專利名稱：基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種半導(dǎo)體薄膜材料及其制備方法，具體地說是基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，用于制作微電子器件。
背景技術(shù)：
以集成電路為標(biāo)志的基于硅材料的微細(xì)加工技術(shù)造就了當(dāng)代信息社會。但是，隨著現(xiàn)代精細(xì)加工技術(shù)水平的日益提高，器件的特征尺寸逐漸接近于納米量級，工作頻率越來越高，這導(dǎo)致硅技術(shù)受制造工藝限制的趨勢逐漸明顯。一般認(rèn)為，硅材料的加工極限是IOnm線寬。由于量子尺寸效應(yīng)的制約，線寬小于IOnm就不太可能制造出電學(xué)性能穩(wěn)定、集成度更高的產(chǎn)品。因此，以硅為核心的傳統(tǒng)微電子器件將面臨無法避免的困境，人們寄希望于碳基材料的電子學(xué)。 Graphene是被人們看好的另一種碳基材料，它不僅具有比碳納米管更為優(yōu)越的性質(zhì)，而且還克服了碳納米管具有較大的接觸電阻，難以逾越的手性控制、金屬型和半導(dǎo)體型分離以及催化劑雜質(zhì)等諸多缺點(diǎn)，更容易與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝技術(shù)相兼容，為制備碳基納米器件帶來了很大的靈活性，被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界認(rèn)為是post-CMOS時代微電子技術(shù)取代硅，克服目前電子器件越來越小所遇到的尺寸極限效應(yīng)的技術(shù)瓶頸最有希望的候選材料。石墨烯由于其優(yōu)異的電學(xué)特性，引起了廣泛關(guān)注，繼而制備石墨烯的新方法層出不窮，但使用最多的主要有化學(xué)氣相沉積法和熱分解SiC法兩種?；瘜W(xué)氣相沉積法，是制備半導(dǎo)體薄膜材料應(yīng)用最廣泛的一種大規(guī)模工業(yè)化方法，它是利用甲烷、乙烯等含碳化合物作為碳源，通過其在基體表面的高溫分解生長石墨烯，最后用化學(xué)腐蝕法去除金屬基底后即可得到獨(dú)立的石墨烯片。通過選擇基底的類型、生長的溫度、前驅(qū)體的流量等參數(shù)可調(diào)控石墨烯的生長，如生長速率、厚度、面積等，此方法的缺點(diǎn)是制備工藝復(fù)雜，能源消耗大，成本較高，精確控制較差，而且獲得的石墨烯片層與襯底相互作用強(qiáng)，喪失了許多單層石墨烯的性質(zhì)，且石墨烯的連續(xù)性不是很好。熱分解SiC法，是通過高溫加熱使得SiC襯底表面碳硅鍵斷裂，使SiC表面上的Si原子升華，剩余C原子在原襯底表面重構(gòu)，形成石墨烯。然而，SiC熱分解時溫度較高，并且生長出來的石墨烯呈島狀分布，孔隙多，而且做器件時由于光刻，干法刻蝕等會使石墨烯的電子遷移率降低，從而影響了器件性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，以有選擇性地生長石墨烯納米帶，提高石墨烯納米帶表面光滑度和連續(xù)性，同時避免在后序制作器件時對石墨烯進(jìn)行刻蝕的工藝過程，而導(dǎo)致電子遷移率降低的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的制備方法包括以下步驟( I)對4-12英寸的Si襯底基片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗；
(2)將清洗后的Si襯底基片放入CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對反應(yīng)室抽真空達(dá)到10_7mbar級別；(3)在H2保護(hù)的情況下將反應(yīng)室逐步升至碳化溫度1000°C -1200°c，通入流量為30ml/min的C3H8,對襯底進(jìn)行碳化4_8min,生長一層碳化層；(4)將反應(yīng)室迅速升溫至1200°C -1350°C后，通入30_60min的C3H8和SiH4,再在H2保護(hù)下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC外延薄膜的生長；(5)制作由隔離帶和離子注入帶組成的掩膜板，隔離帶寬度100_200nm，離子注入帶寬度50-200nm ；(6)利用掩膜板對生長后的3C_SiC樣片在離子注入帶內(nèi)注入能量為15_45keV，劑量為5 X IO14 5 X IO16CnT2的C離子；(7)將注入C離子后的3C_SiC樣片放入外延爐中，調(diào)節(jié)外延爐中壓強(qiáng)為0. 5 I X KT6Torr,再向爐中通入流速為500-800ml/min的Ar氣，并將外延爐加熱至1200-1300°C，恒溫保持30-90min，離子注入帶區(qū)域的3C_SiC熱解生成碳膜；(8)將生成的碳膜樣片置于Cu膜上，再將它們一同置于流速為20-100ml/min的Ar氣中，加熱至900-1200°C下退火10-20min,使碳膜重構(gòu)成石墨烯納米帶,最后取開Cu膜，在外延3C-SiC上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)I.本發(fā)明由于在生長3C_SiC時先在Si襯底上成長一層碳化層作為過渡，然后再生長3C-SiC，因而生長的3C-SiC質(zhì)量高。2.本發(fā)明由于3C_SiC可異質(zhì)外延生長在Si圓片上，因而生長成本低。3.本發(fā)明由于先在Si樣品上外延一層3C_SiC，再在3C_SiC樣品的離子注入帶中注入了 C離子，注入帶寬度與需要制作器件的寬度相同，即石墨烯納米帶的寬度與需要制作器件的寬度相等，避免了在后序制作器件時由于要對石墨烯進(jìn)行刻蝕而導(dǎo)致電子遷移率降低的問題。4.本發(fā)明由于利用在Cu膜上退火，因而生成的碳膜更容易重構(gòu)形成連續(xù)性較好，表面光滑的石墨烯納米帶。


圖I是本發(fā)明制備石墨烯的流程圖。
具體實(shí)施例方式參照圖I，本發(fā)明的制作方法給出如下三種實(shí)施例。實(shí)施例I步驟I:去除樣品表面污染物。對4英寸的Si襯底基片進(jìn)行表面清潔處理，即先使用NH40H+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機(jī)殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟2 :將Si襯底基片放入CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對反應(yīng)室抽真空達(dá)到10_7mbar級別。
步驟3:生長碳化層。在H2保護(hù)的情況下將反應(yīng)室溫度逐步升至碳化溫度1000°C，然后向反應(yīng)室通入流量為30ml/min的C3H8，持續(xù)時間為8min，在Si襯底上生長一層碳化層。步驟4 :在碳化層上生長3C_SiC外延薄膜。將反應(yīng)室迅速升溫至1200°C后，通入流量分別為20ml/min和40ml/min的SiHjPC3H8,持續(xù)時間為60min ;然后在H2保護(hù)下逐步降溫至室溫，完成3C_SiC外延薄膜的生長。步驟5 :根據(jù)器件的寬度制作由隔離帶和離子注入帶相互交替組成的掩膜板，隔尚帶覽度lOOnm，尚子注入帶覽度200nm，該尚子注入帶覽與器件的覽度相冋。 步驟6 :利用掩膜板在生長好的3C_SiC外延薄膜樣片中的離子注入帶內(nèi)注入能量為15keV，劑量為5 X IO14CnT2的C離子。步驟7 3C-SiC熱解生成碳膜。將注入C離子后的3C_SiC樣片放入外延爐中，外延爐中壓強(qiáng)為0. 5 X 10_6Torr，并向其中通入流速為500ml/min的Ar氣，再加熱至1200°C，恒溫保持90min，使離子注入帶區(qū)域的3C-SiC熱解生成碳膜。步驟8 :碳膜重構(gòu)成石墨烯納米帶。(8. I)將生成的碳膜樣片從外延爐中取出，將其碳膜置于250nm的Cu膜上；(8. 2)將碳膜樣片和Cu膜整體置于流速為20ml/min的Ar氣中，在溫度為900°C下退火20min，通過金屬Cu的催化作用使碳膜重構(gòu)成石墨烯納米帶；(8. 3)最后取開Cu膜，在3C_SiC上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。實(shí)施例2步驟一去除樣品表面污染物。對8英寸的Si襯底基片進(jìn)行表面清潔處理，即先使用NH40H+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機(jī)殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟二 將Si襯底基片放入CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對反應(yīng)室抽真空達(dá)到10_7mbar級別。步驟三生長碳化層。在H2保護(hù)的情況下將反應(yīng)室溫度逐步升至碳化溫度1100°C，然后向反應(yīng)室通入流量為30ml/min的C3H8，持續(xù)時間為6min，在Si襯底上生長一層碳化層。步驟四在碳化層上生長3C_SiC外延薄膜。將反應(yīng)室迅速升溫至1300°C后，通入流量分別為30ml/min和60ml/min的SiHjPC3H8,持續(xù)時間為45min ;然后在H2保護(hù)下逐步降溫至室溫，完成3C_SiC外延薄膜的生長。步驟五根據(jù)器件的寬度制作由隔離帶和離子注入帶相互交替組成的掩膜板，隔尚帶覽度150nm，尚子注入帶覽度lOOnm，該尚子注入帶覽與器件的覽度相冋。步驟六利用掩膜板對3C_SiC樣片的離子注入帶內(nèi)進(jìn)行C離子注入。在生長好的3C_SiC外延薄膜樣片中的離子注入帶內(nèi)注入能量為30keV，劑量為5 X 1015cm_2 的 C 離子；步驟七3C_SiC熱解生成碳膜。
將注入C離子后的3C_SiC樣片放入外延爐中，外延爐中壓強(qiáng)為0. 8 X 10_6Torr，并向其中通入流速為600ml/min的Ar氣，再加熱至1250°C，恒溫保持60min，使離子注入帶區(qū)域的3C-SiC熱解生成碳膜。步驟八碳膜重構(gòu)成石墨烯納米帶。將生成的碳膜樣片從外延爐中取出并置于280nm的Cu膜上，再將它們一同置于流速為60ml/min的Ar氣中，溫度為1000°C下退火15min,通過金屬Cu的催化作用使碳膜重構(gòu)成石墨烯納米帶，最后取開Cu膜,在3C-SiC上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。實(shí)施例3步驟A :對12英寸的Si襯底基片進(jìn)行表面清潔處理，即先使用NH40H+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機(jī)殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟B :將Si襯底基片放入CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對反應(yīng)室抽真空達(dá)到10_7mbar級別。步驟C :在H2保護(hù)的情況下將反應(yīng)室溫度逐步升至碳化溫度1200°C，然后向反應(yīng)室通入流量為30ml/min的C3H8，持續(xù)時間為4min，在Si襯底上生長一層碳化層。步驟D :將反應(yīng)室迅速升溫至1350°C后，通入流量分別為35ml/min和70ml/min的SiH4和C3H8,持續(xù)時間為30min ;然后在H2保護(hù)下逐步降溫至室溫，完成3C_SiC外延薄膜的生長。步驟E :根據(jù)器件的寬度制作由隔離帶和離子注入帶相互交替組成的掩膜板，隔尚帶覽度200nm，尚子注入帶覽度50nm，該尚子注入帶覽與器件的覽度相冋。步驟F :利用掩膜板在生長好的3C_SiC外延薄膜樣片中的離子注入內(nèi)注入能量為45keV，劑量為5 X IO16CnT2的C離子。步驟G :將注入C離子后的3C_SiC樣片放入外延爐中，外延爐中壓強(qiáng)為I X KT6Torr,并向其中通入流速為800ml/min的Ar氣，再加熱至1300°C,恒溫保持30min,使離子注入帶區(qū)域的3C-SiC熱解生成碳膜。步驟H :將生成的碳膜樣片從外延爐中取出并置于300nm的Cu膜上，再將它們一同置于流速為100ml/min的Ar氣中,溫度為1200°C下退火IOmin,通過金屬Cu的催化作用 使碳膜重構(gòu)成石墨烯納米帶，最后取開Cu膜,在3C-SiC上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。
權(quán)利要求
1.一種基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，包括以下步驟 (1)對4-12英寸的Si襯底基片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗； (2)將清洗后的Si襯底基片放入CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對反應(yīng)室抽真空達(dá)到10_7mbar級別； (3)在H2保護(hù)的情況下將反應(yīng)室逐步升至碳化溫度1000°C-1200°C，通入流量為30ml/min的C3H8,對襯底進(jìn)行碳化4_8min,生長一層碳化層； (4)將反應(yīng)室迅速升溫至1200°C-1350°C后，通入30-60min的C3H8和SiH4,再在H2保護(hù)下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC外延薄膜的生長； (5)制作由隔離帶和離子注入帶組成的掩膜板，隔離帶寬度100-200nm，離子注入帶寬度 50-200nm ； (6)利用掩膜板對生長后的3C-SiC樣片在離子注入帶內(nèi)注入能量為15-45keV，劑量為5 X IO14 5 X IO16CnT2 的 C 離子； (7)將注入C離子后的3C-SiC樣片放入外延爐中，調(diào)節(jié)外延爐中壓強(qiáng)為0.5 I X KT6Torr,再向爐中通入流速為500-800ml/min的Ar氣，并將外延爐加熱至1200-1300°C，恒溫保持30-90min，離子注入帶區(qū)域的3C_SiC熱解生成碳膜； (8)將生成的碳膜樣片置于Cu膜上，再將它們一同置于流速為20-100ml/min的Ar氣中，加熱至900-1200°C下退火10-20min,使碳膜重構(gòu)成石墨烯納米帶,最后取開Cu膜,在外延3C-SiC上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(I)對Si樣片進(jìn)行清洗，是先使用NH40H+H202試劑浸泡Si樣片10分鐘，取出后烘干，以去除樣片表面有機(jī)殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣片10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(4)通入的SiH4和C3H8，其流量分別為20-35ml/min和40_70ml/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(5)中的注入帶寬度與需要制作器件的寬度相同，即石墨烯納米帶的寬度與需要制作器件的寬度相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(8)中的Cu膜厚度為250-300nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法。其實(shí)現(xiàn)步驟是(1)在清洗后的Si襯底基片上生長一層碳化層；(2)在溫度為1200℃-1350℃下進(jìn)行3C-SiC異質(zhì)外延薄膜的生長；(3)制作由100-200nm的隔離帶和50-200nm的離子注入帶組成的掩膜板；(4)對3C-SiC樣片中離子注入帶區(qū)域注入C離子；(5)將3C-SiC樣片置于外延爐中，加熱至1200-1300℃，恒溫保持30-90min,離子注入帶區(qū)域的3C-SiC熱解生成碳膜；(6)將生成的碳膜樣片置于Cu膜上，并將它們一同置于Ar氣中，在溫度為900-1200℃下退火10-20min生成石墨烯納米帶。本發(fā)明成本低，安全性高，3C-SiC熱解溫度較低，且生成的石墨烯納米帶表面光滑，連續(xù)性好，可用于制作微電子器件。
文檔編號C30B29/02GK102674318SQ201210176499
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者張克基, 張玉明, 湯曉燕, 趙艷黎, 郭輝 申請人:西安電子科技大學(xué)