在石墨烯材料上淀积高k栅介质的方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种在石墨烯材料上淀积高k栅介质的方法及应用，属于集成电路技术领域，该方法首先选取表面平整、无缺陷或少缺陷的石墨烯材料作为淀积高k介质的基底样品；将基底样品放入扫描电子显微镜的真空腔室，抽真空至5E-4至1E-7范围，用低能量的聚焦电子束扫描基底样品表面30s至5min，低能电子束加速电压为1～15kV；扫描过程中在基底样品表面淀积上一薄层无定形碳薄膜，厚度在0.3nm至3nm范围内；将电子束处理过的基底样品放入ALD装置中，进行高k介质材料的淀积。本发明专利技术可在无悬挂键的材料表面照样利用ALD进行介质淀积，并获得连续、均匀、致密的高质量材料，大大扩展ALD的适用范围。

【技术实现步骤摘要】
在石墨烯材料上淀积高k栅介质的方法及应用
本专利技术属于集成电路
，具体涉及在石墨烯材料表面或基于石墨烯材料的器件结构上淀积高k栅介质的方法。
技术介绍
在基于碳纳米管、石墨烯和类石墨烯材料的场效应晶体管(FET)和射频场效应晶体管(RF-FET)的制备工艺中，栅介质的制备是一个关键工艺，高性能的FET和RF-FET需要有高质量、超薄的栅介质为前提。原子层沉积（ALD）是淀积高k栅介质最常用的方法，它具有淀积质量高、淀积厚度精确可控等优势。ALD是利用自限制表面化学反应，将绝缘介质材料以原子尺度厚度逐层淀积至目标基底表面的。淀积过程中，ALD反应的前躯体以气相脉冲形式交替进入反应腔，ALD之所以能够精确控制淀积介质的厚度，是因为它具有反应自限制性，即每一次的前躯体脉冲进入反应腔，吸附到材料表面发生化学反应时，只能与表面的那层物质发生反应，反应结束就会自动停止，并释放出吸附的多余前躯体。以Al2O3的ALD为例，前躯体一般是TMA（三甲基铝）和H2O，反应化学方程式可以写为2Al(CH3)3+3H2O→Al2O3+3CH4△H=-376kcal。虽然通过ALD的方法可以实现淀积厚度的原子级精确控制，得到均匀致密的薄膜，然而它却存在一个严重问题，该技术并不适用于所有的衬底材料，因为ALD过程中，如果ALD的前驱体不能有效地与原始基底反应，那么ALD过程就不能继续下去或者只在特定的缺陷处成核生长。如果没有均匀的成核点，ALD淀积的结果就会是一个个岛状物，而不是均匀连续的薄膜。若惰性材料表面缺乏悬挂键，就有可能会导致上述问题出现，例如：最常用的沟道材料Si(100)面(氢化)衬底就很难通过ALD的方法淀积上均匀而超薄的高k氧化物栅介质；高质量的石墨烯和碳纳米管表面也会因为缺乏悬挂键而难以通过ALD淀积上均匀的薄膜。研究表明，用ALD的方法只能在石墨烯的缺陷、台阶以及边缘处(含悬挂键)淀积上介质，其它区域几乎没有介质淀积上去或随机淀积成不连续的岛状物，从而使石墨烯上的高k介质分布极不均匀。针对此问题，最近几年研究人员提出来若干种预处理的方法，使得石墨烯表面可通过ALD技术获得均匀的高k介质。这些方法主要有：(1)利用有机聚合物作缓冲层（Farmer,D.B.,etal.,NANOLETTERS,2009.9(12)）；(2)淀积1～2nmAl种子层(Kim,S.,etal.,APPLIEDPHYSICSLETTERS,2009.94(0621076));(3)O3或者NO2气体处理(Jandhyala,S.,etal.,ACSNano,2012.6(3):p.2722-2730),但这些预处理方法都存在一定的问题：（1）它们都不能精确控制对石墨烯表面预处理的具体位置，只能对整个硅片或整片石墨烯薄膜进行整体处理，这必然会对后续工艺过程造成一定的影响。（2）O3或NO2处理的方法还使石墨烯造成新的、额外的缺陷，使得性能(例如：载流子迁移率)显著降低。（3）缓冲层或Al种子层会使得栅介质的整体厚度增加，难以达到高质量超薄栅介质的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种在石墨烯材料上淀积高k栅介质的方法及应用，利用该方法可在无悬挂键的材料表面照样利用ALD进行介质淀积，并获得连续、均匀、致密的高质量材料，大大扩展ALD的适用范围。本专利技术的技术方案如下：一种在石墨烯材料上淀积高k栅介质的方法，包括以下步骤：(1)选取表面平整、无缺陷或少缺陷的石墨烯材料作为淀积高k介质的基底样品；(2)将基底样品放入扫描电子显微镜的真空腔室，抽真空至5E-4至1E-7范围，用低能量的聚焦电子束扫描基底样品表面30s至5min，低能电子束加速电压为1～15kV，束流大小在0.05nA至0.6nA范围之内；(3)扫描过程中在基底样品表面淀积上一薄层无定形碳薄膜，厚度在0.3nm至3nm范围内；(4)将电子束处理过的基底样品放入ALD装置中，进行高k介质材料的淀积，淀积温度在90℃至300℃之间，循环反应圈数一般在15到255范围内，每次脉冲之后停留时间在10s到100s之间。本专利技术还进一步提供了一种石墨烯晶体管的制备方法，包括用电子束曝光的方法完成石墨烯图形化与源、漏电极的定义，蒸金属并剥离，完成源、漏金属电极的制备，源、漏电极之间的石墨烯即为晶体管的沟道区域，其特征在于，在沟道区域上淀积高k栅介质包括以下步骤：(1)放入扫描电子显微镜的真空腔室，抽真空至5E-4至1E-7范围，用低能量的聚焦电子束扫描沟道区域表面30s至5min，低能电子束加速电压为1～15kV；(2)扫描过程中在沟道区域表面淀积上一层无定形碳薄膜，厚度在0.3nm至3nm范围内；(3)电子束处理后放入ALD装置中，在沟道区域上进行高k介质材料的淀积。本专利技术的技术效果如下：（1）本专利技术通过低能电子束扫描衬底表面的方法，在衬底材料上沉积一层厚度为1～2nm的无定形碳薄膜，同时部分电子被吸附在绝缘衬底上。经过这一步处理，衬底材料表面就能为ALD前驱体分子提供均匀的成核点，从而淀积上均匀而致密的介质薄膜。并且，此方法可以确保不破坏材料晶格结构，不会造成材料电学性能的显著退化。（2）本专利技术所提出的方法只需要对待淀积高k介质的位置进行原位处理，特别适用于在器件中进行原位、局部淀积高k介质，例如：器件的沟道区，本技术不会影响其它区域。本方法的位置控制精度可以达到纳米尺度。（3）本专利技术作为一种界面预处理方法，可以解决短沟道器件中ALD对衬底和淀积材料的选择性，使得ALD的适用范围大大增加，从而在短沟道器件中制备所需要的高质量高k介质。附图说明图1为扫描电子显微镜（SEM）观察基底样品表面的形貌，左边是未被电子束处理过的石墨烯上ALDHfO2，极其不均匀，而右边被电子束扫描过后的样品表面，能淀积上一层均匀致密的高k介质；图2为利用本专利技术制备石墨烯晶体管栅介质层的扫描电子显微镜（SEM）图；图3为器件的输出电流曲线和漏电流曲线的比较；图4为器件的CV特性曲线。具体实施方式下面通过实例对本专利技术做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本专利技术，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本专利技术及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本专利技术不应局限于实施例所公开的内容，本专利技术要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。实施例一：剥离单层石墨烯表面ALD淀积高k介质制备石墨烯材料利用透明胶带和高取向石墨鳞片，用机械剥离法制备石墨烯，衬底为低阻硅上300nm热生长SiO2。石墨烯材料的表征。将制备好的石墨烯在光学显微镜下观察其形貌和颜色，初步判定其表面平整度和石墨层数。用拉曼散射光谱做进一步表征，根据G峰和2D峰的高度比值来判定石墨烯的层数，并根据D峰高度判断石墨烯表面缺陷的情况。选取单层且没有缺陷的石墨烯作为样品，也就是拉曼光谱的G峰和2D峰之比约为0.5，同时没有明显的D峰。对样品进行电子束扫描预处理。将样品放入扫描电子束显微镜（SEM）的真空腔室，抽真空至5E-4至1E-7范围，在显微镜下找到要处理的样品表面的具体位置，选取电子扫描框放到需要处理的位置。然后用1kV的低能聚焦电子束对样品表面进行扫描，低能电子束的束流大小在0.05nA至0.6n本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在石墨烯材料上淀积高k栅介质的方法，包括以下步骤：(1)选取表面平整的石墨烯材料作为淀积高k介质的基底样品；(2)将基底样品放入扫描电子显微镜的真空腔室，抽真空至5E‑4至1E‑7范围，用低能量的聚焦电子束扫描基底样品表面30s至5min，低能电子束加速电压为1～15kV；(3)扫描过程中在基底样品表面淀积上一层无定形碳薄膜，厚度在0.3nm至3nm范围内；(4)将电子束处理过的基底样品放入ALD装置中，进行高k介质材料的淀积。

【技术特征摘要】
1.一种在石墨烯材料上淀积高k栅介质的方法，包括以下步骤：(1)选取表面平整的石墨烯材料作为淀积高k介质的基底样品；(2)将基底样品放入扫描电子显微镜的真空腔室，抽真空至5E-4至1E-7范围，用低能量的聚焦电子束扫描基底样品表面30s至5min，低能电子束加速电压为1～15kV；扫描过程中在基底样品表面形成一层无定形碳薄膜，厚度在0.3nm至3nm范围内；(3)将电子束处理过的基底样品放入ALD装置中，进行高k介质材料的淀积。2.如权利要求1所述的在石墨烯材料上淀积高k栅介质的方法，其特征在于，步骤(2)中低能电子束的束流大小在0.05nA至0.6nA之间。3.如权利要求1所述的在石墨烯材料上淀积高k栅介质的方法，其特征在于，步骤(4)中淀积温度在90℃至300℃之间，淀积的循环反应圈数在15到255范围内，每次脉冲之后停留时间在...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶青，傅云义，郭剑，贾越辉，魏子钧，张亮，任黎明，黄如，张兴，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11