石墨烯表面原子层沉积高k栅介质的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于碳基集成电路领域，具体涉及一种利用射线激发电子，在石墨烯表面 原子层沉积高k栅介质的方法。
【背景技术】
[0002] 随着集成电路领域的发展，微电子领域器件尺寸日益减小，原先采用的硅基集成 电路发展到达一个瓶颈，减小加工线宽的同时不降级产品的性能几乎不可能实现。更加优 异的新型材料急待研发应用。
[0003] 为在获取更好的集成电路器件的同时减小器件尺寸，石墨烯作为一种新型材料被 寄予厚望，其超高载流子迀移率、出色的力学性能、热稳定性和良好的半导体特性使得石墨 烯成为新一代碳基集成电路焦点。石墨烯是一种二维结构SP2杂化的单层碳原子薄膜，其S 层轨道电子呈电子云状，每个原子与其他三个碳原子之间形成三个?键，其P轨道哑铃状 垂直于二维平面，三个或以上的原子的P轨道上的电子组成离域大键，游离于各原子之 间.其优异的性能，独特的结构使得其极有可能取代硅，成为新一代主流半导体材料。
[0004] 然而，石墨烯材料上沉积高k材料还面临两几个问题：1)石墨烯表面的大JT键导 致其除边缘外，没有可以化学吸附前驱体源所必须的悬挂键，化学性质不活泼，无法直接在 石墨烯上沉积高k栅介质；2)为了在石墨烯上沉积高k栅介质，一般在沉积前对石墨烯进 行预处理。但是这些预处理的方法包括施加外加电场，淀积金属种子层，沉积无定形碳层 等。一般采用的电子束蒸发，是通过在石墨烯上沉积金属种子层来对石墨烯进行预处理，但 是这个方法会对石墨烯晶格造成较大损伤。有的方法是在平整无缺陷的石墨烯表面再生长 一层岛状石墨烯，缺点在于过程繁琐，且生长过程中，不能保证在生长时所用金属和底部石 墨烯的良好接触。而在ALD反应腔内加电场的方法，会因为ALD反应设备本身的限制而变 得困难，难以真正意义上实现。另外，采用扫描电子显微镜（SEM)生长无定形碳薄膜需要额 外的机器设备，成本较高。
【发明内容】
[0005] 鉴于以上所述技术存在的缺陷，本发明目的是：提供一种石墨烯表面原子层沉积 尚冗棚介质的方法，此方法旨在破坏石墨條表面大31键，避免缓冲层对石墨條的损伤、减小 栅介质层厚度，且对石墨烯造成影响很小，不会造成石墨烯晶格破坏，简单易行。并且高能 粒子能够穿透ALD的金属腔，对石墨烯进行处理。这种处理的时间可控，可以在固定时间内 完成，也可以伴随着整个高k栅介质的沉积过程。
[0006] 本发明的技术方案是：一种石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法，包括以下 步骤： (1)制备表面干净平整、少缺陷的石墨烯材料作为沉积高k栅介质的基底样品； (2 )将基底样品放入ALD反应腔室中，远程操控射线，使石墨烯P轨道电子吸收能量跃 迀，改变外层电子取向，破坏离域大键，形成悬挂键； (3) 通入水蒸气，完成石墨烯表面的化学吸附，直至衬底表面达到饱和； (4) 通入第一前驱体源，完成石墨烯表面的高k栅介质沉积。
[0007] 进一步的，所述石墨烯材料采用CVD法或者机械剥离法制备。
[0008] 进一步的，所述射线为伽马射线。
[0009] 进一步的，所述伽马射线提供能量在l_500eV。
[0010] 进一步的，所述第一前驱体源为IIIA族金属化合物或IIIB族化合物中的一种或 多种。
[0011] 进一步的，在步骤（4)之后通入第二前驱体源，完成高k栅介质的掺杂。所述第二 前驱体源为三（四甲基庚二丙酮）镧、四（二甲氨基）锆、四（二甲氨基）铪或者四（乙胺基）锆 等IVB族化合物的前驱体源。
[0012] 进一步的，所述高k栅介质层为Ftt2O5，AI2O3，Pr2O3 ,HfO2，ZrO2中的一种或多 种。
[0013] 本发明利用伽马射线激发电子，在石墨烯表面沉积高k栅介质的方法，增加碳原 子P轨道上电子能量，使之跃迀从而破坏离域大31键，增强石墨烯表面活性，使得原子层 沉积高k栅介质可以直接在石墨稀表面进行，简化了工艺流程，减小了对石墨稀晶格的破 坏和对石墨烯性能的影响。同时，伽马射线提供了所有P轨道上电子跃迀所需要的能量，提 高了石墨烯表面的化学活性，从而促进了高k栅介质与石墨烯层之间的结合。用这种方法 得到的薄膜的均匀性和连续性较好，作为基底的石墨烯层也没收到破坏，电学性能因此也 没受到影响，这使得得到的石墨烯器件性能良好有望在碳基大规模电路制造中获得全面应 用。
[0014] 本发明的优点是： 1)本发明所提出的利用伽马射线激发电子，破坏离域大n键，提高石墨烯表面活性， 在石墨烯表面原子层沉积高k栅介质的方法，这种方法简便易行可靠，可以直接在石墨烯 表面形成连续、均匀、结合紧密的高k栅介质层。
[0015] 2)避免了了缓冲层的引入，减小了整个石墨烯器件的厚度。
[0016] 3)这种方法对石墨條晶格破坏小，对石墨條损伤影响小，最大化利用了石墨條的 优良性能。
[0017] 4)操作方便，易于实现，重复性强。
【附图说明】
[0018] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述： 图1为石墨烯六个碳原子之间S轨道和与二维平面垂直的六个P轨道示意图； 图2为本发明石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法的操作流程图； 图3至图6为本发明提供的利用伽马射线激发电子，在石墨烯表面直接原子层沉积高k栅介质的工艺流程图。
[0019] 其中：101、Si衬底，102、SiIV薄膜、103、石墨烯薄膜，104、伽马射线、105、 Jl(CT3)2基团，l〇6、Jl203栅介质层。
【具体实施方式】
[0020] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合【具体实施方式】并参 照附图，对本发明进一步详细说明。本实施例为只生长Al2O3栅介质层，但并不对该介质层 掺杂。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明 中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0021] 图1为石墨烯六个碳原子之间S轨道和与二维平面垂直的六个P轨道示意图。
[0022] 本实例中所用射线为伽马射线但不局限于伽马射线，还可以采用其它射线，使用 本发明的方法。
[0023] 如图2、3所示，首先，在Si衬底101上生长一层SiO2薄膜102,再将石墨烯薄膜转 移到SiO2表面，形成石墨烯薄膜103。
[0024] 然后，将样品放入ALD反应腔中，可远程操控发射伽马射线104以减少射线对人体 伤害，通过伽马射线激发碳原子外层P轨道电子电离跃迀，破坏离域大键，增强石墨烯表 面活性，形成供原子层沉积所需悬挂键，如图4所示。
[0025] 接着，通过原子层沉积在石墨烯表面原子层沉积高k栅介质。本实施例是在 100-200温度下，先通入第一前驱体源三甲基铝，在石墨烯表面完成化学吸附，形成 以(0#3〕2基团1〇5,多余的三甲基铝和气体反应产物由载气带走，再通入好 20,与之前石墨 烯表面化学吸附的基团105学反应，重复这两个步骤一定次数后，可以在石墨烯 薄膜103表面生长出合适厚度的连续、均匀、紧密的^II2O3高k栅介质层106,如图5-6所 示。可以生长出的高k栅介质层为ra2Os，JI2O3,Pr2O3，:HfO2中的一种或多种。
[0026] 本实例中第一前驱体源为三甲基铝。此外，还可以为Al等IIIA族金属化合物，La、 Gd等IIIB族金属化合物。
[0027] 本实施例中沉积的高k栅介质层并没有进行掺杂。如果需要对高k栅介质层进行 掺杂，则整个制备过程除了用到水蒸气和第一前驱体源以外，还要根据掺杂一种或两种元 素加入第二前驱体源。
[0028] 第二前驱体源为Hf、Zr、Ti等IVB族化合物的一种或多种为一种或多种。
[0029] 此外根据需要还可以继续通入前驱体源，完成更复杂的掺杂。
[0030] 应当理解的是，本发明的上述【具体实施方式】仅仅用于示例性说明或解释本发明的 原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何 修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨 在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修 改例。
【主权项】
1. 一种石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)制备表面干净平整、少缺陷的石墨烯材料作为沉积高k栅介质的基底样品； (2 )将基底样品放入ALD反应腔室中，远程操控射线，使石墨烯P轨道电子吸收能量跃 迀，改变外层电子取向，破坏离域大π键，形成悬挂键； (3) 通入水蒸气，完成石墨烯表面的化学吸附，直至衬底表面达到饱和； (4) 通入第一前驱体源，完成石墨烯表面的高k栅介质沉积。
2. 根据权利要求1所述的石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法，其特征在于，所述 石墨烯材料采用CVD法、外延生长法或机械剥离法制备。
3. 根据权利要求1所述的石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法，其特征在于，所述 射线为伽马射线。
4. 根据权利要求3所述的石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法，其特征在于，所述 伽马射线提供能量在l_500eV。
5. 根据权利要求1所述的石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法，其特征在于，所述 第一前驱体源为IIIA族金属化合物或IIIB族化合物中的一种或多种。
6. 根据权利要求1所述的石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法，其特征在于，在步 骤（4)之后通入第二前驱体源，完成高k栅介质的掺杂。
7. 根据权利要求6所述的石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法，其特征在于，所述 第二前驱体源为IVB族化合物的一种或多种。
8. 根据权利要求6或7所述的石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法，其特征在于， 所述第二前驱体源为三（四甲基庚二丙酮）镧、四（二甲氨基）锆、四（二甲氨基）铪或者四（乙 胺基）锆。
9. 根据权利要求1所述的石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法，其特征在于，所述 高k栅介质层为Γα205，JI2O3，卿 2 O3，HfO2，Zr02中的一种或多种。
【专利摘要】本发明公开了一种石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法，包括以下步骤：制备表面干净平整、少缺陷的石墨烯材料作为沉积高k栅介质的基底样品；将基底样品放入ALD反应腔室中，远程操控射线，使石墨烯P轨道电子吸收能量跃迁，改变外层电子取向，破坏离域大π键，形成悬挂键；通入水蒸气，完成石墨烯表面的化学吸附，直至衬底表面达到饱和；通入第一前驱体源，完成石墨烯表面的高k栅介质沉积。本发明所提出的利用伽马射线激发电子，破坏离域大π键，提高石墨烯表面活性，在石墨烯表面原子层沉积高k栅介质的方法，这种方法简便易行可靠，可以直接在石墨烯表面形成连续、均匀、结合紧密的高k栅介质层。
【IPC分类】H01L21-285
【公开号】CN104851791
【申请号】CN201510210826
【发明人】吴京锦, 慕轶非, 赵策洲, 汤楚帆
【申请人】西交利物浦大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月29日