[发明专利]在4H/6H-SiC硅面外延生长晶圆级石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料的制作，具体地说是在4H/6H-SiC(0001)硅面外延生长晶圆级石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是由单层sp²碳原子组成的六角平面晶格结构的材料，它有着卓越的物理学性质，主要表现在以下诸方面：(1)双极性电场效应强：仅施加一个外电场，其电荷载流子密度就能够连续的从n型转变为p型；(2)在Dirac点附近，电子和空穴表现出如同光子的线性色散的关系，在低温下，电子和空穴的速度接近光在真空速度的三百分之一；(3)室温下，石墨烯电子和空穴的迁移率达到2×10⁴cm²/V·s，其数值高于硅的10倍，可以说是目前最快的半导体；(4)带隙可调。带隙取决于石墨烯带的几何宽度和方向；(5)厚度薄：它是碳原子的单层平面材料，厚度只有一个原子的尺寸，是人类目前发现的最薄的材料；(6)硬度高：由sp²杂化形成的平面六角结构，稳定性高，1060GPa的杨氏模量，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁高100倍；(7)密度小：密度仅为2.2g/cm³；(8)热传导性能良好，其热传导系数达到5000W/m·K。总之，石墨烯是一种以碳原子为基础的纳米级超薄材料，它的优点在于它优越的强度和很高的迁移率，同时具有非凡的电子学、热力学和力学性能。

石墨烯具有非常令人惊奇和新颖的物理化学性质，被人们认为是post-CMOS时代微电子技术取代硅最有希望的候选材料。这就要求高质量的厚度可控以及特定晶向的石墨烯晶圆被放量的制造出来。在SiC衬底上外延生长石墨烯的方法被认为是最有潜力和希望，突破Si技术发展瓶颈的方法。其形成机理如下，在高真空环境下中加热4H-SiC/6H-SiC的碳面(0001)面或者硅面(0001)面至1600℃左右，待硅原子充分升华后，表面就留下无定形碳原子层。保持该温度，这些碳原子会以sp²方式在SiC衬底表面重构形成石墨烯。使用这种外延生长法，虽然可以得到质量较高，尺寸较大的石墨烯，但却存在诸多因素，使得生长的石墨烯面积太小，均匀性不高等问题。这些因素主要包括：衬底材料4H/6H-SiC，衬底材料的硅面或者碳面，外延生长工艺参数包括温度、压力、时间等因素。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术的不足，提出一种在4H/6H-SiC硅面外延生长晶圆级石墨烯的方法，以增大外延石墨烯的面积和均匀性，提高石墨烯材料的性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

1)对4H/6H-SiC(0001)硅面进行表面清洁处理；

2)将清洁处理后的4H/6H-SiC样品放置在CVD炉腔中，通入流量为80～100l/min的氢气，升温至1550～1650℃，在压力为90～110mbar下保持80～100分钟，完成氢刻蚀过程，以去除样品表面划痕，形成规则的台阶状条纹；

3)将氢刻蚀后的4H/6H-SiC样品，在CVD炉腔中降温至950～1050℃，通入流量为15～25l/min的氢气，保持6～10分钟；继续降温至840～860℃，通入流量为0.5ml/min的硅烷，保持5～15分钟，以去除由于氢刻蚀所产生的表面氧化物；

4)将去除表面氧化物的4H/6H-SiC样品，在CVD炉腔中，继续通入流量为1～3l/min，压力为2～6mbar的氩气，升温至1590～1610℃，持续80～120分钟，完成晶圆级外延石墨烯的生长。

本发明的优选方案，包括如下过程：

(1)对4H/6H-SiC(0001)硅面进行表面清洁处理；

(2)将清洁处理后的4H/6H-SiC样品放置在CVD炉腔中，通入流量为90l/min的氢气，升温至1600℃，在压力为100mbar下保持90分钟，完成氢刻蚀过程，以去除样品表面划痕，形成规则的台阶状条纹；

(3)将氢刻蚀后的4H/6H-SiC样品，在CVD炉腔中降温至1000℃，通入流量为20l/min的氢气，保持8分钟；再继续降温至850℃，通入流量为0.5ml/min的硅烷，保持10分钟，以去除由于氢刻蚀所产生的表面氧化物；

(4)将去除表面氧化物的4H/6H-SiC样品，在CVD炉腔中，继续通入流量为2l/min，压力为4mbar的氩气，升温至1600℃，持续100分钟，完成晶圆级外延石墨烯的生长。