專利名稱：基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法
技術領域：
本發明屬于微電子技術領域，涉及一種半導體薄膜材料及其制備方法，具體地說是基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，用于制作微電子器件。
背景技術：
以集成電路為標志的基于硅材料的微細加工技術造就了當代信息社會。但是，隨著現代精細加工技術水平的日益提高，器件的特征尺寸逐漸接近于納米量級，工作頻率越來越高，這導致硅技術受制造工藝限制的趨勢逐漸明顯。一般認為，硅材料的加工極限是IOnm線寬。由于量子尺寸效應的制約，線寬小于IOnm就不太可能制造出電學性能穩定、集成度更高的產品。因此，以硅為核心的傳統微電子器件將面臨無法避免的困境，人們寄希望于碳基材料的電子學。 Graphene是被人們看好的另一種碳基材料，它不僅具有比碳納米管更為優越的性質，而且還克服了碳納米管具有較大的接觸電阻，難以逾越的手性控制、金屬型和半導體型分離以及催化劑雜質等諸多缺點，更容易與現有的半導體工藝技術相兼容，為制備碳基納米器件帶來了很大的靈活性，被學術界和工業界認為是post-CMOS時代微電子技術取代硅，克服目前電子器件越來越小所遇到的尺寸極限效應的技術瓶頸最有希望的候選材料。石墨烯由于其優異的電學特性，引起了廣泛關注，繼而制備石墨烯的新方法層出不窮，但使用最多的主要有化學氣相沉積法和熱分解SiC法兩種。化學氣相沉積法，是制備半導體薄膜材料應用最廣泛的一種大規模工業化方法，它是利用甲烷、乙烯等含碳化合物作為碳源，通過其在基體表面的高溫分解生長石墨烯，最后用化學腐蝕法去除金屬基底后即可得到獨立的石墨烯片。通過選擇基底的類型、生長的溫度、前驅體的流量等參數可調控石墨烯的生長，如生長速率、厚度、面積等，此方法的缺點是制備工藝復雜，能源消耗大，成本較高，精確控制較差，而且獲得的石墨烯片層與襯底相互作用強，喪失了許多單層石墨烯的性質，且石墨烯的連續性不是很好。熱分解SiC法，是通過高溫加熱使得SiC襯底表面碳硅鍵斷裂，使SiC表面上的Si原子升華，剩余C原子在原襯底表面重構，形成石墨烯。然而，SiC熱分解時溫度較高，并且生長出來的石墨烯呈島狀分布，孔隙多，而且做器件時由于光刻，干法刻蝕等會使石墨烯的電子遷移率降低，從而影響了器件性能。
發明內容
本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提出一種基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，以有選擇性地生長石墨烯納米帶，提高石墨烯納米帶表面光滑度和連續性，同時避免在后序制作器件時對石墨烯進行刻蝕的工藝過程，而導致電子遷移率降低的問題。為實現上述目的，本發明的制備方法包括以下步驟( I)對4-12英寸的Si襯底基片進行標準清洗；
(2)將清洗后的Si襯底基片放入CVD系統反應室中，對反應室抽真空達到10_7mbar級別；(3)在H2保護的情況下將反應室逐步升至碳化溫度1000°C -1200°c，通入流量為30ml/min的C3H8,對襯底進行碳化4_8min,生長一層碳化層；(4)將反應室迅速升溫至1200°C -1350°C后，通入30_60min的C3H8和SiH4,再在H2保護下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC外延薄膜的生長；(5)制作由隔離帶和離子注入帶組成的掩膜板，隔離帶寬度100_200nm，離子注入帶寬度50-200nm ；(6)利用掩膜板對生長后的3C_SiC樣片在離子注入帶內注入能量為15_45keV，劑量為5 X IO14 5 X IO16CnT2的C離子；(7)將注入C離子后的3C_SiC樣片放入外延爐中，調節外延爐中壓強為0. 5 I X KT6Torr,再向爐中通入流速為500-800ml/min的Ar氣，并將外延爐加熱至1200-1300°C，恒溫保持30-90min，離子注入帶區域的3C_SiC熱解生成碳膜；(8)將生成的碳膜樣片置于Cu膜上，再將它們一同置于流速為20-100ml/min的Ar氣中，加熱至900-1200°C下退火10-20min,使碳膜重構成石墨烯納米帶,最后取開Cu膜，在外延3C-SiC上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。本發明與現有技術相比具有如下優點I.本發明由于在生長3C_SiC時先在Si襯底上成長一層碳化層作為過渡，然后再生長3C-SiC，因而生長的3C-SiC質量高。2.本發明由于3C_SiC可異質外延生長在Si圓片上，因而生長成本低。3.本發明由于先在Si樣品上外延一層3C_SiC，再在3C_SiC樣品的離子注入帶中注入了 C離子，注入帶寬度與需要制作器件的寬度相同，即石墨烯納米帶的寬度與需要制作器件的寬度相等，避免了在后序制作器件時由于要對石墨烯進行刻蝕而導致電子遷移率降低的問題。4.本發明由于利用在Cu膜上退火，因而生成的碳膜更容易重構形成連續性較好，表面光滑的石墨烯納米帶。
圖I是本發明制備石墨烯的流程圖。
具體實施例方式參照圖I，本發明的制作方法給出如下三種實施例。實施例I步驟I:去除樣品表面污染物。對4英寸的Si襯底基片進行表面清潔處理，即先使用NH40H+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟2 :將Si襯底基片放入CVD系統反應室中，對反應室抽真空達到10_7mbar級別。
步驟3:生長碳化層。在H2保護的情況下將反應室溫度逐步升至碳化溫度1000°C，然后向反應室通入流量為30ml/min的C3H8，持續時間為8min，在Si襯底上生長一層碳化層。步驟4 :在碳化層上生長3C_SiC外延薄膜。將反應室迅速升溫至1200°C后，通入流量分別為20ml/min和40ml/min的SiHjPC3H8,持續時間為60min ;然后在H2保護下逐步降溫至室溫，完成3C_SiC外延薄膜的生長。步驟5 :根據器件的寬度制作由隔離帶和離子注入帶相互交替組成的掩膜板，隔尚帶覽度lOOnm，尚子注入帶覽度200nm，該尚子注入帶覽與器件的覽度相冋。 步驟6 :利用掩膜板在生長好的3C_SiC外延薄膜樣片中的離子注入帶內注入能量為15keV，劑量為5 X IO14CnT2的C離子。步驟7 3C-SiC熱解生成碳膜。將注入C離子后的3C_SiC樣片放入外延爐中，外延爐中壓強為0. 5 X 10_6Torr，并向其中通入流速為500ml/min的Ar氣，再加熱至1200°C，恒溫保持90min，使離子注入帶區域的3C-SiC熱解生成碳膜。步驟8 :碳膜重構成石墨烯納米帶。(8. I)將生成的碳膜樣片從外延爐中取出，將其碳膜置于250nm的Cu膜上；(8. 2)將碳膜樣片和Cu膜整體置于流速為20ml/min的Ar氣中，在溫度為900°C下退火20min，通過金屬Cu的催化作用使碳膜重構成石墨烯納米帶；(8. 3)最后取開Cu膜，在3C_SiC上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。實施例2步驟一去除樣品表面污染物。對8英寸的Si襯底基片進行表面清潔處理，即先使用NH40H+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟二 將Si襯底基片放入CVD系統反應室中，對反應室抽真空達到10_7mbar級別。步驟三生長碳化層。在H2保護的情況下將反應室溫度逐步升至碳化溫度1100°C，然后向反應室通入流量為30ml/min的C3H8，持續時間為6min，在Si襯底上生長一層碳化層。步驟四在碳化層上生長3C_SiC外延薄膜。將反應室迅速升溫至1300°C后，通入流量分別為30ml/min和60ml/min的SiHjPC3H8,持續時間為45min ;然后在H2保護下逐步降溫至室溫，完成3C_SiC外延薄膜的生長。步驟五根據器件的寬度制作由隔離帶和離子注入帶相互交替組成的掩膜板，隔尚帶覽度150nm，尚子注入帶覽度lOOnm，該尚子注入帶覽與器件的覽度相冋。步驟六利用掩膜板對3C_SiC樣片的離子注入帶內進行C離子注入。在生長好的3C_SiC外延薄膜樣片中的離子注入帶內注入能量為30keV，劑量為5 X 1015cm_2 的 C 離子；步驟七3C_SiC熱解生成碳膜。
將注入C離子后的3C_SiC樣片放入外延爐中，外延爐中壓強為0. 8 X 10_6Torr，并向其中通入流速為600ml/min的Ar氣，再加熱至1250°C，恒溫保持60min，使離子注入帶區域的3C-SiC熱解生成碳膜。步驟八碳膜重構成石墨烯納米帶。將生成的碳膜樣片從外延爐中取出并置于280nm的Cu膜上，再將它們一同置于流速為60ml/min的Ar氣中，溫度為1000°C下退火15min,通過金屬Cu的催化作用使碳膜重構成石墨烯納米帶，最后取開Cu膜,在3C-SiC上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。實施例3步驟A :對12英寸的Si襯底基片進行表面清潔處理，即先使用NH40H+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟B :將Si襯底基片放入CVD系統反應室中，對反應室抽真空達到10_7mbar級別。步驟C :在H2保護的情況下將反應室溫度逐步升至碳化溫度1200°C，然后向反應室通入流量為30ml/min的C3H8，持續時間為4min，在Si襯底上生長一層碳化層。步驟D :將反應室迅速升溫至1350°C后，通入流量分別為35ml/min和70ml/min的SiH4和C3H8,持續時間為30min ;然后在H2保護下逐步降溫至室溫，完成3C_SiC外延薄膜的生長。步驟E :根據器件的寬度制作由隔離帶和離子注入帶相互交替組成的掩膜板，隔尚帶覽度200nm，尚子注入帶覽度50nm，該尚子注入帶覽與器件的覽度相冋。步驟F :利用掩膜板在生長好的3C_SiC外延薄膜樣片中的離子注入內注入能量為45keV，劑量為5 X IO16CnT2的C離子。步驟G :將注入C離子后的3C_SiC樣片放入外延爐中，外延爐中壓強為I X KT6Torr,并向其中通入流速為800ml/min的Ar氣，再加熱至1300°C,恒溫保持30min,使離子注入帶區域的3C-SiC熱解生成碳膜。步驟H :將生成的碳膜樣片從外延爐中取出并置于300nm的Cu膜上，再將它們一同置于流速為100ml/min的Ar氣中,溫度為1200°C下退火IOmin,通過金屬Cu的催化作用 使碳膜重構成石墨烯納米帶，最后取開Cu膜,在3C-SiC上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。
權利要求
1.一種基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，包括以下步驟 (1)對4-12英寸的Si襯底基片進行標準清洗； (2)將清洗后的Si襯底基片放入CVD系統反應室中，對反應室抽真空達到10_7mbar級別； (3)在H2保護的情況下將反應室逐步升至碳化溫度1000°C-1200°C，通入流量為30ml/min的C3H8,對襯底進行碳化4_8min,生長一層碳化層； (4)將反應室迅速升溫至1200°C-1350°C后，通入30-60min的C3H8和SiH4,再在H2保護下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC外延薄膜的生長； (5)制作由隔離帶和離子注入帶組成的掩膜板，隔離帶寬度100-200nm，離子注入帶寬度 50-200nm ； (6)利用掩膜板對生長后的3C-SiC樣片在離子注入帶內注入能量為15-45keV，劑量為5 X IO14 5 X IO16CnT2 的 C 離子； (7)將注入C離子后的3C-SiC樣片放入外延爐中，調節外延爐中壓強為0.5 I X KT6Torr,再向爐中通入流速為500-800ml/min的Ar氣，并將外延爐加熱至1200-1300°C，恒溫保持30-90min，離子注入帶區域的3C_SiC熱解生成碳膜； (8)將生成的碳膜樣片置于Cu膜上，再將它們一同置于流速為20-100ml/min的Ar氣中，加熱至900-1200°C下退火10-20min,使碳膜重構成石墨烯納米帶,最后取開Cu膜,在外延3C-SiC上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。
2.根據權利要求I所述的基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(I)對Si樣片進行清洗，是先使用NH40H+H202試劑浸泡Si樣片10分鐘，取出后烘干，以去除樣片表面有機殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣片10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。
3.根據權利要求I所述的基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(4)通入的SiH4和C3H8，其流量分別為20-35ml/min和40_70ml/min。
4.根據權利要求I所述的基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(5)中的注入帶寬度與需要制作器件的寬度相同，即石墨烯納米帶的寬度與需要制作器件的寬度相等。
5.根據權利要求I所述的基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(8)中的Cu膜厚度為250-300nm。
全文摘要
本發明公開了一種基于C注入的Cu膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法。其實現步驟是(1)在清洗后的Si襯底基片上生長一層碳化層；(2)在溫度為1200℃-1350℃下進行3C-SiC異質外延薄膜的生長；(3)制作由100-200nm的隔離帶和50-200nm的離子注入帶組成的掩膜板；(4)對3C-SiC樣片中離子注入帶區域注入C離子；(5)將3C-SiC樣片置于外延爐中，加熱至1200-1300℃，恒溫保持30-90min,離子注入帶區域的3C-SiC熱解生成碳膜；(6)將生成的碳膜樣片置于Cu膜上，并將它們一同置于Ar氣中，在溫度為900-1200℃下退火10-20min生成石墨烯納米帶。本發明成本低，安全性高，3C-SiC熱解溫度較低，且生成的石墨烯納米帶表面光滑，連續性好，可用于制作微電子器件。
文檔編號C30B29/02GK102674318SQ201210176499
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月31日 優先權日2012年5月31日
發明者張克基, 張玉明, 湯曉燕, 趙艷黎, 郭輝 申請人:西安電子科技大學