[发明专利]石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳基集成电路领域，具体涉及一种利用射线激发电子，在石墨烯表面原子层沉积高k栅介质的方法。

背景技术

随着集成电路领域的发展，微电子领域器件尺寸日益减小，原先采用的硅基集成电路发展到达一个瓶颈，减小加工线宽的同时不降级产品的性能几乎不可能实现。更加优异的新型材料急待研发应用。

为在获取更好的集成电路器件的同时减小器件尺寸，石墨烯作为一种新型材料被寄予厚望，其超高载流子迁移率、出色的力学性能、热稳定性和良好的半导体特性使得石墨烯成为新一代碳基集成电路焦点。石墨烯是一种二维结构SP2杂化的单层碳原子薄膜，其S层轨道电子呈电子云状，每个原子与其他三个碳原子之间形成三个Θ键，其P轨道哑铃状垂直于二维平面，三个或以上的原子的P轨道上的电子组成离域大π键，游离于各原子之间.其优异的性能，独特的结构使得其极有可能取代硅，成为新一代主流半导体材料。

然而，石墨烯材料上沉积高k材料还面临两几个问题：1）石墨烯表面的大π键导致其除边缘外，没有可以化学吸附前驱体源所必须的悬挂键，化学性质不活泼，无法直接在石墨烯上沉积高k栅介质；2）为了在石墨烯上沉积高k栅介质，一般在沉积前对石墨烯进行预处理。但是这些预处理的方法包括施加外加电场，淀积金属种子层，沉积无定形碳层等。一般采用的电子束蒸发，是通过在石墨烯上沉积金属种子层来对石墨烯进行预处理，但是这个方法会对石墨烯晶格造成较大损伤。有的方法是在平整无缺陷的石墨烯表面再生长一层岛状石墨烯，缺点在于过程繁琐，且生长过程中，不能保证在生长时所用金属和底部石墨烯的良好接触。而在ALD反应腔内加电场的方法，会因为ALD反应设备本身的限制而变得困难，难以真正意义上实现。另外，采用扫描电子显微镜（SEM）生长无定形碳薄膜需要额外的机器设备，成本较高。

发明内容

鉴于以上所述技术存在的缺陷，本发明目的是：提供一种石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法，此方法旨在破坏石墨烯表面大π键，避免缓冲层对石墨烯的损伤、减小栅介质层厚度，且对石墨烯造成影响很小，不会造成石墨烯晶格破坏，简单易行。并且高能粒子能够穿透ALD的金属腔，对石墨烯进行处理。这种处理的时间可控，可以在固定时间内完成，也可以伴随着整个高k栅介质的沉积过程。

本发明的技术方案是：一种石墨烯表面原子层沉积高K栅介质的方法，包括以下步骤：

（1）制备表面干净平整、少缺陷的石墨烯材料作为沉积高k栅介质的基底样品；

（2）将基底样品放入ALD反应腔室中，远程操控射线，使石墨烯P轨道电子吸收能量跃迁，改变外层电子取向，破坏离域大π键，形成悬挂键；

（3）通入水蒸气，完成石墨烯表面的化学吸附，直至衬底表面达到饱和；

（4）通入第一前驱体源，完成石墨烯表面的高k栅介质沉积。

进一步的，所述石墨烯材料采用CVD法或者机械剥离法制备。

进一步的，所述射线为伽马射线。

进一步的，所述伽马射线提供能量在1-500eV。

进一步的，所述第一前驱体源为IIIA族金属化合物或IIIB族化合物中的一种或多种。

进一步的，在步骤（4）之后通入第二前驱体源，完成高k栅介质的掺杂。所述第二前驱体源为三（四甲基庚二丙酮）镧、四（二甲氨基）锆、四（二甲氨基）铪或者四（乙胺基）锆等IVB族化合物的前驱体源。

进一步的，所述高k栅介质层为，，，，ZrO₂中的一种或多种。

本发明利用伽马射线激发电子，在石墨烯表面沉积高k栅介质的方法，增加碳原子P轨道上电子能量，使之跃迁从而破坏离域大π键，增强石墨烯表面活性，使得原子层沉积高k栅介质可以直接在石墨烯表面进行，简化了工艺流程，减小了对石墨烯晶格的破坏和对石墨烯性能的影响。同时，伽马射线提供了所有P轨道上电子跃迁所需要的能量，提高了石墨烯表面的化学活性，从而促进了高k栅介质与石墨烯层之间的结合。用这种方法得到的薄膜的均匀性和连续性较好，作为基底的石墨烯层也没收到破坏，电学性能因此也没受到影响，这使得得到的石墨烯器件性能良好有望在碳基大规模电路制造中获得全面应用。

本发明的优点是：