專利名稱：一種適用于石墨烯基器件的柵氧介質(zhì)的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種柵氧化層的形成方法，具體涉及一種在石墨烯半導(dǎo)體器件例如場(chǎng)效應(yīng)管或存儲(chǔ)器中生長(zhǎng)高k柵氧介質(zhì)的方法，屬于碳基集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
根據(jù)摩爾定律，芯片的集成度每18個(gè)月至2年提高一倍，即加工線寬縮小一半。硅材料的加工極限一般認(rèn)為是10納米線寬，硅基集成電路在11納米后無(wú)法突破其物理局限包括電流傳輸損耗，量子效應(yīng)，熱效應(yīng)等，因此很難生產(chǎn)出性能穩(wěn)定、集成度更高的產(chǎn)品。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，硅基集成電路器件尺寸距離其物理極限越來(lái)越近。為延長(zhǎng)摩爾定律的壽命，國(guó)際半導(dǎo)體工業(yè)界紛紛提出超越硅技術(shù)(Beyond Silicon)，其中最有希望的石墨烯應(yīng)運(yùn)而生。石墨烯(Graphene)是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子薄膜，是由單層六角元胞碳原子組成的蜂窩狀二維晶體，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。石墨烯具有零禁帶特性，即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長(zhǎng)度也可以達(dá)到微米級(jí)，同時(shí)，石墨烯還具有遠(yuǎn)比硅高的載流子遷移率，所以它是一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料?；谄洫?dú)特的二維結(jié)構(gòu)和物理特性，石墨烯被認(rèn)為是下一代集成電路中有望延續(xù)摩爾定律的重要材料。作為新型的半導(dǎo)體材料，石墨烯已經(jīng)被應(yīng)用于MOS(Metal-Oxide-kmiconductor， 金屬-氧化物-半導(dǎo)體)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，其中石墨烯通道場(chǎng)效應(yīng)晶體管潛力的發(fā)現(xiàn)者IBM 公司已經(jīng)于2010年2月在2寸硅片上開(kāi)發(fā)出了頻率高達(dá)100GHz、柵極長(zhǎng)度為240納米的石墨烯通道場(chǎng)效應(yīng)晶體管。目前，石墨烯基半導(dǎo)體器件面臨的主要挑戰(zhàn)在于柵氧介質(zhì)的形成工藝。傳統(tǒng)的物理氣相沉積會(huì)破壞石墨烯導(dǎo)致遷移率嚴(yán)重衰退，化學(xué)氣相沉積以及原子層沉積工藝由于石墨烯材料的自然疏水性，利用水作為前驅(qū)體的大部分工藝直接在石墨烯上淀積高k介質(zhì)層是不容易實(shí)現(xiàn)的，因此必須先對(duì)石墨烯表面進(jìn)行處理，例如NO2處理或者生長(zhǎng)金屬或聚合物緩沖層，這樣就增加了高k柵氧介質(zhì)的淀積困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種適用于石墨烯基器件的柵氧介質(zhì)的形成方法，以實(shí)現(xiàn)具有高遷移率的石墨烯基器件。本發(fā)明提出的適用于石墨烯基器件的柵氧介質(zhì)的形成方法，是在石墨烯基器件中采用原子層淀積方法生長(zhǎng)BN，作為高k柵氧介質(zhì)，具體步驟包括
提供一個(gè)半導(dǎo)體襯底； 在所述半導(dǎo)體襯底上形成一層石墨烯； 在所述石墨烯層上形成金屬接觸并定義源、漏電極； 采用原子層淀積方法生長(zhǎng)氮化硼(BN)，作為柵氧介質(zhì)； 在所述BN柵氧介質(zhì)上形成柵電極。
本發(fā)明中，所述采用原子層淀積方法生長(zhǎng)氮化硼(BN)的過(guò)程為利用三溴化硼 (BBr3純度大于99. 999%)作為B的前驅(qū)體與氨氣NH3 (雜質(zhì)低于Ippb)作為N的前驅(qū)體，高純氬氣(純度大于99. 995%)作為載氣，采用原子層淀積方法在石墨烯層201上生長(zhǎng)一層BN。 其具體工藝過(guò)程為將原子層淀積反應(yīng)腔溫度加熱到400-750度，腔內(nèi)壓力保持在lOtorr， 先以IOOOsccm流速通入Ar/BBr3 2秒鐘，再以300sccm流速通入Ar氣3秒鐘，再以20sccm 流速通入NH3 2秒鐘，最后以300sCCm流速通入Ar氣3秒鐘，這樣完成一個(gè)循環(huán)，其生長(zhǎng)速率在400度時(shí)約為0. 3A每循環(huán)。進(jìn)一步地，所述的源、漏電極由Pt、Al、Ru、TiN或TaN等金屬材料制成。所述的柵電極由Pt、Al、Au或Pd等金屬材料制成。BN的結(jié)構(gòu)可以看做是石墨烯結(jié)構(gòu)中的C原子分別由N和B原子占據(jù)，如圖2所示， 因此BN具有和石墨烯相匹配的晶格單元結(jié)構(gòu)，根據(jù)此特性，當(dāng)BN在石墨烯上形成薄膜作為柵氧時(shí)，石墨烯中的載流子輸運(yùn)會(huì)比其他結(jié)構(gòu)柵氧介質(zhì)受影響較?。灰簿透纳屏耸┻w移率降低問(wèn)題。 BN的禁帶寬度為5. 97eV,介電常數(shù)和Si02相比擬，約為3_4，由于其平面內(nèi)鍵能較強(qiáng)，因此表面惰性并且懸掛鍵和缺陷很少。采用原子層淀積方法生長(zhǎng)BN可以突破目前BN 靠機(jī)械剝離形成、大小難以控制、無(wú)法整合到石墨烯基電路集成工藝中的巨大難題，并且通過(guò)控制原子層淀積生長(zhǎng)參數(shù)可以控制BN的結(jié)構(gòu)與缺陷，進(jìn)而能夠提供多種不同石墨烯基器件應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)具有較高遷移率的石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管。


圖1為石墨烯的原子結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為BN的原子結(jié)構(gòu)示意圖。圖3至圖7為本發(fā)明所提供的制備以BN為柵氧介質(zhì)的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管為實(shí)施例的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，在圖中，為了方便說(shuō)明，放大或縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實(shí)際尺寸。盡管這些圖并不能完全準(zhǔn)確的反映出器件的實(shí)際尺寸，但是它們還是完整的反映了區(qū)域和組成結(jié)構(gòu)之間的相互位置，特別是組成結(jié)構(gòu)之間的上下和相鄰關(guān)系。本發(fā)明所提出的采用原子層淀積方法生長(zhǎng)BN作為柵氧介質(zhì)的方法可以適用于不同結(jié)構(gòu)的石墨烯器件的制造中，以下所述敘述的是，制備以BN為柵氧介質(zhì)的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)為實(shí)施例的工藝流程。首先，在清洗過(guò)的硅襯底200上利用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法生長(zhǎng)石墨烯層201， 如圖3所示。具體工藝過(guò)程為首先在石英管內(nèi)通入流速為400sCCm的Ar/H2混合氣體，壓力為8-9torr，并將硅襯底在此穩(wěn)定環(huán)境下加熱至950攝氏度。然后停止通入ArM2混合氣體，在保持石英管內(nèi)壓力為500mTorr的環(huán)境下通入甲烷以及氬氣等惰性氣體(其中甲烷/ 氬氣的氣體流量比值范圍約是1:2-1:5，甲烷以及氬氣的總氣體流量大小取決于所需形成的薄膜的尺寸，一般范圍約為^0-480sCCm)。最后將硅襯底在此環(huán)境下加熱到一定溫度，比如1000攝氏度，然后再在ArM2混合氣體環(huán)境下按50攝氏度每分鐘的速率降至室溫，即可在硅襯底上沉積形成6-10層的石墨烯。接下來(lái)，采用業(yè)界所熟知的薄膜淀積工藝以及光刻、刻蝕工藝，在石墨烯層201上形成金屬接觸，并定義源電極202和漏電極203，如圖4所示。接下來(lái)，將硅襯底置于原子層淀積設(shè)備中，利用三溴化硼(BBr3純度大于 99. 999%)作為B的前驅(qū)體與氨氣NH3(雜質(zhì)低于Ippb)作為N的前驅(qū)體，高純氬氣(純度大于 99. 995%)作為載氣，采用原子層淀積方法在石墨烯層201上生長(zhǎng)一層BN 204，如圖5所示。 其具體工藝過(guò)程為將原子層淀積反應(yīng)腔溫度加熱到400-750度，腔內(nèi)壓力保持在lOtorr， 先以IOOOsccm流速通入Ar/BBr3 2秒鐘，再以300sccm流速通入Ar氣3秒鐘，再以20sccm 流速通入NH3 2秒鐘，最后以300sCCm流速通入Ar氣3秒鐘，這樣完成一個(gè)循環(huán)，其生長(zhǎng)速率在400度時(shí)約為0. 3A每循環(huán)。采用原子層淀積方法生長(zhǎng)BN時(shí)，借助溫度、氣流控制，可以在石墨烯表面形成不同結(jié)構(gòu)的BN，例如h-BN及t-BN，其中淀積形成的h-BN經(jīng)XRD分析后的結(jié)果如圖6所示。最后，采用常規(guī)的CMOS制造工藝制備器件的柵電極205，如圖7所示。如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構(gòu)成許多有很大差別的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說(shuō)明書中所述的具體實(shí)例。
權(quán)利要求
1.一種適用于石墨烯基器件的柵氧介質(zhì)的形成方法，其特征在于具體步驟包括 提供一個(gè)半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底上形成一層石墨烯； 在所述石墨烯層上形成金屬接觸并定義源、漏電極； 采用原子層淀積方法生長(zhǎng)氮化硼，作為柵氧介質(zhì)； 在所述柵氧介質(zhì)上形成柵電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于石墨烯基器件的柵氧介質(zhì)的形成方法，其特征在于， 所述的源、漏電極由Pt、Al、Ru、TiN或TaN金屬材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于石墨烯基器件的柵氧介質(zhì)的形成方法，其特征在于， 所述的柵電極由Pt、Al、Au或Pd金屬材料制成。
全文摘要
本發(fā)明屬于碳基集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種適用于石墨烯基器件的柵氧介質(zhì)的形成方法。本發(fā)明是在石墨烯基器件中采用原子層淀積方法生長(zhǎng)氮化硼(BN)，作為高k柵氧介質(zhì)。生長(zhǎng)BN可以突破目前BN靠機(jī)械剝離形成、大小難以控制、無(wú)法整合到石墨烯基電路集成工藝中的巨大難題，并且通過(guò)控制原子層淀積生長(zhǎng)參數(shù)可以控制BN的結(jié)構(gòu)與缺陷，進(jìn)而能夠提供多種不同石墨烯基器件應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)具有較高遷移率的石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
文檔編號(hào)H01L21/04GK102290333SQ201110219738
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月2日
發(fā)明者吳東平, 周鵬, 孫清清, 張衛(wèi), 王鵬飛 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)