[发明专利]利用石墨烯带电在石墨烯上生长高K介质的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳基集成电路制造技术领域，具体涉及一种在石墨烯上生长高K介质的方法。

使石墨烯上带电，利用石墨烯上电荷形成极化陷阱，极化陷阱可以物理吸附水分子，这些物理吸附的水分子可以提供足够成核位点，之后利用原子层沉积的方法生长高K介质的方法。

背景技术

在半导体制造领域，摩尔定律的不断延展与纵深使得硅基集成电路器件尺寸距离其物理极限越来越近。2004年，人们发现了一种新型半导体材料——石墨烯（Graphene）。石墨烯（Graphene）是由单层六角元胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体，是石墨中的一层，图1所示为石墨烯的基本结构示意图。石墨烯具有远比硅高的载流子迁移率，对于零禁带宽度的石墨烯施加电场，进行掺杂或者制备成石墨烯纳米带等处理，可以打开石墨烯的禁带，使得它成为一种性能优异的半导体材料。基于其独特的二维结构和物理特性，石墨烯被认为是下一代集成电路中有望延续摩尔定律的重要材料。

在石墨烯表面淀积超薄的高K介质是制造石墨烯基场效应晶体管的关键。但是由于石墨烯表面没有悬挂键，化学性质不活泼，使得通过原子沉积方法淀积高K介质非常困难。使用原子层沉积的方法生长高K介质之前，必须对石墨烯表面进行活化处理，比如使用二氧化氮或者臭氧等方法对石墨烯表面进行预处理，可采用这种方法会对石墨烯造成损伤，会破坏石墨烯原有的晶格结构，使石墨烯的迁移率大大下降。

本发明采用使石墨烯带电，通过原子层沉积的方法在石墨烯上形成高K介质薄膜。这种方法是引入极化陷阱，通过物理方法吸附水分子，这样不会先破坏石墨烯的晶格结构,不会使石墨烯的性能下降。通过原子层沉积的方法可以在石墨烯上形成均匀连续的高K介质薄膜，这种方法简单方便，易于大面积生产，可以在石墨烯上形成高质量的高K介质薄膜。这是一种有效和新颖的方法，将进一步推动碳基集成电路的发展。

发明内容

本发明的目的在于提出一种破坏石墨烯的晶格结构，简单方便，易于大面积生产的在石墨烯上生长均匀高K介质的方法，这种高K介质的生长方法可以在未来超越硅材料后的碳基大规模集成电路制造中获得全面应用。

本发明提出的石墨烯上生长高K介质的方法，是使石墨烯带电，然后采用原子层沉积方法在石墨烯上形成高K介质薄膜。具体步骤包括：

提供需要生长高K介质的石墨烯样品；

把石墨烯样品放入电场中，通过电荷感应使石墨烯带电；或者在石墨烯上通电，使石墨烯带电；或者用其它方法使石墨烯带电；

在石墨烯样品上通入水蒸气，由于石墨烯带电形成极化陷阱，能物理吸附水分子；

利用原子层沉积方法在样品样品上生长高K介质薄膜。 

进一步地，所述的提供需要生长高K介质的石墨烯薄膜样品应该生长或者转移在具有一定厚度的绝缘衬底上。通过远程电场的作用下，使石墨烯表面由于电荷感应使石墨烯上带有电荷，由于电荷的作用，会在石墨烯的表面上形成极化陷阱，而极化陷阱会物理吸附水分子，这种吸附不会破坏石墨烯的原有晶格结构，吸附的水分子可以成为成核位点，有了成核位点，就可以通过原子层沉积的方法在石墨烯上形成均匀连续的高K介质薄膜。

本发明采用使石墨烯带电，通过电荷的作用，可以物理吸附足够多的水分子，利用水分子提供原子层沉积所需的成核位点，就可以通过原子层沉积的方法在石墨烯上直接生产高K介质薄膜，而不需要利用种子层在石墨烯上形成高K介质薄膜。由于整个过程没有与石墨烯发生化学反应，没有破坏石墨烯的晶格结构，没有像物理淀积金属种子层过程对石墨烯造成损伤。整个过程使引入电荷，引入极化陷阱，通过物理吸附的方法在石墨烯上形成成核位点，十分有效保护了石墨烯结构。这种方法简单方便，与传统加工工艺兼容，易于大面积生产。这种方法可以直接应用在纳米尺度的平面器件制备当中，该方法也可以作为石墨烯基电子器件的基本加工工艺。

附图说明

图1为石墨烯基本结构示意图。

图2至图4本发明提供的物理吸附水分子的形成过程示意图。

图5分别为本发明提供的高K介质形成过程示意图。

图6为本发明操作流程图。

具体实施方式