[发明专利]在石墨烯表面制备栅介质的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及一种在石墨烯表面制备栅介质的方法。

背景技术

根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。利用尺寸不断减小的硅基半导体材料(硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽)来延长摩尔定律的发展道路已逐渐接近终点。随着微电子领域器件尺寸的不断减小，硅材料逐渐接近其加工的极限。

为延长摩尔定律的寿命，国际半导体工业界纷纷提出超越硅技术(Beyond Silicon)，其中最有希望的石墨烯应运而生。石墨烯(Graphene)作为一种新型的二维六方蜂巢结构碳原子晶体，自从2004年被发现以来，在全世界引起了广泛的关注。

石墨烯(Graphene)是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，在二维平面上每个碳原子以sp2杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个σ键，剩余的一个p电子轨邀垂直于石墨烯平面，与周围原子形成π键，碳原子问相互围成正六边形的平面蜂窝形结构，这样在同一原子面上只有两种空间位置相异的原子。实验证明石墨烯不仅具有非常出色的力学性能和热稳定性，还具有独特的电学性质。石墨烯是零带隙材料，其电子的有效质量为零，并以10⁶m/s的恒定速率运动，行为与光子相似，由此，石墨的理论电子迁移率高达200000cm²/V·s，实验测得迁移率也超过15000cm²/V·s，是商业硅片中电子迁移率的10倍，并具有常温整数量子霍尔效应等新奇的物理性质。正是其优异的电学性能使发展石墨烯基的晶体管和集成电路成为可能，并有可能完全取代硅成为新一代的主流半导体材料。

作为新型的半导体材料，石墨烯已经被应用于MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属-氧化物-半导体)场效应晶体管中。为制造高性能的石墨烯基场效应晶体管(G-FET)，必须要在石墨烯表面制备高质量的高k栅介质。采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)工艺可以直接在石墨烯表面沉积栅介质层，但制得栅介质膜的均匀性和覆盖率较差，并且沉积过程中的动能离子不可避免地会破坏石墨烯的结构，产生大量缺陷使石墨烯的电学性能大幅衰退。原子层淀积(Atomic Layer Deposition，ALD)工艺依靠交替重复的自限制反应生长薄膜，能精确地控制薄膜的厚度和化学组分，因而淀积的薄膜杂质少、质量高并且具有很好的均匀性和保形性，被认为是最有可能制备高质量高k介质层的方法。但由于石墨烯表面呈疏水性并且缺乏薄膜生长所需的悬挂键，因而采用常规水基(H₂O-based)ALD生长工艺很难在未经功能化处理的石墨烯表面成核生长均匀的超薄高k介质层。而如果采用臭氧基(O₃-based)ALD工艺虽然可以在石墨烯上制备出高k介质层，但实验证明O₃会破坏石墨烯的C-C键，引入大量C-O键，从而破坏石墨烯晶体结构，会降低石墨烯基场效应晶体管的性能。这样，如何在不破坏石墨烯结构，不影响其电学性能的前提下，在石墨烯表面制备高质量的氧化物栅介质是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在石墨烯表面制备栅介质的方法，用于解决现有技术中在石墨烯表面制备的高k栅介质层的均匀性和覆盖率较差或者破坏石墨烯晶体结构以及含有较多杂质等问题。

本发明在一方面提供一种在石墨烯表面制备栅介质的方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上生成有石墨烯层；利用在反应温度条件下在所述石墨烯层表面物理吸附的水作为氧化剂而与金属源反应生成金属氧化物薄膜，作为高k栅介质层；所述金属氧化物薄膜为包括Al₂O₃的IIIA族金属氧化物、包括La₂O₃、Gd₂O₃、Pr₂O₃的IIIB族稀土氧化物、包括TiO₂、ZrO₂、HfO₂的IVB族过渡金属氧化物中的其中一种、或者它们的二元及二元以上的氧化物中的任一种。

可选地，所述半导体衬底上生成有石墨烯层包括：将未经功能化处理的石墨烯样品转移到所述半导体衬底上。