[发明专利]基于C注入的Cu膜辅助退火石墨烯纳米带制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种半导体薄膜材料及其制备方法，具体地说是基于C注入的Cu膜辅助退火石墨烯纳米带制备方法，用于制作微电子器件。

技术背景

以集成电路为标志的基于硅材料的微细加工技术造就了当代信息社会。但是，随着现代精细加工技术水平的日益提高，器件的特征尺寸逐渐接近于纳米量级，工作频率越来越高，这导致硅技术受制造工艺限制的趋势逐渐明显。一般认为，硅材料的加工极限是10nm线宽。由于量子尺寸效应的制约，线宽小于10nm就不太可能制造出电学性能稳定、集成度更高的产品。因此，以硅为核心的传统微电子器件将面临无法避免的困境，人们寄希望于碳基材料的电子学。

Graphene是被人们看好的另一种碳基材料，它不仅具有比碳纳米管更为优越的性质，而且还克服了碳纳米管具有较大的接触电阻，难以逾越的手性控制、金属型和半导体型分离以及催化剂杂质等诸多缺点，更容易与现有的半导体工艺技术相兼容，为制备碳基纳米器件带来了很大的灵活性，被学术界和工业界认为是post-CMOS时代微电子技术取代硅，克服目前电子器件越来越小所遇到的尺寸极限效应的技术瓶颈最有希望的候选材料。

石墨烯由于其优异的电学特性，引起了广泛关注，继而制备石墨烯的新方法层出不穷，但使用最多的主要有化学气相沉积法和热分解SiC法两种。

化学气相沉积法，是制备半导体薄膜材料应用最广泛的一种大规模工业化方法,它是利用甲烷、乙烯等含碳化合物作为碳源，通过其在基体表面的高温分解生长石墨烯,最后用化学腐蚀法去除金属基底后即可得到独立的石墨烯片。通过选择基底的类型、生长的温度、前驱体的流量等参数可调控石墨烯的生长，如生长速率、厚度、面积等，此方法的缺点是制备工艺复杂，能源消耗大，成本较高，精确控制较差，而且获得的石墨烯片层与衬底相互作用强，丧失了许多单层石墨烯的性质，且石墨烯的连续性不是很好。

热分解SiC法，是通过高温加热使得SiC衬底表面碳硅键断裂，使SiC表面上的Si原子升华，剩余C原子在原衬底表面重构，形成石墨烯。然而，SiC热分解时温度较高，并且生长出来的石墨烯呈岛状分布，孔隙多，而且做器件时由于光刻，干法刻蚀等会使石墨烯的电子迁移率降低，从而影响了器件性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于C注入的Cu膜辅助退火石墨烯纳米带制备方法，以有选择性地生长石墨烯纳米带，提高石墨烯纳米带表面光滑度和连续性，同时避免在后序制作器件时对石墨烯进行刻蚀的工艺过程，而导致电子迁移率降低的问题。

为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤：

（1）对4-12英寸的Si衬底基片进行标准清洗；

（2）将清洗后的Si衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10^-7mbar级别；

（3）在H₂保护的情况下将反应室逐步升至碳化温度1000℃-1200℃，通入流量为30ml/min的C₃H₈，对衬底进行碳化4-8min，生长一层碳化层；

（4）将反应室迅速升温至1200℃-1350℃后，通入30-60min的C₃H₈和SiH₄，再在H₂保护下逐步降温至室温，完成3C-SiC外延薄膜的生长；

（5）制作由隔离带和离子注入带组成的掩膜板，隔离带宽度100-200nm，离子注入带宽度50-200nm；

（6）利用掩膜板对生长后的3C-SiC样片在离子注入带内注入能量为15-45keV，剂量为5×10¹⁴~5×10¹⁶cm^-2的C离子；

（7）将注入C离子后的3C-SiC样片放入外延炉中，调节外延炉中压强为0.5~1×10^-6Torr，再向炉中通入流速为500-800ml/min的Ar气，并将外延炉加热至1200-1300℃，恒温保持30-90min，离子注入带区域的3C-SiC热解生成碳膜；

（8）将生成的碳膜样片置于Cu膜上，再将它们一同置于流速为20-100ml/min的Ar气中，加热至900-1200℃下退火10-20min，使碳膜重构成石墨烯纳米带，最后取开Cu膜，在外延3C-SiC上得到隔离带和石墨烯纳米带相互交替组成的纳米材料。

本发明与现有技术相比具有如下优点：