專利名稱：采用水基原子層沉積技術(shù)在石墨烯表面制備高k柵介質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在石墨烯表面制備柵介質(zhì)的方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)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(dǎo)體材料(硅材料的加工極限一般認(rèn)為是10納米線寬)來延長摩爾定律的發(fā)展道路已逐漸接近終點(diǎn)。隨著微電子領(lǐng)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(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)作為一種新型的二維六方蜂巢結(jié)構(gòu)碳原子晶體，自從2004年被發(fā)現(xiàn)以來，在全世界引起了廣泛的關(guān)注。石墨烯(Graphene)是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子薄膜，在二維平面上每個碳原子以sp2雜化軌道相銜接，也就是每個碳原子與最近鄰的三個碳原子間形成三個σ鍵，剩余的一個P電子軌道垂直于石墨烯平面，與周圍原子形成η鍵，碳原子間相互圍成正六邊形的平面蜂窩形結(jié)構(gòu)。實(shí)驗證明石墨烯不僅具有非常出色的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，還具有獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)。石墨烯是零帶隙材料，其電子的有效質(zhì)量為零，并以106m/s的恒定速率運(yùn)動，行為與光子相似，由此，石墨的理論電子遷移率高達(dá)200 000 cm2/V*s，實(shí)驗測得遷移率也超過15 000 cm2/V*s，是商業(yè)硅片中電子遷移率的10倍，并具有常溫整數(shù)量子霍爾效應(yīng)等新奇的物理性質(zhì)。正是其優(yōu)異的電學(xué)性能使發(fā)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(dǎo)體材料。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-Semiconductor,金屬-氧化物-半導(dǎo)體)場效應(yīng)晶體管中。為制造高性能的石墨烯基場效應(yīng)晶體管(G-FET)，必須要在石墨烯表面制備高質(zhì)量的高k柵介質(zhì)。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(zhì)層,但制得柵介質(zhì)膜的均勻性和覆蓋率較差，并且沉積過程中的動能離子不可避免地會破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生大量缺陷使石墨烯的電學(xué)性能大幅衰退。原子層淀積(Atomic Layer Deposition,ALD)工藝依靠交替重復(fù)的自限制反應(yīng)生長薄膜，能精確地控制薄膜的厚度和化學(xué)組分，因而淀積的薄膜雜質(zhì)少、質(zhì)量高并且具有很好的均勻性和保形性，被認(rèn)為是最有可能制備高質(zhì)量高k介質(zhì)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(guī)水基(H20-based)ALD生長工藝很難在未經(jīng)功能化處理的石墨烯表面成核生長均勻的超薄高k介質(zhì)層。而如果采用臭氧基(03-based)ALD工藝雖然可以在石墨烯上制備出高k介質(zhì)層,但實(shí)驗證明O3會破壞石墨烯的C-C鍵，引入大量C-O鍵，從而破壞石墨烯晶體結(jié)構(gòu)，會降低石墨烯基場效應(yīng)晶體管的性能。這樣，如何在不破壞石墨烯結(jié)構(gòu)，不影響其電學(xué)性能的前提下，在石墨烯表面制備高質(zhì)量的氧化物柵介質(zhì)是一個巨大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種在石墨烯表面制備高k柵介質(zhì)的方法，以解決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ALD工藝在其表面直接沉積高k柵介質(zhì)層等問題。本發(fā)明提出的在石墨烯表面制備高k柵介質(zhì)的方法，采用正丙醇改善的水基原子層沉積技術(shù)，通過改善化學(xué)源與石墨烯之間浸潤性來提高沉積在石墨烯表面的高k柵介質(zhì)薄膜的均勻性和覆蓋率。與常規(guī)依靠功能化處理在石墨烯晶格中引入親水性基團(tuán)從而改善石墨烯疏水性的方法不同，本發(fā)明通過降低水的表面張力來改善化學(xué)源與石墨烯之間浸潤性，進(jìn)而提高沉積在石墨烯表面的高k柵介質(zhì)薄膜的均勻性和覆蓋率。正丙醇是一種有三個碳原子的醇類有機(jī)化合物，它本身無法作為氧化劑或者還原劑參與到原子層沉積工藝的化學(xué)反應(yīng)中去，從而影響金屬氧化物薄膜的沉積。但由于正丙醇分子結(jié)構(gòu)中既有憎水的非極性烴鏈又有親水的羥基，表現(xiàn)出雙親特性，因此，在水中加入正丙醇能有效降低水的表面張力，從而提高水在石墨烯表面的浸潤性。將正丙醇與水互溶·配成一定體積濃度的混合液后，由于正丙醇的沸點(diǎn)(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下97. 19°C )與水接近，因此調(diào)節(jié)混合液中正丙醇的體積濃度就能改變混合蒸氣中水與正丙醇的比例并最終決定吸附在石墨烯表面的混合液中正丙醇的體積濃度。實(shí)驗證明采用一定體積濃度的正丙醇水溶液作為原子層沉積工藝的水化學(xué)源后，在薄膜的沉積過程中，當(dāng)水與正丙醇的混合蒸氣進(jìn)入腔體并吸附在石墨烯樣品表面時，由于正丙醇的存在改善了水在石墨烯表面的浸潤性，因此沉積在石墨烯表面的高k柵介質(zhì)薄膜的均勻性和覆蓋率得到明顯改善。本發(fā)明提供的采用正丙醇改善的水基原子層沉積技術(shù)在石墨烯表面制備高k柵介質(zhì)的方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上具有未經(jīng)功能化處理的石墨烯層；利用在反應(yīng)溫度條件下在所述石墨烯層表面物理吸附的水和正丙醇混合溶液作為氧化劑而與金屬源反應(yīng)生成金屬氧化物薄膜，作為高k柵介質(zhì)層；所述金屬氧化物薄膜為包括Al2O3的III A族金屬氧化物、包括La203、Gd203、Pr2O3的III B族稀土氧化物、包括Ti02、ZrO2,HfO2的IV B族過渡金屬氧化物中的其中一種以及它們的二元及二元以上的氧化物中的任一種?？蛇x地，所述半導(dǎo)體襯底上具有石墨烯層包括將石墨烯樣品轉(zhuǎn)移到所述半導(dǎo)體襯底上，所述石墨烯樣品未經(jīng)功能化處理?？蛇x地，所述生成金屬氧化物薄膜包括將具有石墨烯層的所述半導(dǎo)體襯底轉(zhuǎn)移到反應(yīng)腔室中；將所述反應(yīng)腔室升溫至反應(yīng)溫度，采用原子層沉積工藝，利用在所述石墨烯表面物理吸附的水/正丙醇混合溶液作為氧化劑與金屬源反應(yīng)生成金屬氧化物薄膜，作為高k柵介質(zhì)層。可選地，所述反應(yīng)溫度為60°C至120°C。可選地,所述金屬氧化物薄膜的厚度為5 nm至30nm。本發(fā)明在另一方面提供一種采用正丙醇改善的水基原子層沉積技術(shù)在石墨烯表面制備高k柵介質(zhì)的方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上具有石墨烯層；利用在第一反應(yīng)溫度條件下在所述石墨烯層表面物理吸附的水和正丙醇混合溶液作為氧化劑而與第一金屬源反應(yīng)生成第一金屬氧化物薄膜，作為成核層；所述第一金屬氧化物薄膜為包括Al2O3的III A族金屬氧化物、包括La203、Gd203、Pr2O3的III B族稀土氧化物、包括Ti02、Zr02、Hf02的IV B族過渡金屬氧化物中的其中一種，或它們的二元及二元以上的氧化物中的任一種；在第二反應(yīng)溫度條件下，利用水與第二金屬源的自限制化學(xué)吸附，在作為成核層的所述第一金屬氧化物薄膜上生成第二金屬氧化物薄膜，作為高k柵介質(zhì)層；所述第二金屬氧化物薄膜為包括Al2O3的IIIA族金屬氧化物、包括La2O3、Gd2O3、Pr2O3的IIIB族稀土氧化物、包括Ti02、ZrO2, HfO2的IV B族過渡金屬氧化物中的其中一種，或它們的二元及二元以上的氧化物中的任一種。
可選地，所述半導(dǎo)體襯底上生成有石墨烯層包括將將石墨烯樣品轉(zhuǎn)移到所述半導(dǎo)體襯底上，所述石墨烯樣品未經(jīng)功能化處理?？蛇x地，所述生成第一金屬氧化物薄膜包括將生成有石墨烯層的所述半導(dǎo)體襯底轉(zhuǎn)移到反應(yīng)腔室中；將所述反應(yīng)腔室升溫至反應(yīng)溫度，采用原子層沉積工藝，利用在所述石墨烯表面物理吸附的水/正丙醇混合溶液作為氧化劑與第一金屬源反應(yīng)生成第一金屬氧化物薄膜，作為成核層。可選地，所述第一反應(yīng)溫度為60°C至120°C?？蛇x地,所述第一金屬氧化物薄膜的厚度為5 nm至30 nm?？蛇x地，在作為成核層的所述第一金屬氧化物薄膜上生成第二金屬氧化物薄膜包括將生成有作為成核層的第一金屬氧化物薄膜的所述半導(dǎo)體襯底轉(zhuǎn)移到反應(yīng)腔室中；將所述反應(yīng)腔室升溫至第二反應(yīng)溫度，采用原子層沉積工藝，利用水與第二金屬源的自限制化學(xué)吸附，在所述成核層上生成第二金屬氧化物薄膜，作為高k柵介質(zhì)層?？蛇x地，所述第二反應(yīng)溫度為200°C至350°C。可選地,所述第二金屬氧化物薄膜的厚度為5 nm至30 nm。本發(fā)明中，所述水和正丙醇混合溶液中，正丙醇體積濃度一般為10 %—50 %。本發(fā)明技術(shù)方案主要是利用正丙醇的雙親特性來降低物理吸附在石墨烯表面的水的表面張力，從而改善化學(xué)源與石墨烯之間浸潤性，進(jìn)而提高沉積在石墨烯表面的金屬氧化物薄膜的均勻性和覆蓋率，所述金屬氧化物既可以直接作為石墨烯表面的高k柵介質(zhì)層，或者作為成核層，從而在后續(xù)采用原子層沉積工藝，在較高的工藝溫度下水與第二金屬源的自限制化學(xué)吸附，在成核層上生成均勻性和覆蓋率較高的金屬氧化物薄膜，作為高k柵介質(zhì)層。此外，常規(guī)的功能化處理方法雖然能夠改善石墨烯的疏水性但不可避免地會破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)造成石墨烯電學(xué)性能的下降在石墨烯晶格中引入親水性基團(tuán)從而改善石墨烯疏水性的方法不同，而本發(fā)明方法通過降低水的表面張力來改善化學(xué)源與石墨烯之間浸潤性，不會破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)。


圖I為本發(fā)明在石墨烯表面制備柵介質(zhì)的方法在第一實(shí)施方式中的流程示意圖。圖2至圖3為按照圖I所示的流程制備柵介質(zhì)的示意圖。圖4為本發(fā)明在石墨烯表面制備柵介質(zhì)的方法在第二實(shí)施方式中的流程示意圖。圖5至圖7為按照圖4所示的流程制備柵介質(zhì)的示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中，在石墨烯表面制備的氧化物柵介質(zhì)層存在均勻性和覆蓋率較差或者破壞石墨烯晶體結(jié)構(gòu)等問題，影響后續(xù)產(chǎn)品(例如石墨烯基場效應(yīng)晶體管)的器件性能。因此，在石墨烯基場效應(yīng)晶體管時，為防止上述缺陷的產(chǎn)生，本發(fā)明的發(fā)明人對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新型的石墨烯基場效應(yīng)晶體管制備方法，其主要是利用正丙醇的雙親特性來降低物理吸附在石墨烯表面的水的表面張力，從而改善化學(xué)源與石墨烯之間浸潤性，進(jìn)而提高沉積在石墨烯表面的金屬氧化物薄膜的均勻性和覆蓋率。首先，將正丙醇加入去離子水中配成混合溶液，其中正丙醇體積濃度為10% —50%，將此混合溶液作為原子層沉積工藝中的氧化劑加入原子層沉積設(shè)備的液態(tài)源瓶中。由于正丙醇的沸點(diǎn)(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下97. 19°C)與水接近，因此調(diào)節(jié)混合液中正丙醇的體積濃度就能改變混合蒸氣中水與正丙醇的比例并最終決定吸附在石墨烯表面的混合液中正丙醇的體積濃度。
下面將結(jié)合圖示對氧化物薄膜沉積過程進(jìn)行完整描述，本發(fā)明提供的優(yōu)選實(shí)施例，但不應(yīng)被認(rèn)為僅限于在此闡述的實(shí)施例中。在圖中，為了更清楚的反應(yīng)結(jié)構(gòu)，適當(dāng)放大了層和區(qū)域的厚度，但作為示意圖不應(yīng)該被認(rèn)為嚴(yán)格反映了幾何尺寸的比例關(guān)系。參考圖是本發(fā)明的示意圖，圖中的表示只是示意性質(zhì)的，不應(yīng)該被認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍。圖I為本發(fā)明在石墨烯表面制備柵介質(zhì)的方法在第一實(shí)施方式中的流程示意圖。如圖I所示，所述制備方法包括如下步驟
SlOl :提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上具有有石墨烯層；
S103，利用石墨烯層表面物理吸附的水/正丙醇混合溶液作為氧化劑而與金屬源反應(yīng)生成高k柵介質(zhì)薄膜。首先執(zhí)行步驟S101，提供半導(dǎo)體襯底200，所述半導(dǎo)體襯底上具有石墨烯層202，形成如圖2所示的結(jié)構(gòu)。其中，半導(dǎo)體襯底200為生成有半導(dǎo)體器件的硅(可以生成有部分的硅氧化物)、生成有半導(dǎo)體器件的絕緣體上硅(SOI)、或者為生成有半導(dǎo)體器件的II-VI或者Iirv族化合物半導(dǎo)體。石墨烯層202是未經(jīng)功能化處理的。在實(shí)際應(yīng)用中，是將新鮮的、未經(jīng)功能化處理的石墨烯樣品轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體襯底200上形成的。但并不以此為限，在其他實(shí)施例中，石墨烯層202也可以通過其他工藝直接在半導(dǎo)體襯底200生成，在此不再贅述。接著執(zhí)行步驟S103，利用石墨烯層202表面物理吸附的水/正丙醇混合溶液作為氧化劑而與金屬源反應(yīng)生成金屬氧化物薄膜，作為高k柵介質(zhì)層204，形成如圖3所示的結(jié)構(gòu)。在生成高k柵介質(zhì)層204的步驟103中，具體包括將步驟101中生成有石墨烯層202的半導(dǎo)體襯底200轉(zhuǎn)移到原子層沉積設(shè)備的反應(yīng)腔中；將所述反應(yīng)腔升溫至60°C至120°C，利用石墨烯層202表面物理吸附的水/正丙醇混合溶液作為氧化劑而與金屬源反應(yīng)生成30至250循環(huán)(cycles)金屬氧化物薄膜,作為高k柵介質(zhì)層204,其厚度約為5nm至30 nm。特別地，在本實(shí)施例中，高k柵介質(zhì)層204為III A族金屬氧化物(例如A1203)、IIIB族稀土氧化物(例如La2O3、Gd2O3、Pr2O3)、IV B族過渡金屬氧化物(例如Ti02、Zr02、Hf02)中的其中一種以及它們二元及二元以上的氧化物中的任一種。
在上述第一實(shí)施方式中，本發(fā)明技術(shù)方案主要是利用正丙醇的雙親特性來降低物理吸附在石墨烯表面的水的表面張力，從而改善化學(xué)源與石墨烯之間浸潤性，進(jìn)而提高沉積在石墨烯表面的金屬氧化物薄膜的均勻性和覆蓋率，所述金屬氧化物直接作為石墨烯表面的高k柵介質(zhì)層，此外，相較于現(xiàn)有的通過功能化處理改善石墨烯的疏水性方法，本發(fā)明方法通過降低水的表面張力來改善化學(xué)源與石墨烯之間浸潤性，不會破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)。圖4為本發(fā)明在石墨烯表面制備柵介質(zhì)的方法在第二實(shí)施方式中的流程示意圖。如圖4所示，所述制備方法包括如下步驟
S301 :提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上具有石墨烯層；
S303，利用在第一反應(yīng)溫度條件下在所述石墨烯層表面物理吸附的水/正丙醇混合溶液作為氧化劑與第一金屬源反應(yīng)生成第一金屬氧化物薄膜，作為成核層；
S305，在第二反應(yīng)溫度條件下，利用水與第二金屬源的自限制化學(xué)吸附，在作為成核層的所述第一金屬氧化物薄膜上生成第二金屬氧化物薄膜，作為高k柵介質(zhì)層。 首先執(zhí)行步驟S301，提供半導(dǎo)體襯底400，所述半導(dǎo)體襯底上具有石墨烯層402，形成如圖5所示的結(jié)構(gòu)。其中，半導(dǎo)體襯底400為生成有半導(dǎo)體器件的硅(可以生成有部分的硅氧化物)、生成有半導(dǎo)體器件的絕緣體上硅(SOI)、或者為生成有半導(dǎo)體器件的II-VI或者Iirv族化合物半導(dǎo)體。石墨烯層402是未經(jīng)功能化處理的。在實(shí)際應(yīng)用中，是將新鮮的、未經(jīng)功能化處理的石墨烯樣品轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體襯底400上形成的。但并不以此為限，在其他實(shí)施例中，石墨烯層402也可以通過其他工藝直接在半導(dǎo)體襯底400生成，在此不再贅述。接著執(zhí)行步驟S303，利用在石墨烯層402表面物理吸附的水/正丙醇混合溶液作為氧化劑與金屬源反應(yīng)生成金屬氧化物薄膜，作為成核層404，形成如圖6所示的結(jié)構(gòu)。在生成成核層404的步驟303中，具體包括將步驟301中生成有石墨烯層402的半導(dǎo)體襯底400轉(zhuǎn)移到原子層沉積設(shè)備的反應(yīng)腔中；將所述反應(yīng)腔升溫至第一反應(yīng)溫度(例如60°C至120°C )，利用石墨烯層402表面物理吸附的水/正丙醇混合溶液作為氧化劑而與金屬源反應(yīng)生成30至250循環(huán)(cycles)金屬氧化物薄膜,作為成核層404,其厚度約為5nm至30 nm。特別地，在本實(shí)施例中，成核層404為III A族金屬氧化物(例如A1203)、IIIB族稀土氧化物(例如La2O3、Gd2O3、Pr2O3)、IV B族過渡金屬氧化物(例如Ti02、Zr02、Hf02)中的其中一種以及它們二元及二元以上的氧化物中的任一種。執(zhí)行步驟S305，利用成核層404，依靠水與第二金屬源的自限制化學(xué)吸附，在作為成核層404的所述第一金屬氧化物薄膜上生成第二金屬氧化物薄膜，作為高k柵介質(zhì)層406,形成如圖7所示的結(jié)構(gòu)。步驟305具體包括將所述原子層沉積設(shè)備的反應(yīng)腔室升溫至第二反應(yīng)溫度(例如為200°C至350°C )，利用水與第二金屬源的自限制化學(xué)吸附，在成核層404上生成第二金屬氧化物薄膜，作為高k柵介質(zhì)層406。在本實(shí)施例中，作為高k柵介質(zhì)層406的所述第二金屬氧化物薄膜為III A族金屬氧化物(例如A1203)、III B族稀土氧化物(例如La203、Gd2O3、Pr2O3)、IV B族過渡金屬氧化物(例如Ti02、Zr02、Hf02)中的其中一種以及它們二元及二元以上的氧化物中的任一種。另外，結(jié)合步驟S303，作為高k柵介質(zhì)層406的所述第二金屬氧化物薄膜和作為成核層404的所述第一金屬氧化物薄膜的制備材料可以是相同的，也可以是不同的。另外，作為高k柵介質(zhì)層406的所述第二金屬氧化物薄膜的厚度為5 nm至50 nm。在上述第二實(shí)施方式中，本發(fā)明技術(shù)方案主要是利用石墨烯表面物理吸附的水/正丙醇混合溶液作為氧化劑與與第一金屬源反應(yīng)生成第一金屬氧化物薄膜，作為成核層。由于作為成核層的第一金屬氧化物薄膜表面含有大量的懸掛鍵，這些懸掛鍵可以幫助化學(xué)源化學(xué)吸附在薄膜表面，實(shí)現(xiàn)自限制的薄膜沉積。因而在后續(xù)原子層沉積工藝中，采用較高的沉積溫度(例如為200°C至350°C)利用水與第二金屬源的自限制化學(xué)吸附，在成核層上生成金屬氧化物薄膜，作為高k柵介質(zhì)層。在較高的沉積溫度下沉積的高k柵介質(zhì)層更為致密，具有更高的介電常數(shù)。
上述實(shí)施例僅列示性說明本發(fā)明的原理及功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此項技術(shù)的人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范圍下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.一種采用正丙醇改善的水基原子層沉積技術(shù)在石墨烯表面制備高k柵介質(zhì)的方法，其特征在于，具體步驟為提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上具有石墨烯層，所述石墨烯層未經(jīng)功能化處理；在一定的反應(yīng)溫度條件下，利用石墨烯層表面物理吸附的水和正丙醇混合溶液作為氧化劑，而與金屬源發(fā)生反應(yīng)，生成金屬氧化物薄膜，作為高k柵介質(zhì)層；所述金屬氧化物薄膜材料為III A族金屬氧化物、III B族稀土氧化物、IV B族過渡金屬氧化物中的其中一種，或它們的二元及二元以上的氧化物中的任一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述生成金屬氧化物薄膜的步驟包括 將具有石墨烯層的所述半導(dǎo)體襯底轉(zhuǎn)移到反應(yīng)腔室中； 將所述反應(yīng)腔室升溫至反應(yīng)溫度，采用原子層沉積工藝，利用在所述石墨烯表面物理吸附的水和正丙醇混合溶液作為氧化劑，與金屬源反應(yīng)，生成金屬氧化物薄膜；所述反應(yīng)溫度為 60。。至 120。。。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述金屬氧化物薄膜的厚度為5nm至30nm0
4.一種采用正丙醇改善的水基原子層沉積技術(shù)在石墨烯表面制備高k柵介質(zhì)的方法，其特征在于，具體步驟為 提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上具有石墨烯層，所述石墨烯層未經(jīng)功能化處理； 在第一反應(yīng)溫度條件下，利用石墨烯層表面物理吸附的水和正丙醇混合溶液作為氧化劑而與第一金屬源反應(yīng)生成第一金屬氧化物薄膜，作為成核層；所述第一金屬氧化物薄膜的材料為III A族金屬氧化物、IIIB族稀土氧化物、IV B族過渡金屬氧化物中的其中一種，或它們的二元及二元以上的氧化物中的任一種； 在第二反應(yīng)溫度條件下，利用水與第二金屬源的自限制化學(xué)吸附，在作為成核層的所述第一金屬氧化物薄膜上生成第二金屬氧化物薄膜，作為高k柵介質(zhì)層；所述第二金屬氧化物薄膜的材料為III A族金屬氧化物、IIIB族稀土氧化物、IV B族過渡金屬氧化物中的其中一種，或它們的二元及二元以上的氧化物中的任一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述生成第一金屬氧化物薄膜的步驟包括 將具有石墨烯層的所述半導(dǎo)體襯底轉(zhuǎn)移到反應(yīng)腔室中； 將所述反應(yīng)腔室升溫至第一反應(yīng)溫度，采用原子層沉積工藝，利用在所述石墨烯表面物理吸附的水/正丙醇混合溶液作為氧化劑與第一金屬源反應(yīng)生成第一金屬氧化物薄膜，作為成核層；所述第一反應(yīng)溫度為60°C至120°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一金屬氧化物薄膜的厚度為5nm至 30 nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，生成第二金屬氧化物薄膜的步驟包括 將生成有作為成核層的第一金屬氧化物薄膜的所述半導(dǎo)體襯底轉(zhuǎn)移到反應(yīng)腔室中； 將所述反應(yīng)腔室升溫至第二反應(yīng)溫度，采用原子層沉積工藝，利用水與第二金屬源的自限制化學(xué)吸附，在所述成核層上生成第二金屬氧化物薄膜，所述第二反應(yīng)溫度為200°C至 350 0C ο
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二金屬氧化物薄膜的厚度為5nm至 50 nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的方法，其特征在于，所述III A族金屬氧化物為Al2O3,所述IIIB族稀土氧化物為La203、Gd203或Pr2O3,所述IV B族過渡金屬氧化物為Ti02、Zr02或Η 2。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件制造技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種采用正丙醇改善的水基原子層沉積技術(shù)在石墨烯表面制備高k柵介質(zhì)的方法。本發(fā)明方法包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上有未經(jīng)功能化處理石墨烯層；利用在反應(yīng)溫度條件下在所述石墨烯層表面物理吸附的水/正丙醇混合溶液作為氧化劑而與金屬源反應(yīng)生成高k柵介質(zhì)薄膜；所述高k柵介質(zhì)薄膜為ⅢA族金屬氧化物ⅢB族稀土氧化物、ⅣB族過渡金屬氧化物中的其中一種以及它們的二元及二元以上的氧化物中的任一種。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明可以顯著改善沉積在石墨烯表面的高k柵介質(zhì)薄膜的均勻性和覆蓋率，且在薄膜沉積工藝中不會破壞石墨烯晶體結(jié)構(gòu)，有助于制備高性能的石墨烯器件。
文檔編號H01L21/285GK102891077SQ201210365230
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者張有為, 仇志軍, 陳國平, 陸冰睿, 劉冉 申請人:復(fù)旦大學(xué)