向3C-SiC注入硅的铜膜退火石墨烯纳米带制备方法

摘要

本发明公开了一种向3C-SiC注入硅的铜膜退火石墨烯纳米带制备方法，主要解决现有技术中制备的石墨烯表面不光滑、连续性不好，且制作器件时由于光刻工艺使石墨烯的电子迁移率降低的问题。其制作过程为：(1)在Si衬底基片上先生长一层碳化层作为过渡；(2)在温度为1100℃-1250℃，气源为C

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种半导体薄膜材料及其制备方法，具体地说是向3C-SiC注入硅的铜膜退火石墨烯纳米带制备方法。

技术背景

石墨烯作为一种零带隙的半金属材料，不仅具有高的载流子迁移率（10⁴~10⁵cm²/V·s）和高载流子浓度（10¹³/cm²），及室温下亚微米尺度的无散射传输特性和电场调制载流子特性，而且具有超高频率的响应特性并能够在室温下稳定存在，这些特性都为未来石墨烯在微电子器件中的应用奠定了基础。

目前石墨烯的制备方法主要有以下两种：

1.化学气相沉积法是应用最广泛的一种大规模工业化的制备半导体薄膜材料的方法，现在也成了制备石墨烯的一条重要途径。这种方法主要利用高温条件下（~1000℃），气态的碳氢化合物在过渡金属（如Ru、Ni、Cu等）单晶、多晶或非晶薄膜表面催化分解后碳原子溶解到金属内，然后在快速降温过程中由于低温碳在金属内溶解度的减小而偏析到样品表面形成石墨烯。此方法最大的缺点在于获得的片层与衬底相互作用强，丧失了许多单层石墨烯的性质，而且石墨烯的连续性不是很好。

2.热分解SiC法：将单晶SiC加热以通过使表面上的SiC分解而除去Si，随后残留的碳形成石墨烯。然而，SiC热分解时温度较高，且单晶SiC非常昂贵，并且生长出来的石墨烯呈岛状分布，孔隙多，用这种石墨烯材料制作器件时由于光刻，干法刻蚀等会使石墨烯的电子迁移率降低，从而影响了器件性能。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术的不足，提出一种向3C-SiC注入硅的铜膜退火石墨烯纳米带制备方法，以提高表面光滑度和连续性、减少成本，并免除在后续制造器件过程中要对石墨烯进行刻蚀的工艺过程，保证石墨烯的电子迁移率稳定，提高器件性能。

为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤：

（1）对4-12英寸的Si衬底基片进行标准清洗；

（2）将清洗后的Si衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10^-7mbar级别；

（3）在H₂保护的情况下，使反应室逐步升温至碳化温度900℃-1100℃，再通入流量为40ml/min的C₃H₈，对Si衬底进行碳化3-8min，生长一层碳化层；

（4）使反应室迅速升温至生长温度1100℃-1250℃，并通入C₃H₈和SiH₄气体，进行3C-SiC薄膜异质外延生长，生长时间为35-70min，然后在H₂的保护下逐步降温至室温，完成3C-SiC薄膜的生长；

（5）在生长好的3C-SiC薄膜样片上的指定区域注入能量为15-30keV，剂量为5×10¹⁴~5×10¹⁷cm^-2的Si离子；

（6）将注入Si离子后的3C-SiC薄膜样片放入压强为0.5~1×10^-6Torr的外延炉中，并向其中通入Ar气，再加热至1200-1300℃，保持恒温时间为30-90min,使指定区域的3C-SiC热解生成碳膜；

（7）将生成的碳膜样片置于Cu膜上，再将它们一同置于Ar气气氛中，在温度为900-1200℃下退火10-20分钟，使碳膜依附在Cu膜上重构成石墨烯纳米带，最后从石墨烯纳米带样片上取开Cu膜。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明由于在3C-SiC样片上选取与所需要制作的器件的衬底形状相同的区域注入Si离子，使得此区域的3C-SiC热解温度降低，从而制备出石墨烯纳米带，在此石墨烯纳米带上制作器件时无需对石墨烯进行刻蚀，因而石墨烯中的电子迁移率不会降低，保证了制作的器件性能。

2.本发明由于利用在Cu膜上退火，因而生成的碳膜更容易重构形成连续性较好，表面光滑的石墨烯纳米带，并且Cu膜取材方便。

3.本发明由于在生长3C-SiC时先在Si衬底上成长一层碳化层作为过渡，然后再生长3C-SiC，因而生长的3C-SiC质量高。

4.本发明由于3C-SiC可异质外延生长在Si圆片上，因而生长成本低。

附图说明

图1是本发明制备石墨烯的流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明的制作方法给出如下三种实施例。

实施例1

步骤1:去除样品表面污染物。

对4英寸的Si衬底基片进行表面清洁处理，即先使用NH₄OH+H₂O₂试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；再使用HCl+H₂O₂试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。

步骤2：将Si衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10^-7mbar级别。

步骤3：生长碳化层。

在H₂保护的情况下将反应室温度升至碳化温度900℃，然后向反应室通入流量为40ml/min的C₃H₈，在Si衬底上生长一层碳化层，生长时间为8min。

步骤4：在碳化层上生长3C-SiC薄膜。

将反应室温度迅速升至生长温度1100℃，通入流量分别为15ml/min和30ml/min的SiH₄和C₃H₈，进行3C-SiC薄膜异质外延生长，生长时间为70min；然后在H₂保护下逐步降温至室温，完成3C-SiC薄膜的生长。

步骤5：对3C-SiC薄膜样片的指定区域进行Si离子注入。

在生长好的3C-SiC薄膜样片上选取与所需要制作的器件的衬底形状相同的区域作为注入区，然后在此注入区中注入能量为15keV，剂量为5×10¹⁴cm^-2的Si离子。

步骤6：3C-SiC热解生成碳膜。

将注入Si离子后的3C-SiC薄膜样片放入压强为0.5×10^-6Torr的外延炉中，并向其中通入气流速为500ml/min的Ar气，再加热至1200℃，保持恒温时间为90min，使注入区的3C-SiC热解生成碳膜。

步骤7：碳膜重构成石墨烯纳米带。

（7.1）将生成的碳膜样片从外延炉中取出，将其置于250nm厚的Cu膜上；

（7.2）将碳膜样片和Cu膜整体置于流速为30ml/min的Ar气中，在温度为900℃下退火20分钟，使碳膜重构成石墨烯纳米带；

（7.3）将Cu膜从石墨烯纳米带样片上取开，获得石墨烯纳米带样片。

实施例2

步骤一：去除样品表面污染物。

对8英寸的Si衬底基片进行表面清洁处理，即先使用NH₄OH+H₂O₂试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；再使用HCl+H₂O₂试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。

步骤二：与实施例1的步骤2相同。

步骤三：生长碳化层。

在H₂保护的情况下将反应室温度升至碳化温度1000℃，然后向反应室通入流量为40ml/min的C₃H₈，在Si衬底上生长一层碳化层，生长时间为6min。

步骤四：在碳化层上生长3C-SiC薄膜。

将反应室温度迅速升至生长温度1150℃，通入流量分别为30ml/min和60ml/min的SiH₄和C₃H₈，进行3C-SiC薄膜异质外延生长，生长时间为45min；然后在H₂保护下逐步降温至室温，完成3C-SiC薄膜的生长。

步骤五：对3C-SiC薄膜样片的指定区域进行Si离子注入。

在生长好的3C-SiC薄膜样片上选取与所需要制作的器件的衬底形状相同的区域作为注入区，然后在此注入区中注入能量为25keV，剂量为5×10¹⁵cm^-2的Si离子。

步骤六：3C-SiC热解生成碳膜。

将注入Si离子后的3C-SiC薄膜样片放入压强为0.8×10^-6Torr的外延炉中，并向其中通入气流速为600ml/min的Ar气，再加热至1250℃，保持恒温时间为60min,使注入区的3C-SiC热解生成碳膜。

步骤七：碳膜重构成石墨烯纳米带。

将生成的碳膜样片从外延炉中取出并置于280nm厚的Cu膜上，再将它们一同置于流速为100ml/min的Ar气气氛中，在温度为1000℃下退火15分钟，使碳膜重构成石墨烯纳米带，最后从石墨烯纳米带样片上取开Cu膜，获得石墨烯纳米带样片。

实施例3

步骤A：对12英寸的Si衬底基片进行表面清洁处理，即先使用NH₄OH+H₂O₂试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；再使用HCl+H₂O₂试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。

步骤B：与实施例1的步骤2相同。

步骤C：在H₂保护的情况下将反应室温度升至碳化温度1100℃，然后向反应室通入流量为40ml/min的C₃H₈，持续3min，以在Si衬底上生长一层碳化层。

步骤D：将反应室温度迅速升至生长温度1250℃，通入流量分别为35ml/min和70ml/min的SiH₄和C₃H₈，进行3C-SiC薄膜异质外延生长35min；然后在H₂保护下逐步降温至室温。

步骤E：在生长好的3C-SiC薄膜样片上选取与所需要制作的器件的衬底形状相同的区域作为注入区，然后在此注入区中注入能量为30keV，剂量为5×10¹⁷cm^-2的Si离子。

步骤F：将注入Si离子后的3C-SiC薄膜样片放入压强为1×10^-6Torr的外延炉中，并向其中通入流速为800ml/min Ar气，再加热至1300℃，保持恒温时间为30min,使注入区的3C-SiC热解生成碳膜。

步骤G：将生成的碳膜样片从外延炉中取出并置于300nm厚的Cu膜上，再将它们一同置于流速为150ml/min的Ar气气氛中，在温度为1200℃下退火10分钟，使碳膜重构成石墨烯纳米带，最后从石墨烯纳米带样片上取开Cu膜，获得石墨烯纳米带样片。