[发明专利]基于MOCVD设备的圆片级石墨烯可控外延方法

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造方法，特别是一种基于有机金属源化学气相沉积MOCVD设备的石墨烯可控外延方法，可用于大面积圆片级石墨烯材料的制备。

技术背景

随着集成电路的发展，目前硅（Si）基器件的关键尺寸已经达到理论和技术极限，量子效应已经成为主要机制，传统的基于扩散-漂移理论的Si基器件受到物理和技术双重限制，无法继续承担延续摩尔定律的重任，因此，必须寻找新一代基础半导体材料，发展新的理论和器件模型，以满足集成电路继续发展的需要。

石墨烯材料是一种碳基二维晶体，是目前已知最轻最薄的材料，其厚度仅为原子尺度，它具有极其优异的物理化学性质，比如载流子迁移率的理论估计超过200000cm²V^-1s^-1，是Si的数百倍；并且机械性能很高，杨氏模量约1000GP；极高的比表面积和极好的气敏特性，极高的透明性和柔韧性，而且它与衬底不存在失配问题，可以与Si基器件工艺完全兼容，具有突出的产业优势。因此，石墨烯的出现为产业界和科技界带来曙光，它是最被看好的替代Si成为下一代基础半导体材料的新材料。

尽管石墨烯具有如此优异的性质，但是目前仍然存在很多亟待解决的关键问题，例如层数可控性不高，受衬底影响晶体尺寸不大、缺陷高等。这些缺陷有些需要从理论上取得突破，有些需要从技术上突破，而技术的突破则需要探索新的原理、新的模型和新方案。在诸多关键问题中，圆片级石墨烯的可控外延是制约其应用研究的最核心问题之一，只有从理论和技术上实现了大面积、低缺陷、层数可控的石墨烯材料制备，才能为其应用研究提供物质前提。

目前大面积石墨烯制备的方法有多种，其中过渡族金属催化化学气相沉积CVD和碳化硅（SiC）衬底高温热分解被认为是最有希望实现大面积石墨烯可控外延的两种技术。前者基于过渡族金属催化和金属-碳的固溶-析出-重构机制，不受衬底面积限制，可以制备超大面积的石墨烯材料，缺点是可控性较差，且工序复杂，需要通过转移过程将石墨烯转移到适当的衬底上，在转移过程中会引入杂质缺陷，很难保证洁净度；后者基于SiC衬底的分解-Si蒸发-C重构的机制，可以获得结晶性能较好的石墨烯，可是受制于SiC衬底尺寸，获得的石墨烯面积较小，苛刻的工艺条件和昂贵的设备，

使得石墨烯的生长成本增加，并且这种方法不能与现有Si工艺兼容。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有外延技术的不足，提出一种基于MOCVD设备的圆片级石墨烯可控外延方法，以减小工序和生长成本，提高石墨烯材料的晶体质量和有效面积。

为实现上述目的，本发明给出如下两种技术方案：

技术方案1，基于五戊铜有机源的石墨烯外延方法，包括如下步骤：

（1）将圆片级的衬底放入MOCVD反应室，向反应室通入H₂进行衬底表面预处理，其工艺条件为：气体流量1～20sccm，反应室真空度0.1～1Torr，衬底温度900～1000℃，预处理时间5～10min；

（2）向反应室通入五戊铜，原位淀积过渡族金属薄膜1～5μm，其工艺条件为：反应室气压0.1～5Torr，五戊铜流量100～1000sccm，衬底温度100～700℃，时间1～5h；

（3）向反应室通入H₂，对淀积的金属薄膜进行原位退火，其工艺条件为：H₂流量1～20sccm，温度900～1000℃，时间20～60min，气压1～50Torr；

（4）向反应室通入Ar和CH₄，并进行升温，在1000～1100℃的高温下，使CH₄分解为C原子，并溶解于金属薄膜中或吸附于金属薄膜的表面，其工艺条件为：Ar流量20～200sccm，CH₄流量1～20sccm，反应室气压0.1～1Torr，升温和保持时间共20～60min；

（5）维持步骤（4）中的工艺条件不变，再向反应室通入流量为0.1～5sccm的BH₃，使B原子溶解于金属薄膜中或吸附于金属薄膜的表面；

（6）保持步骤（4）中的Ar和CH₄流量不变，将反应室自然降温到100℃以下，使C原子从金属薄膜中偏析出来，形成石墨烯薄膜。

技术方案2，基于二茂镍有机源的石墨烯外延方法，包括如下步骤：