[发明专利]利用锌种子层在石墨烯上生长高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，具体涉及一种石墨烯上生长高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的化学性质不活泼，使得淀积高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。作为在石墨烯表面生长高k介质方法中的一种，先淀积一层金属种子层在石墨烯表面，再进行原子层沉积，可以做到高k介质的生长，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适用于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，具体步骤包括：

提供需要生长高k介质的石墨烯薄膜；

采用等离子辅助电子束蒸发技术或磁控溅射技术，在石墨烯薄膜上制备锌薄膜，得到锌种子层，控制锌种子层的厚度在1 nm-3nm； 

将经上述步骤处理的样品置于氧气环境中，温度为100℃-200℃，时间为30-60 分钟，使锌种子层充分被氧化，形成缓冲层； 

利用原子层沉积方法在上述样品上生长高k介质，沉积温度控制为100℃-200℃。

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是生长或者转移在具有一定厚度的绝缘衬底上。通过等离子辅助的电子束蒸发技术在样品表面生长一层超薄的高纯锌膜，控制锌种子层的厚度在1 nm-3nm。之后将样品暴露在氧气氛围中，在样品表面的锌种子层充分被氧化之后，通过原子层沉积的方法在涂有缓冲层的样品上生长高k介质。

本发明采用在石墨烯表面生长锌种子层的方法，通过原子层淀积，可以实现石墨烯上高k介质的生长。利用高纯锌的种子层作为缓冲层是一种新颖的便捷的在石墨烯上生长高k介质的方法，由此方法制备的高k介质具有很好的均匀性，它大大简化了在石墨烯上高k介质的制备，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3为本发明提供的氧化物缓冲层的形成过程示意图。

图4为本发明提供的生长缓冲层后的高k介质生长示意图。

图5为本发明方法的流程图。

具体实施方式

本发明所提出的使用在石墨烯表面生长薄的锌膜作为种子层实现原子层沉积高k介质比较稳定和可靠的，可以被当作一种常规手段来完成石墨烯上的高k介质生长。以下所述的是采用本发明所提出的使用在石墨烯表面生长薄的锌膜作为种子层实现原子层沉积高k介质的实施例。

在图中，为了方便说明，结构大小和比例并不代表实际尺寸。

首先，首先，在Si衬底101上生长一层SiO₂薄膜102，再将CVD生长的石墨烯薄膜转移到SiO₂表面，形成石墨烯薄膜103，如图2所示。

接下来，采用等离子辅助电子束蒸发技术或磁控溅射技术制备高纯锌薄膜。通过氧等离子体辅助电子束蒸发金属锌至石墨烯样品表面，形成薄层的金属种子层104，厚度控制在1 nm-2nm，如图3所示。

接下来，将样品置于氧气的氛围中，温度为100℃-200℃，时间30-60 分钟，使得样品表面的锌薄膜层充分被氧化。一般温度在120--150℃，时间35—45分钟即可。