，陳國平，劉冉，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：