一种提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，该方法是利用硅烷偶联剂有机膜层来钝化和修饰碳基半导体器件衬底表面，具体包括以下步骤:将清洗后的衬底放入烘箱内120℃干燥处理20分钟;配制硅烷偶联剂溶液，利用有机溶剂溶解并稀释硅烷偶联剂，将要处理衬底浸入稀释液中;在氮气或者空气环境下，将浸润后的衬底加热至100℃～150℃，使硅烷偶联剂单体于衬底表面发生脱水缩合反应生成聚合体，从而在衬底表面形成硅烷偶联剂有机膜层。利用本发明，由于使用经过硅烷偶联剂处理过表面的衬底，所以减小了由于衬底表面极性散射和杂质吸附给石墨烯场效应器件所带来的不良影响，有效增加了器件载流子迁移率，提高了器件性能。
【专利说明】一种提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于碳材料的半导体器件制备工艺，特别涉及一种提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，属于纳电子学【技术领域】。
【背景技术】
[0002]以碳材料为基的纳米电子学，尤其是以碳纳米管(Carbon Nanotube)和石墨烯(Graphene)为基的纳米电子学,被认为具有极大的应用前景,极富潜力可替代娃基材料。自从1991年碳纳米管和2004年石墨烯被成功研制以来，碳基电子学取得了巨大发展。基于碳基的电子学具有尺寸小、速度快、功耗低、工艺简单等特点，受到人们越来越广泛的关注。
[0003]对于碳基半导体器件而言，由于导电碳材料只有一个或几个原子层厚度，所以其有一个重要的特点，即导电碳材料对与其接触的表面，包括衬底表面和介质表面，非常敏感；衬底表面状况会显著影响碳材料的表面态，在碳材料中引入新的散射机制，造成碳材料载流子迁移率的显著下降和器件性能退化。
[0004]使用硅烷偶联剂有机膜对原衬底进行处理，钝化、修饰衬底表面，减小了由于衬底表面极性散射、表面坑洼起伏、杂质吸附等原因而造成的碳基材料性能下降，尤其是载流子迁移率的下降。并且通过调整硅烷偶联剂的浓度配比、沉积时间等参数，能够有效的调整硅烷有机膜层的厚度和表面粗糙度。同时硅烷偶联剂易于脱水缩合，可以牢固的附着在多种类型的衬底表面，并有较强的耐受性。这种新型的、简单的、衬底处理方法必将对碳基电子器件的发展起到重要作用。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]本发明的目的在于提供一种提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，以减小由于衬底表面极性散射和杂质吸附给石墨烯场效应器件所带来的不良影响，增加器件载流子迁移率，提高器件性能。
[0007]( 二 )技术方案
[0008]为达到上述目的，本发明提供了一种提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，该方法是利用硅烷偶联剂有机膜层来钝化和修饰碳基半导体器件衬底表面，具体包括以下步骤:
[0009]步骤1:将清洗后的衬底放入烘箱内120°C干燥处理20分钟；
[0010]步骤2:配制硅烷偶联剂溶液，利用有机溶剂溶解并稀释硅烷偶联剂，将要处理衬底浸入稀释液中；
[0011]步骤3:在氮气或者空气环境下，将浸润后的衬底加热至100°C?150°C，使硅烷偶联剂单体于衬底表面发生脱水缩合反应生成聚合体，从而在衬底表面形成硅烷偶联剂有机膜层。
[0012]上述方案中，步骤2中所述溶解并稀释硅烷偶联剂的有机溶剂，对硅烷偶联剂有稀释作用，且不发生反应；所述硅烷偶联剂与其稀释液的配比为1:400-1:50(体积比)，衬底浸入稀释液中的时间为1-10分钟。所述溶解并稀释硅烷偶联剂的有机溶剂包括:甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、丙酮、丁酮、各种醇类或醇与水的混合溶液。
[0013]上述方案中，步骤2中所述的硅烷偶联剂是单一硅烷偶联剂，或者是两种或多种含有不同功能基团硅烷偶联剂的混合体。所述的硅烷偶联剂包括含有多种功能基团的甲氧基或乙氧基娃烧。所述的多种功能基团为氣基、乙稀基、苯基、环氧基、氣基、氣基或硝基。
[0014]上述方案中，步骤3中所述加热的温度越低，需要加热的时间就越长，加热的温度越高，需要加热的时间就越短。加热温度大于或者等于100°c且小于150°c时，在该加热温度处恒温保持20分钟?40分钟后，再自然冷却至常温。
[0015]上述方案中，步骤3中所述硅烷偶联剂脱水缩合后在衬底表面形成的硅烷偶联剂有机膜层为单分子层，厚度为3nm。
[0016]上述方案中，步骤3中所述对硅烷偶联剂加热脱水缩合，采用热板加热、烘箱加热或管式炉加热，加热温度在100-150摄氏度，脱水缩合时间在10-40分钟。
[0017]上述方案中，步骤3中所述在衬底表面形成硅烷偶联剂有机膜层之后，还包括:再将石墨烯薄膜或碳纳米管转移到衬底表面。
[0018](三)有益效果
[0019]本发明提供的这种提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，由于使用经过硅烷偶联剂处理过表面的衬底，所以减小了由于衬底表面极性散射和杂质吸附给石墨烯场效应器件所带来的不良影响，有效增加了器件载流子迁移率，提高了器件性能，为碳基高性能器件的实现提供了一个解决方案，满足了碳基规模化集成电路的需求。具体而言，使用硅烷偶联剂对衬底进行表面处理，其主要优势体现在:
[0020]1、是用硅烷偶联剂有机膜层来钝化、修饰衬底表面，能减小由于衬底表面极性散射、表面坑洼起伏、杂质吸附等原因而造成的碳基材料性能下降，尤其是载流子迁移率的下降
[0021]2、硅烷偶联剂有有机膜层厚度可控，通过调整偶联剂的配比浓度和衬底浸润沉积时间，可以实现对膜层厚度和表面粗糙度的调控。
[0022]3、硅烷偶联剂脱水缩合后在衬底表面形成约为3nm厚度的单分子层有机膜，可以牢固的附着在硅、氧化硅、金属、金属氧化物等多种无机物衬底表面，工艺简单，重复性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是娃烧偶联剂与无机物衬底反应不意图。
[0024]图2是本发明使用硅烷偶联剂对原衬底进行表面处理的流程图。
[0025]图3是依照本发明实施例1的石墨烯场效应晶体管器件的背栅转移特性(Ids-Vg)曲线。
【具体实施方式】
[0026]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0027]图1为硅烷偶联剂单体与无机物衬底通过脱水缩合形成单分子层有机膜的反应机理示意图。所述硅烷偶联剂首先发生水解，继而脱水缩合成多聚体，再与无机物衬底表面的氢氧基发生水合，最后通过加热干燥使其脱水，最终在衬底表面形成硅烷偶联剂单分子膜层。
[0028]实施例1:使用CVD生长石墨烯材料，在经过硅烷偶联剂处理的二氧化硅/硅衬底上，实现石墨烯场效应晶体管。
[0029]图2为本发明实施例使用硅烷偶联剂对衬底进行表面处理的流程图，包括以下步骤:
[0030]步骤1:将清洗后的IOOnm 二氧化硅/硅衬底放入烘箱内120°C干燥处理20分钟；
[0031]步骤2:配置硅烷偶联剂-正丙基三甲氧基硅烷稀释液，将正丙基三甲氧基硅烷(购自中国医药集团化学试剂北京有限公司)与无水乙醇溶液以体积比1:100进行稀释，充分摇匀稀释后，将衬底浸入硅烷稀释液5分钟；
[0032]步骤3:将衬底放入烘箱中，箱体中通队进行保护，将烘箱升温到100摄氏度，保持30分钟，将温度降为常温，取出衬底，测量正丙基三甲氧基硅烷有机膜层厚度为3nm;
[0033]步骤4:将CVD生长石墨烯薄膜转移到经过正丙基三甲氧基硅烷处理后的二氧化硅/硅衬底上；
[0034]步骤5:在石墨烯材料上通过电子束光刻形成图形，电子束蒸发一层10nm/50nm厚的钛/金(Ti/Au=10/50nm)金属，然后将样品放入丙酮中剥离，去掉不需要的金属层，得到所需要的电极，从而实现背栅形以及顶栅形场效应管器件。
[0035]图3为依照本发明实施例1的石墨烯场效应晶体管器件的背栅转移特性(Ids-Vg)曲线。在使用正丙基三甲氧基硅烷对衬底进行表面处理后，减小了由于衬底表面极性散射和杂质吸附给石墨烯场效应器件所带来的不良影响。实际测量结果表明，器件有效迁移率平均从使用前的不到2000cm2/Vs提升到超过4000cm2/Vs。
[0036]实施例2:使用微机械剥离石墨烯材料，在经过正丙基三甲氧基硅烷处理的二氧化硅/硅衬底上，实现石墨烯场效应晶体管。
[0037]具体步骤与实施例1类似，但步骤4中将微机械剥离的石墨烯薄膜转移到经过氨丙基三甲氧基硅烷处理后的二氧化硅/硅衬底上，然后再实现石墨烯场效应管器件。
[0038]实施例3:使用CVD生长石墨烯材料，在经过氨丙基三甲氧基硅烷处理的二氧化硅/娃衬底上，实现石墨稀场效应晶体管。
[0039]具体步骤与实施例1类似，但步骤2中使用氨丙基三甲氧基硅烷替代正丙基三甲氧基硅烷与异丙醇以体积比1:100进行稀释，衬底浸润沉积时间为10分钟。步骤3后，测量氨丙基三甲氧基硅烷有机膜层厚度为5nm。
[0040]同样的，经过测试，上述3个实施例制备的碳基场效应晶体管由于使用经过硅烷偶联剂处理过表面的衬底，减小了由于衬底表面极性散射和杂质吸附给石墨烯场效应器件所带来的不良影响，有效增加了器件载流子迁移率，提高了器件性能。
[0041]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。
【权利要求】
1.一种提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，其特征在于，该方法是利用硅烷偶联剂有机膜层来钝化和修饰碳基半导体器件衬底表面，具体包括以下步骤: 步骤1:将清洗后的衬底放入烘箱内120°c干燥处理20分钟； 步骤2:配制硅烷偶联剂溶液，利用有机溶剂溶解并稀释硅烷偶联剂，将要处理衬底浸入稀释液中； 步骤3:在氮气或者空气环境下，将浸润后的衬底加热至10(TC?150°C，使硅烷偶联剂单体于衬底表面发生脱水缩合反应生成聚合体，从而在衬底表面形成硅烷偶联剂有机膜层。
2.根据权利要求1所述的提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，其特征在于，步骤2中所述溶解并稀释硅烷偶联剂的有机溶剂，对硅烷偶联剂有稀释作用，且不发生反应；所述硅烷偶联剂与其稀释液的配比为体积比1:400-1:50，衬底浸入稀释液中的时间为1-10分钟。
3.根据权利要求2所述的提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，其特征在于，所述溶解并稀释硅烷偶联剂的有机溶剂包括:甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、丙酮、丁酮、各种醇类或醇与水的混合溶液。
4.根据权利要求1所述的提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，其特征在于，步骤2中所述的硅烷偶联剂是单一硅烷偶联剂，或者是两种或多种含有不同功能基团硅烷偶联剂的混合体。
5.根据权利要求4所述的提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，其特征在于，所述的娃烧偶联剂包括含有多种功能基团的甲氧基或乙氧基娃烧。
6.根据权利要求5所述的提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，其特征在于，所述的多种功能基团为氣基、乙稀基、苯基、环氧基、氣基、氣基或硝基。
7.根据权利要求1所述的提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，其特征在于，步骤3中所述加热的温度越低，需要加热的时间就越长，加热的温度越高，需要加热的时间就越短。
8.根据权利要求7所述的提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，其特征在于，加热温度大于或者等于100°C且小于150°C时，在该加热温度处恒温保持20分钟?40分钟后，再自然冷却至常温。
9.根据权利要求1所述的提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，其特征在于，步骤3中所述硅烷偶联剂脱水缩合后在衬底表面形成的硅烷偶联剂有机膜层为单分子层，厚度为3nm。
10.根据权利要求1所述的提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，其特征在于，步骤3中所述对硅烷偶联剂加热脱水缩合，采用热板加热、烘箱加热或管式炉加热，加热温度在100-150摄氏度，脱水缩合时间在10-40分钟。
11.根据权利要求1所述的提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，其特征在于，步骤3中所述在衬底表面形成硅烷偶联剂有机膜层之后，还包括:再将石墨烯薄膜或碳纳米管转移到衬底表面。
【文档编号】H01L21/02GK103456604SQ201310414069
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】史敬元, 金智, 麻芃, 张大勇, 彭松昂 申请人:中国科学院微电子研究所