[发明专利]一种碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于碳材料的半导体器件制备工艺，特别涉及一种碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法，属于纳电子学技术领域。

背景技术

以碳材料为基的纳米电子学，尤其是以碳纳米管(Carbon Nanotube)和石墨烯(Graphene)为基的纳米电子学，被认为具有极大的应用前景，极富潜力可替代硅基材料。自从1991年碳纳米管和2004年石墨烯被成功研制以来，碳基电子学取得了巨大发展。基于碳基的电子学具有尺寸小、速度快、功耗低、工艺简单等特点，受到人们越来越广泛的关注。

对于碳基半导体器件而言，由于导电碳材料只有一个或几个原子层厚度，所以其有一个重要的特点，即导电碳材料对与其接触的表面，包括衬底表面和介质表面，非常敏感。器件制备工艺中，需要把碳材料转移到目标衬底表面，而衬底的表面状况则会影响碳材料的表面态，在碳材料中引入新的散射机制，造成碳材料载流子迁移率的显著下降，和器件性能退化。

现有的碳基半导体器件工艺中，只对衬底进行常规清洗，无法有效修饰衬底表面。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法，以解决转移到目标衬底表面的碳基材料载流子迁移率的下降和器件性能退化的问题。其中所述碳基半导体器件主要是指以碳纳米管和石墨烯作为导电通道的器件。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种碳基半导体器件制备工艺中对衬底进行预处理的方法，该方法是以苯并环丁烯(BCB)有机膜层来钝化、修饰衬底表面，实现对衬底表面的预处理，该方法包括以下步骤：

步骤1：将清洗后的衬底放入烘箱内80℃～200℃干燥处理5分钟～60分钟；

步骤2：配制苯并环丁烯(BCB)溶液，利用有机溶液对BCB溶液进行稀释，通过匀胶机将稀释后的BCB溶液旋涂在衬底表面；

步骤3：在N₂或者惰性气体的保护下，将表面旋涂BCB溶液后的衬底加热至200℃～400℃，使苯并环丁烯单体发生交联反应生成苯并环丁烯聚合体，从而在衬底表面形成BCB有机膜层。

上述方案中，步骤2中所述对BCB溶液进行稀释的有机溶液为1，3，5-三甲基苯、癸烷、1-丁醇、甲苯、丙二醇甲醚乙酸酯或N-甲基吡咯烷酮。

上述方案中，步骤3中所述加热的温度越低，需要加热的时间就越长，加热的温度越高，需要加热的时间就越短，当加热温度大于或者等于200℃且小于270℃时，在该加热温度处恒温保持15分钟～180分钟后，再自然冷却至常温；当加热温度大于或者等于270℃且小于400℃时，于5秒～1分钟的时间内进行快速热退火。

上述方案中，所述对衬底加热并退火是在N₂保护下进行，采用热板加热、烘箱加热或管式炉加热，退火温度在200～400摄氏度，退火时间在5秒～3小时。

上述方案中，步骤3中所述BCB有机膜层的厚度为5nm～50nm。

上述方案中，步骤3中所述在衬底表面形成BCB有机膜层之后，再转移碳纳米管或石墨烯到衬底表面。

(三)有益效果

本发明是为了解决转移到目标衬底表面的碳基材料载流子迁移率的下降和器件性能退化的问题。在碳基半导体器件制备中常规衬底清洗工艺之外，创造性地提出了一种对衬底进行预处理方法，为碳基高性能器件的实现提供了一个解决方案，满足了碳基规模化集成电路的需求。具体而言，使用BCB有机膜层对原衬底进行表面预处理，其主要优势体现在：

1、以BCB有机膜层来钝化、修饰衬底表面，能减小由于衬底表面极性散射、表面坑洼起伏、杂质吸附等原因而造成的碳基材料性能下降，尤其是载流子迁移率的下降

2、BCB作为一种有机物，直接与碳基材料相接触，不会引起材料迁移率的显著下降，不会引起器件性能的下降。

3、BCB作为一种有机介质层，可以通过控制与溶剂的稀释比例和旋涂的速度、时间来控制介质层厚度，工艺简单、重复性好。

附图说明

图1是在加热交联前后，BCB有机介质的分子结构式变化。

图2是本发明提供的使用BCB有机介质对原衬底进行表面预处理的流程图。

图3是依照本发明实施例的石墨烯场效应晶体管器件的背栅转移特性(I_ds-V_g)曲线。

具体实施方式