一種提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，該方法是利用硅烷偶聯劑有機膜層來鈍化和修飾碳基半導體器件襯底表面，具體包括以下步驟:將清洗后的襯底放入烘箱內120℃干燥處理20分鐘;配制硅烷偶聯劑溶液，利用有機溶劑溶解并稀釋硅烷偶聯劑，將要處理襯底浸入稀釋液中;在氮氣或者空氣環境下，將浸潤后的襯底加熱至100℃～150℃，使硅烷偶聯劑單體于襯底表面發生脫水縮合反應生成聚合體，從而在襯底表面形成硅烷偶聯劑有機膜層。利用本發明，由于使用經過硅烷偶聯劑處理過表面的襯底，所以減小了由于襯底表面極性散射和雜質吸附給石墨烯場效應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。
【專利說明】一種提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及基于碳材料的半導體器件制備工藝，特別涉及一種提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，屬于納電子學【技術領域】。
【背景技術】
[0002]以碳材料為基的納米電子學，尤其是以碳納米管(Carbon Nanotube)和石墨烯(Graphene)為基的納米電子學,被認為具有極大的應用前景,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，碳基電子學取得了巨大發展。基于碳基的電子學具有尺寸小、速度快、功耗低、工藝簡單等特點，受到人們越來越廣泛的關注。
[0003]對于碳基半導體器件而言，由于導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，即導電碳材料對與其接觸的表面，包括襯底表面和介質表面，非常敏感；襯底表面狀況會顯著影響碳材料的表面態，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]使用硅烷偶聯劑有機膜對原襯底進行處理，鈍化、修飾襯底表面，減小了由于襯底表面極性散射、表面坑洼起伏、雜質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。并且通過調整硅烷偶聯劑的濃度配比、沉積時間等參數，能夠有效的調整硅烷有機膜層的厚度和表面粗糙度。同時硅烷偶聯劑易于脫水縮合，可以牢固的附著在多種類型的襯底表面，并有較強的耐受性。這種新型的、簡單的、襯底處理方法必將對碳基電子器件的發展起到重要作用。
【發明內容】
[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]本發明的目的在于提供一種提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，以減小由于襯底表面極性散射和雜質吸附給石墨烯場效應器件所帶來的不良影響，增加器件載流子遷移率，提高器件性能。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]為達到上述目的，本發明提供了一種提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，該方法是利用硅烷偶聯劑有機膜層來鈍化和修飾碳基半導體器件襯底表面，具體包括以下步驟:
[0009]步驟1:將清洗后的襯底放入烘箱內120°C干燥處理20分鐘；
[0010]步驟2:配制硅烷偶聯劑溶液，利用有機溶劑溶解并稀釋硅烷偶聯劑，將要處理襯底浸入稀釋液中；
[0011]步驟3:在氮氣或者空氣環境下，將浸潤后的襯底加熱至100°C?150°C，使硅烷偶聯劑單體于襯底表面發生脫水縮合反應生成聚合體，從而在襯底表面形成硅烷偶聯劑有機膜層。
[0012]上述方案中，步驟2中所述溶解并稀釋硅烷偶聯劑的有機溶劑，對硅烷偶聯劑有稀釋作用，且不發生反應；所述硅烷偶聯劑與其稀釋液的配比為1:400-1:50(體積比)，襯底浸入稀釋液中的時間為1-10分鐘。所述溶解并稀釋硅烷偶聯劑的有機溶劑包括:甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、丙酮、丁酮、各種醇類或醇與水的混合溶液。
[0013]上述方案中，步驟2中所述的硅烷偶聯劑是單一硅烷偶聯劑，或者是兩種或多種含有不同功能基團硅烷偶聯劑的混合體。所述的硅烷偶聯劑包括含有多種功能基團的甲氧基或乙氧基娃燒。所述的多種功能基團為氣基、乙稀基、苯基、環氧基、氣基、氣基或硝基。
[0014]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。加熱溫度大于或者等于100°c且小于150°c時，在該加熱溫度處恒溫保持20分鐘?40分鐘后，再自然冷卻至常溫。
[0015]上述方案中，步驟3中所述硅烷偶聯劑脫水縮合后在襯底表面形成的硅烷偶聯劑有機膜層為單分子層，厚度為3nm。
[0016]上述方案中，步驟3中所述對硅烷偶聯劑加熱脫水縮合，采用熱板加熱、烘箱加熱或管式爐加熱，加熱溫度在100-150攝氏度，脫水縮合時間在10-40分鐘。
[0017]上述方案中，步驟3中所述在襯底表面形成硅烷偶聯劑有機膜層之后，還包括:再將石墨烯薄膜或碳納米管轉移到襯底表面。
[0018](三)有益效果
[0019]本發明提供的這種提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，由于使用經過硅烷偶聯劑處理過表面的襯底，所以減小了由于襯底表面極性散射和雜質吸附給石墨烯場效應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，為碳基高性能器件的實現提供了一個解決方案，滿足了碳基規模化集成電路的需求。具體而言，使用硅烷偶聯劑對襯底進行表面處理，其主要優勢體現在:
[0020]1、是用硅烷偶聯劑有機膜層來鈍化、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
[0021]2、硅烷偶聯劑有有機膜層厚度可控，通過調整偶聯劑的配比濃度和襯底浸潤沉積時間，可以實現對膜層厚度和表面粗糙度的調控。
[0022]3、硅烷偶聯劑脫水縮合后在襯底表面形成約為3nm厚度的單分子層有機膜，可以牢固的附著在硅、氧化硅、金屬、金屬氧化物等多種無機物襯底表面，工藝簡單，重復性好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是娃燒偶聯劑與無機物襯底反應不意圖。
[0024]圖2是本發明使用硅烷偶聯劑對原襯底進行表面處理的流程圖。
[0025]圖3是依照本發明實施例1的石墨烯場效應晶體管器件的背柵轉移特性(Ids-Vg)曲線。
【具體實施方式】
[0026]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0027]圖1為硅烷偶聯劑單體與無機物襯底通過脫水縮合形成單分子層有機膜的反應機理示意圖。所述硅烷偶聯劑首先發生水解，繼而脫水縮合成多聚體，再與無機物襯底表面的氫氧基發生水合，最后通過加熱干燥使其脫水，最終在襯底表面形成硅烷偶聯劑單分子膜層。
[0028]實施例1:使用CVD生長石墨烯材料，在經過硅烷偶聯劑處理的二氧化硅/硅襯底上，實現石墨烯場效應晶體管。
[0029]圖2為本發明實施例使用硅烷偶聯劑對襯底進行表面處理的流程圖，包括以下步驟:
[0030]步驟1:將清洗后的IOOnm 二氧化硅/硅襯底放入烘箱內120°C干燥處理20分鐘；
[0031]步驟2:配置硅烷偶聯劑-正丙基三甲氧基硅烷稀釋液，將正丙基三甲氧基硅烷(購自中國醫藥集團化學試劑北京有限公司)與無水乙醇溶液以體積比1:100進行稀釋，充分搖勻稀釋后，將襯底浸入硅烷稀釋液5分鐘；
[0032]步驟3:將襯底放入烘箱中，箱體中通隊進行保護，將烘箱升溫到100攝氏度，保持30分鐘，將溫度降為常溫，取出襯底，測量正丙基三甲氧基硅烷有機膜層厚度為3nm;
[0033]步驟4:將CVD生長石墨烯薄膜轉移到經過正丙基三甲氧基硅烷處理后的二氧化硅/硅襯底上；
[0034]步驟5:在石墨烯材料上通過電子束光刻形成圖形，電子束蒸發一層10nm/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，從而實現背柵形以及頂柵形場效應管器件。
[0035]圖3為依照本發明實施例1的石墨烯場效應晶體管器件的背柵轉移特性(Ids-Vg)曲線。在使用正丙基三甲氧基硅烷對襯底進行表面處理后，減小了由于襯底表面極性散射和雜質吸附給石墨烯場效應器件所帶來的不良影響。實際測量結果表明，器件有效遷移率平均從使用前的不到2000cm2/Vs提升到超過4000cm2/Vs。
[0036]實施例2:使用微機械剝離石墨烯材料，在經過正丙基三甲氧基硅烷處理的二氧化硅/硅襯底上，實現石墨烯場效應晶體管。
[0037]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移到經過氨丙基三甲氧基硅烷處理后的二氧化硅/硅襯底上，然后再實現石墨烯場效應管器件。
[0038]實施例3:使用CVD生長石墨烯材料，在經過氨丙基三甲氧基硅烷處理的二氧化硅/娃襯底上，實現石墨稀場效應晶體管。
[0039]具體步驟與實施例1類似，但步驟2中使用氨丙基三甲氧基硅烷替代正丙基三甲氧基硅烷與異丙醇以體積比1:100進行稀釋，襯底浸潤沉積時間為10分鐘。步驟3后，測量氨丙基三甲氧基硅烷有機膜層厚度為5nm。
[0040]同樣的，經過測試，上述3個實施例制備的碳基場效應晶體管由于使用經過硅烷偶聯劑處理過表面的襯底，減小了由于襯底表面極性散射和雜質吸附給石墨烯場效應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。
[0041]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，其特征在于，該方法是利用硅烷偶聯劑有機膜層來鈍化和修飾碳基半導體器件襯底表面，具體包括以下步驟: 步驟1:將清洗后的襯底放入烘箱內120°c干燥處理20分鐘； 步驟2:配制硅烷偶聯劑溶液，利用有機溶劑溶解并稀釋硅烷偶聯劑，將要處理襯底浸入稀釋液中； 步驟3:在氮氣或者空氣環境下，將浸潤后的襯底加熱至10(TC?150°C，使硅烷偶聯劑單體于襯底表面發生脫水縮合反應生成聚合體，從而在襯底表面形成硅烷偶聯劑有機膜層。
2.根據權利要求1所述的提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，其特征在于，步驟2中所述溶解并稀釋硅烷偶聯劑的有機溶劑，對硅烷偶聯劑有稀釋作用，且不發生反應；所述硅烷偶聯劑與其稀釋液的配比為體積比1:400-1:50，襯底浸入稀釋液中的時間為1-10分鐘。
3.根據權利要求2所述的提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，其特征在于，所述溶解并稀釋硅烷偶聯劑的有機溶劑包括:甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、丙酮、丁酮、各種醇類或醇與水的混合溶液。
4.根據權利要求1所述的提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，其特征在于，步驟2中所述的硅烷偶聯劑是單一硅烷偶聯劑，或者是兩種或多種含有不同功能基團硅烷偶聯劑的混合體。
5.根據權利要求4所述的提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，其特征在于，所述的娃燒偶聯劑包括含有多種功能基團的甲氧基或乙氧基娃燒。
6.根據權利要求5所述的提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，其特征在于，所述的多種功能基團為氣基、乙稀基、苯基、環氧基、氣基、氣基或硝基。
7.根據權利要求1所述的提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，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。
8.根據權利要求7所述的提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，其特征在于，加熱溫度大于或者等于100°C且小于150°C時，在該加熱溫度處恒溫保持20分鐘?40分鐘后，再自然冷卻至常溫。
9.根據權利要求1所述的提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，其特征在于，步驟3中所述硅烷偶聯劑脫水縮合后在襯底表面形成的硅烷偶聯劑有機膜層為單分子層，厚度為3nm。
10.根據權利要求1所述的提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，其特征在于，步驟3中所述對硅烷偶聯劑加熱脫水縮合，采用熱板加熱、烘箱加熱或管式爐加熱，加熱溫度在100-150攝氏度，脫水縮合時間在10-40分鐘。
11.根據權利要求1所述的提高碳基半導體器件遷移率的襯底處理方法，其特征在于，步驟3中所述在襯底表面形成硅烷偶聯劑有機膜層之后，還包括:再將石墨烯薄膜或碳納米管轉移到襯底表面。
【文檔編號】H01L21/02GK103456604SQ201310414069
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2013年9月12日
【發明者】史敬元, 金智, 麻芃, 張大勇, 彭松昂 申請人:中國科學院微電子研究所