[发明专利]一种于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制备领域，特别是涉及一种于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法。

背景技术

根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。利用尺寸不断减小的硅基半导体材料（硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽）来延长摩尔定律的发展道路已逐渐接近终点。随着微电子领域器件尺寸的不断减小，硅材料逐渐接近其加工的极限。

为延长摩尔定律的寿命，国际半导体工业界纷纷提出超越硅技术（Beyond Silicon），其中最有希望的石墨烯应运而生。石墨烯（Graphene）作为一种新型的二维六方蜂巢结构碳原子晶体，自从2004年被发现以来，在全世界引起了广泛的关注。实验证明石墨烯不仅具有非常出色的力学性能和热稳定性，还具有独特的电学性质。石墨烯是零带隙材料，其电子的有效质量为零，并以10⁶m/s的恒定速率运动，行为与光子相似，由此，石墨的理论电子迁移率高达200000cm²/V·s，实验测得迁移率也超过15000cm²/V·s，是商业硅片中电子迁移率的10倍，并具有常温整数量子霍尔效应等新奇的物理性质。正是其优异的电学性能使发展石墨烯基的晶体管和集成电路成为可能，并有可能完全取代硅成为新一代的主流半导体材料。

作为新型的半导体材料，石墨烯已经被应用于MOS（Metal-Oxide-Semiconductor，金属-氧化物-半导体）场效应晶体管中。为制造高性能的石墨烯基场效应晶体管（G-FET），必须要在石墨烯表面制备高质量的高k栅介质。研究人员尝试采用物理气相沉积（Physical VaporDeposition，PVD）工艺、原子层淀积（Atomic Layer Deposition，ALD）工艺等方法在石墨烯表面制备高k栅介质薄膜，但这些方法要么会破坏石墨烯晶体结构从而降低石墨烯的电学性能，要么很难在石墨烯表面成核生长出均匀、平整的高k介质层，目前尚没有一种可控的、重复性好、能满足工艺应用需求的工艺或方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法，用于解决现有技术中难以在石墨烯表面成核生长出均匀、平整的高k介质层的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法，至少包括以下步骤：

1）提供石墨烯，将所述石墨烯置于氧化物分子束外延室，并使所述氧化物分子束外延室保持预设的气压及预设的温度；

2）向所述氧化物分子束外延室通入金属蒸气束流与氧化剂气流，使其于所述石墨烯表面反应并沉积形成金属氧化物薄膜。

在本发明的于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法步骤1）中，所述预设的气压为10^-8~10^-9帕斯卡，所述预设的温度为25℃~400℃。

在本发明的于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法中，所述金属蒸汽束流为包括Al的ⅢA族金属、包括La、Gd、Pr的ⅢB族金属、包括Hf、Zr、TiⅣB族过渡金属的一种或一种以上，金属束流分压为10^-5~10^-4帕斯卡，所述氧化剂气流为O₂、O₃、NO₂的一种或一种以上，氧化剂分压为10^-5~10^-4帕斯卡。

在本发明的于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法中，所述金属氧化物薄膜为包括Al₂O₃的ⅢA族金属氧化物、包括La₂O₃、Gd₂O₃、Pr₂O₃的ⅢB族稀土氧化物、包括TiO₂、ZrO₂、HfO₂的ⅣB族过渡金属氧化物中的其中一种、或者它们的二元及二元以上的氧化物中的任一种。

在本发明的于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法步骤2）中，通入金属蒸气束流与氧化剂气流后，所述氧化物分子束外延室内的气压保持在10^-5~10^-6帕斯卡。

本发明还提供一种于石墨烯表面制备高k栅介质薄膜的方法，至少包括以下步骤：