[发明专利]一种利用PEALD在硅衬底上生长石墨烯的方法

说明书

本发明公开了一种利用PEALD在硅衬底上生长石墨烯的方法，将干净硅衬底置于反应室中进行PEALD循环，每个循环包括步骤：(1)进行碳源或辅助源吸附；所述碳源选自苯系物、甲烷中的至少一种；所述辅助源为含氧有机物；(2)清洗吸附后的硅衬底，进行等离子体脉冲；(3)清洗等离子体脉冲后的硅衬底。本发明可在硅衬底上大面积生长石墨烯，与目前硅基半导体技术良好的相容性。本发明通过使用含氧小分子促进生长，一方面作为小分子碳弥补了空位型缺陷，减小了反应后的缺陷峰D峰，另一方面氧元素的参与促进了生长过程中苯的脱氢过程，减少了成膜后的皱褶大小，提高硅衬底上原子层沉积生长大面积生长石墨烯的质量。

技术领域

本发明涉及石墨烯功能材料制备技术领域，具体涉及一种利用PEALD在硅衬底上生长石墨烯的方法。

背景技术

硅材料作为半导体领域的核心材料，科研工作者对其光电性能尤为关切。囿于本征硅的间接带隙结构，硅本身的光电转换能力并不优秀。因此，硅材料与新型材料的复合结构光电性能成为了近年来的一个研究热点。对于集成电路(IC)工业，目前最先进技术已经达到理论7nm线宽，随着栅极宽度的变窄，线上的电阻变得非常大。各个芯片设计公司希望通过工艺升级获得更高的性能，更低的功耗和更小的芯片面积。

因此，可以理解高稳定性、高电导率、高载流子传输速率、低电阻是未来芯片行业的需求。同时优良的光电性能对于硅基复合光电器件具有重要意义。

对高稳定性、高载流子迁移速率的沟道材料的研发工作正在进行中。此研发工作的一个方面就是使用二维材料如石墨烯作为沟道部分。而目前基于过渡金属薄膜制备的石墨烯二维材料需要通过转移过程到指定基底，而这个过程必然会导致金属离子的残留，以及对石墨烯结构的损害。在硅材料表面直接生长石墨烯技术至关重要。

目前许多研究基于过渡金属催化下化学气相沉积(CVD)技术生长石墨烯，该方法制备的石墨烯不能直接与目前硅基半导体工业技术很好的结合，必须通过化学刻蚀的方法去除金属基底，而这个过程必定会导致大量金属离子与刻蚀剂分子的残留，并且整个转移过程中对石墨烯结构所产生的破坏为不可逆过程。

公开号为CN103121670A的专利说明书公开了一种远程等离子体增强原子层沉积低温生长石墨烯的方法，：以液态苯作为C源，使用PEALD设备进行ALD模式的石墨烯生长，以远程等离子体作为PEALD的另外一种源获得低温生长；反应前采用3kW的大功率H₂/Ar等离子体对Cu箔表面进行清洗和还原，去除Cu基底表面的污物和氧化层。使用该方法只能基于具有很好催化活性的铜衬底，而石墨烯想要实现实际应用必须转移到目标衬底，转移的过程不可避免会使石墨烯产生缺陷，以及存在金属残留等问题，严重影响制备器件性能，与目前的硅工艺兼容性较差。

而硅本身由于缺乏催化活性，无法像过渡金属一样具有促进有机前驱体裂解的能力，并且有机前驱体的裂解是吸热反应，温度升高有利于反应的进行，但是不同于金属，硅在高温条件下会与碳直接发生反应生成碳化硅相，一般高于900℃就会有大量的硅与碳直接反应，所以硅表面生长石墨烯必须限制在900℃以下，同时由于硅材料本身表面存在大量的悬挂键，会与含碳基团相互作用，导致碳元素在硅表面的迁移率低，迁移速度缓慢，直接影响石墨烯的生长。也因此直接在硅表面生长石墨烯一直十分困难，使用常规的PEALD方法，如上述专利说明书公开的PEALD技术仍无法满足高质量的石墨烯的生长。

发明内容

为了克服石墨烯在硅表面生长时所面临的自限制，以及针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种在硅衬底上生长石墨烯的原子层沉积方法，具体为一种利用等离子体增强原子层沉积技术(PEALD)，使用苯系物、甲烷等作为碳源，同时使用含氧小分基团辅助生长，快速冷却可使石墨烯薄膜在硅表面直接结晶。

一种利用PEALD在硅衬底上生长石墨烯的方法，将干净硅衬底置于反应室中进行PEALD循环，每个循环包括步骤：

(1)进行碳源或辅助源吸附；