一種碳基半導(dǎo)體器件制備工藝中對襯底進行預(yù)處理的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳基半導(dǎo)體器件制備工藝中對襯底進行預(yù)處理的方法，該方法包括：將清洗后的襯底放入烘箱內(nèi)80℃～200℃干燥處理5分鐘～60分鐘；配制BCB溶液，利用有機溶液對BCB溶液進行稀釋，通過勻膠機將稀釋后的BCB溶液旋涂在襯底表面；在N2或者惰性氣體的保護下，將表面旋涂BCB溶液后的襯底加熱至200℃～400℃，使苯并環(huán)丁烯單體發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)生成苯并環(huán)丁烯聚合體，從而在襯底表面形成BCB有機膜層。本發(fā)明解決了由于原有襯底表面極性散射、粗糙起伏、雜質(zhì)吸附等原因而造成的石墨烯器件性能退化等問題，BCB有機膜層既鈍化、修飾了原有襯底表面，同時自身不會引起石墨烯的載流子遷移率退化。
【專利說明】一種碳基半導(dǎo)體器件制備工藝中對襯底進行預(yù)處理的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于碳材料的半導(dǎo)體器件制備工藝，特別涉及一種碳基半導(dǎo)體器件制備工藝中對襯底進行預(yù)處理的方法，屬于納電子學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]以碳材料為基的納米電子學(xué)，尤其是以碳納米管(Carbon Nanotube)和石墨烯(Graphene)為基的納米電子學(xué),被認(rèn)為具有極大的應(yīng)用前景,極富潛力可替代娃基材料。自從1991年碳納米管和2004年石墨烯被成功研制以來，碳基電子學(xué)取得了巨大發(fā)展?；谔蓟碾娮訉W(xué)具有尺寸小、速度快、功耗低、工藝簡單等特點，受到人們越來越廣泛的關(guān)注。
[0003]對于碳基半導(dǎo)體器件而言，由于導(dǎo)電碳材料只有一個或幾個原子層厚度，所以其有一個重要的特點，即導(dǎo)電碳材料對與其接觸的表面，包括襯底表面和介質(zhì)表面，非常敏感。器件制備工藝中，需要把碳材料轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底表面，而襯底的表面狀況則會影響碳材料的表面態(tài)，在碳材料中引入新的散射機制，造成碳材料載流子遷移率的顯著下降，和器件性能退化。
[0004]現(xiàn)有的碳基半導(dǎo)體器件工藝中，只對襯底進行常規(guī)清洗，無法有效修飾襯底表面。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種碳基半導(dǎo)體器件制備工藝中對襯底進行預(yù)處理的方法，以解決轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底表面的碳基材料載流子遷移率的下降和器件性能退化的問題。其中所述碳基半導(dǎo)體器件主要是指以碳納米管和石墨烯作為導(dǎo)電通道的器件。
[0007]( 二)技術(shù)方案
[0008]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種碳基半導(dǎo)體器件制備工藝中對襯底進行預(yù)處理的方法，該方法是以苯并環(huán)丁烯(BCB)有機膜層來鈍化、修飾襯底表面，實現(xiàn)對襯底表面的預(yù)處理，該方法包括以下步驟:
[0009]步驟1:將清洗后的襯底放入烘箱內(nèi)80°C?200°C干燥處理5分鐘?60分鐘；
[0010]步驟2:配制苯并環(huán)丁烯(BCB)溶液，利用有機溶液對BCB溶液進行稀釋，通過勻膠機將稀釋后的BCB溶液旋涂在襯底表面；
[0011]步驟3:在N2或者惰性氣體的保護下，將表面旋涂BCB溶液后的襯底加熱至200°C?40(TC，使苯并環(huán)丁烯單體發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)生成苯并環(huán)丁烯聚合體，從而在襯底表面形成BCB有機膜層。
[0012]上述方案中，步驟2中所述對BCB溶液進行稀釋的有機溶液為1，3，5_三甲基苯、癸烷、1-丁醇、甲苯、丙二醇甲醚乙酸酯或N-甲基吡咯烷酮。
[0013]上述方案中，步驟3中所述加熱的溫度越低，需要加熱的時間就越長，加熱的溫度越高，需要加熱的時間就越短，當(dāng)加熱溫度大于或者等于200°C且小于270°C時，在該加熱溫度處恒溫保持15分鐘?180分鐘后，再自然冷卻至常溫；當(dāng)加熱溫度大于或者等于270°C且小于400°C時，于5秒?I分鐘的時間內(nèi)進行快速熱退火。
[0014]上述方案中，所述對襯底加熱并退火是在N2保護下進行，采用熱板加熱、烘箱加熱或管式爐加熱，退火溫度在200?400攝氏度，退火時間在5秒?3小時。
[0015]上述方案中，步驟3中所述BCB有機膜層的厚度為5nm?50nm。
[0016]上述方案中，步驟3中所述在襯底表面形成BCB有機膜層之后，再轉(zhuǎn)移碳納米管或石墨烯到襯底表面。
[0017](三)有益效果
[0018]本發(fā)明是為了解決轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底表面的碳基材料載流子遷移率的下降和器件性能退化的問題。在碳基半導(dǎo)體器件制備中常規(guī)襯底清洗工藝之外，創(chuàng)造性地提出了一種對襯底進行預(yù)處理方法，為碳基高性能器件的實現(xiàn)提供了一個解決方案，滿足了碳基規(guī)?；呻娐返男枨?。具體而言，使用BCB有機膜層對原襯底進行表面預(yù)處理，其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在:
[0019]1、以BCB有機膜層來鈍化、修飾襯底表面，能減小由于襯底表面極性散射、表面坑洼起伏、雜質(zhì)吸附等原因而造成的碳基材料性能下降，尤其是載流子遷移率的下降
[0020]2、BCB作為一種有機物，直接與碳基材料相接觸，不會引起材料遷移率的顯著下降，不會引起器件性能的下降。
[0021]3、BCB作為一種有機介質(zhì)層，可以通過控制與溶劑的稀釋比例和旋涂的速度、時間
來控制介質(zhì)層厚度，工藝簡單、重復(fù)性好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是在加熱交聯(lián)前后，BCB有機介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)式變化。
[0023]圖2是本發(fā)明提供的使用BCB有機介質(zhì)對原襯底進行表面預(yù)處理的流程圖。
[0024]圖3是依照本發(fā)明實施例的石墨烯場效應(yīng)晶體管器件的背柵轉(zhuǎn)移特性(Ids-Vg)曲線。
【具體實施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0026]本發(fā)明通過使用苯并環(huán)丁烯(BCB)有機膜層對碳基半導(dǎo)體器件制備工藝中的襯底進行預(yù)處理，鈍化、修飾襯底表面，解決了襯底表面碳基材料載流子遷移率的下降和器件性能退化問題。
[0027]BCB有機膜是由苯并環(huán)丁烯單體通過加熱形成的交聯(lián)的苯并環(huán)丁烯聚合體，或者苯并環(huán)丁烯單體在光刻后再通過加熱形成的交聯(lián)的苯并環(huán)丁烯聚合體構(gòu)成。其對襯底表面的修飾，減小了由于襯底表面極性散射、表面坑洼起伏、雜質(zhì)吸附等原因而造成的碳基材料性能下降，尤其是載流子遷移率的下降。BCB作為有機物，不會影響碳材料的電學(xué)性質(zhì)、降低材料的載流子遷移率，同時BCB易于聚合，膜層厚度可控，可以輕松附著在多種類型的襯底表面。這種新型的、簡單的、襯底預(yù)處理方法必將對碳基電子器件的發(fā)展起到重要作用。
[0028]圖1為單體通過加熱形成的交聯(lián)的苯并環(huán)丁烯聚合體的反應(yīng)方程式。所述苯并環(huán)丁烯有機介質(zhì)層由苯并環(huán)丁烯單體通過加熱形成的交聯(lián)的苯并環(huán)丁烯聚合體，或者苯并環(huán)丁烯單體在光刻后再通過加熱形成的交聯(lián)的苯并環(huán)丁烯聚合體構(gòu)成。
[0029]實施例1:使用CVD生長石墨烯材料，在經(jīng)過BCB有機膜層預(yù)處理的二氧化硅/硅襯底上，實現(xiàn)石墨稀場效應(yīng)晶體管。
[0030]圖2為本發(fā)明使用BCB有機膜層對襯底進行表面預(yù)處理的流程圖，包括以下步驟:
[0031]步驟1:將清洗后的IOOnm厚的二氧化硅/硅襯底放入烘箱內(nèi)80°C?200°C干燥處理5分鐘?60分鐘；
[0032]步驟2:配制苯并環(huán)丁烯(BCB)溶液，利用有機溶液對BCB溶液進行稀釋，通過勻膠機將稀釋后的BCB溶液旋涂在襯底表面；
[0033]在本實施例中，是將BCB(Cyclotene3022_46，購自美國Dow化學(xué)公司)與1，3，5-三甲苯溶液以體積比1: 27進行稀釋，充分搖勻稀釋后，通過勻膠機旋涂在襯底表面，勻膠機轉(zhuǎn)速4000-6000轉(zhuǎn)/分鐘，時間I分鐘；
[0034]步驟3:在N2或者惰性氣體的保護下，將表面旋涂BCB溶液后的襯底加熱至200°C?40(TC，使苯并環(huán)丁烯單體發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)生成苯并環(huán)丁烯聚合體，從而在襯底表面形成BCB有機膜層；
[0035]在本實施例中，是將襯底放入烘箱中，箱體中通N2進行保護，將烘箱升溫到230攝氏度，保持一小時后，將溫度降為常溫，取出襯底，測量苯并環(huán)丁烯有機層厚度為10nm。
[0036]其中，步驟2中所述對BCB溶液進行稀釋的有機溶液為1，3，5_三甲基苯、癸烷、1-丁醇、甲苯、丙二醇甲醚乙酸酯或N-甲基吡咯烷酮等。步驟3中所述加熱的溫度越低，需要加熱的時間就越長，加熱的溫度越高，需要加熱的時間就越短，當(dāng)加熱溫度大于或者等于200°C且小于270°C時，在該加熱溫度處恒溫保持15分鐘?180分鐘后，再自然冷卻至常溫；當(dāng)加熱溫度大于或者等于270°C且小于400°C時，于5秒?I分鐘的時間內(nèi)進行快速熱退火。所述對襯底加熱并退火是在N2保護下進行，采用熱板加熱、烘箱加熱或管式爐加熱，退火溫度在200?400攝氏度，退火時間在5秒?3小時。步驟3中所述BCB有機膜層的厚度為5nm?50nm。
[0037]上述方案中，步驟3中所述在襯底表面形成BCB有機膜層之后，再轉(zhuǎn)移碳納米管或石墨烯到襯底表面(步驟4)，以及在石墨烯材料上通過電子束光刻形成圖形，電子束蒸發(fā)一層IOnm / 50nm厚的鈦/金(Ti / Au = 10 / 50nm)金屬，然后將樣品放入丙酮中剝離，去掉不需要的金屬層，得到所需要的電極，從而實現(xiàn)背柵形以及頂柵形場效應(yīng)管器件(步驟5)。
[0038]圖3為依照本發(fā)明實施例1的石墨烯場效應(yīng)晶體管器件的背柵轉(zhuǎn)移特性(Ids-Vg)曲線。在使用BCB對襯底進行表面預(yù)處理后，減小了由于襯底表面極性散射和雜質(zhì)吸附給石墨烯場效應(yīng)器件所帶來的不良影響。實際測量結(jié)果表明，器件有效遷移率從使用前的約2000cm2 / Vs 提升到約 3000cm2 / Vs。
[0039]實施例2:使用CVD生長石墨烯材料，在經(jīng)過快速熱退火B(yǎng)CB預(yù)處理的二氧化硅/娃襯底上，實現(xiàn)石墨稀場效應(yīng)晶體管。
[0040]具體步驟與實施例1類似，但步驟3采用快速熱退火(RTA)方式對BCB進行處理，BCB經(jīng)290攝氏度，15s快速熱退火形成有機介質(zhì)層厚度為10nm。[0041]實施例3:使用微機械剝離石墨烯材料，在經(jīng)過BCB預(yù)處理的二氧化硅/硅襯底上，實現(xiàn)石墨烯場效應(yīng)晶體管。
[0042]具體步驟與實施例1類似，但步驟4中將微機械剝離的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到經(jīng)過BCB預(yù)處理后的二氧化硅/硅襯底上，然后再實現(xiàn)場效應(yīng)管器件。
[0043]實施例4:使用CVD生長石墨烯材料，在經(jīng)過BCB預(yù)處理的二氧化硅/硅襯底上，實現(xiàn)石墨稀場效應(yīng)晶體管。
[0044]具體步驟與實施例1類似，但步驟2中BCB(Cyclotene3022_46，購自美國Dow化學(xué)公司)與癸烷以體積比1:27進行稀釋。步驟3后，測量BCB有機層厚度為10nm。
[0045]同樣的，經(jīng)過測試，上述4個實施例制備的碳基場效應(yīng)晶體管由于使用經(jīng)過BCB預(yù)處理的襯底，減小了由于襯底表面極性散射和雜質(zhì)吸附給石墨烯場效應(yīng)器件所帶來的不良影響，有效增加了器件載流子遷移率，提高了器件性能。
[0046]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種碳基半導(dǎo)體器件制備工藝中對襯底進行預(yù)處理的方法，其特征在于，該方法是以苯并環(huán)丁烯(BCB)有機膜層來鈍化、修飾襯底表面，實現(xiàn)對襯底表面的預(yù)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳基半導(dǎo)體器件制備工藝中對襯底進行預(yù)處理的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟1:將清洗后的襯底放入烘箱內(nèi)80°C?200°C干燥處理5分鐘?60分鐘； 步驟2:配制苯并環(huán)丁烯(BCB)溶液，利用有機溶液對BCB溶液進行稀釋，通過勻膠機將稀釋后的BCB溶液旋涂在襯底表面； 步驟3:在N2或者惰性氣體的保護下，將表面旋涂BCB溶液后的襯底加熱至200°C?400°C，使苯并環(huán)丁烯單體發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)生成苯并環(huán)丁烯聚合體，從而在襯底表面形成BCB有機膜層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳基半導(dǎo)體器件制備工藝中對襯底進行預(yù)處理的方法，其特征在于，步驟2中所述對BCB溶液進行稀釋的有機溶液為1，3，5_三甲基苯、癸烷、1-丁醇、甲苯、丙二醇甲醚乙酸酯或N-甲基吡咯烷酮。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳基半導(dǎo)體器件制備工藝中對襯底進行預(yù)處理的方法，其特征在于，步驟3中所述加熱的溫度越低，需要加熱的時間就越長，加熱的溫度越高，需要加熱的時間就越短，當(dāng)加熱溫度大于或者等于200°C且小于270°C時，在該加熱溫度處恒溫保持15分鐘?180分鐘后，再自然冷卻至常溫；當(dāng)加熱溫度大于或者等于270°C且小于400°C時，于5秒?I分鐘的時間內(nèi)進行快速熱退火。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳基半導(dǎo)體器件制備工藝中對襯底進行預(yù)處理的方法，其特征在于，所述對襯底加熱并退火是在N2保護下進行，采用熱板加熱、烘箱加熱或管式爐加熱，退火溫度在200?400攝氏度，退火時間在5秒?3小時。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳基半導(dǎo)體器件制備工藝中對襯底進行預(yù)處理的方法，其特征在于，步驟3中所述BCB有機膜層的厚度為5nm?50nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳基半導(dǎo)體器件制備工藝中對襯底進行預(yù)處理的方法，其特征在于，步驟3中所述在襯底表面形成BCB有機膜層之后，再轉(zhuǎn)移碳納米管或石墨烯到襯底表面。
【文檔編號】H01L21/04GK103456607SQ201310414732
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】史敬元, 金智, 張大勇, 麻芃, 彭松昂 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所