[发明专利]一种快速无损测量石墨烯薄膜厚度与能带结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量石墨烯薄膜厚度与能带结构的方法，具体涉及一种在22纳米后大规模集成电路制造中应用的快速无损测量石墨烯薄膜能带结构的方法，属于半导体集成电路制造技术领域。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，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。国际半导体发展路线图ITRS已经规划16纳米特征尺寸技术中的MOSFET材料与工艺，其中MOSFET中最重要的是栅极氧化物层的选择与控制，例如TiO₂、掺铝氧化钛、氧化铪、氧化锆等，然而如何对超薄膜（物理厚度<10纳米)进行无损快速品质评估特别是能带结构的测量是一个重要问题。

基于光学方法结合物理计算建立一种快速无损测定超薄膜纳米级别的品质评估办法是提高22纳米后大规模集成电路工艺良率的重要因素之一。

发明内容

本发明的目的在于提出适应面宽、测量精度高的快速无损测量石墨烯薄膜厚度与能带结构的方法，以解决调节能隙过程中的能带结构测量与厚度拟合。

本发明提出的快速无损测量石墨烯薄膜厚度与能隙的方法，是基于光学方法结合物理计算而建立的，具体步骤包括：

提供需要测量的石墨烯薄膜；

利用椭圆偏振技术得到所述石墨烯薄膜的椭偏数据；

根据所述石墨烯薄膜的结构建立合适的理论模型；

在所建立的理论模型基础上对所得到的椭偏数据进行分析和拟合，得到所述石墨烯薄膜的能带结构分析。

进一步地，所述的石墨烯薄为若干层还原的氧化石墨烯薄膜（FRGO）、GO等超薄薄膜。所述的理论模型为Lorentz振子模型。

本发明在密度泛函（DFT）模拟计算的理论基础上，选用合适的模型（例如Lorentz振子模型），用椭圆偏振光谱法对超薄石墨烯薄膜中的缺陷能级进行探测，提供了一种非破坏性和非接触式探测研究石墨烯薄膜能带结构渐变的方法。非破坏性和非接触式光学探测可以突破目前所有工艺条件限制，并且可以直接集成在石墨烯薄膜生长设备例如ALD或者CVD上，进而可以原位监视和控制能隙大小。

本发明大大简化了以往石墨烯薄膜能隙变化测试的复杂性、降低了利用其它技术工艺实施的困难程度，比较其它技术手段可以显著增加检测速度，在22纳米后大规模集成电路制造中具有重要应用价值。

附图说明

图1为椭偏所测石墨烯薄膜的结构。

图2（a）（c）为GO和FRGO薄膜的椭偏参数的实验（实线）和拟合曲线，（b）（d）为GO和FRGO的拟合所得的折射率n和消光系数k。

图3为（a）（c）为GO和FRGO薄膜的椭偏参数的实验和拟合曲线（点），（b）（d）为GO和FRGO的拟合所得的折射率n和消光系数k。

图4为氧化石墨烯还原过程中的能带结构的变化图标。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明所提出的测量石墨烯薄膜能隙渐变的方法可以适用于FRGO、GO等石墨烯薄膜电子能隙的测量，以下所叙述的是以GO薄膜被还原前后的能隙改变的探测为实施例的工艺流程。

首先，在硅衬底101上生长一层SiO₂薄膜102，再将GO或者FRGO转移到SiO₂上，生成薄膜103，如图1所示。

接下来，利用椭圆偏振技术得到GO和FRGO薄膜的椭偏数据，GO和FRGO薄膜的光谱如图2(a)(c)中的实线部分所示。

接下来，建立理论模型，这里我们使用经典的Lorentz振子模型来进行分析。用Lorentz振子所描述的复介电常数可表示为：