本(ben)發明(ming)涉及二維材料集(ji)成電子學(xue)領域，具體涉及的(de)是一種超薄氧化鉿/氮化硼復合柵(zha)介質的(de)制(zhi)備方法(fa)。

背景技術：

1、二(er)(er)(er)維(wei)(wei)半導(dao)體(ti)材(cai)(cai)料(liao)(liao)憑借其原(yuan)子級(ji)厚度和(he)超高(gao)(gao)(gao)遷移(yi)率，有望(wang)成(cheng)(cheng)為(wei)下一(yi)代高(gao)(gao)(gao)性(xing)能晶體(ti)管中(zhong)的(de)(de)(de)溝(gou)道(dao)材(cai)(cai)料(liao)(liao)。高(gao)(gao)(gao)介(jie)(jie)(jie)電(dian)(dian)常數的(de)(de)(de)柵介(jie)(jie)(jie)質(zhi)與(yu)溝(gou)道(dao)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)集(ji)成(cheng)(cheng)一(yi)直是硅電(dian)(dian)子學(xue)(xue)發展(zhan)的(de)(de)(de)核(he)心(xin)任務。當二(er)(er)(er)維(wei)(wei)(2d)電(dian)(dian)子學(xue)(xue)中(zhong)的(de)(de)(de)器(qi)件尺寸降至原(yuan)子尺度時(shi)，這變(bian)得更加具有挑戰(zhan)性(xing)，因為(wei)電(dian)(dian)荷(he)(he)載流子更容(rong)易受到缺陷、雜質(zhi)和(he)懸垂鍵(jian)(jian)引(yin)(yin)起(qi)的(de)(de)(de)溝(gou)道(dao)-介(jie)(jie)(jie)質(zhi)界(jie)(jie)面(mian)上(shang)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)荷(he)(he)散(san)射。建(jian)立基于二(er)(er)(er)維(wei)(wei)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子器(qi)件的(de)(de)(de)關鍵(jian)(jian)挑戰(zhan)之一(yi)是防止界(jie)(jie)面(mian)陷阱態和(he)相(xiang)鄰(lin)介(jie)(jie)(jie)質(zhi)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)荷(he)(he)散(san)射。作為(wei)二(er)(er)(er)維(wei)(wei)絕緣(yuan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)，六(liu)(liu)方(fang)(fang)氮化硼(peng)(hbn)由(you)于具有原(yuan)子平(ping)坦性(xing)和(he)不(bu)存(cun)在(zai)(zai)懸掛(gua)鍵(jian)(jian)，被廣(guang)泛用作高(gao)(gao)(gao)κ介(jie)(jie)(jie)質(zhi)集(ji)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)良好界(jie)(jie)面(mian)層和(he)保護層，以減少集(ji)成(cheng)(cheng)引(yin)(yin)起(qi)的(de)(de)(de)結構損(sun)傷(shang)和(he)相(xiang)關的(de)(de)(de)電(dian)(dian)荷(he)(he)散(san)射。然而，與(yu)二(er)(er)(er)維(wei)(wei)材(cai)(cai)料(liao)(liao)兼容(rong)的(de)(de)(de)超薄柵介(jie)(jie)(jie)質(zhi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)問(wen)題仍(reng)然沒有解(jie)決，制約了高(gao)(gao)(gao)性(xing)能二(er)(er)(er)維(wei)(wei)電(dian)(dian)子器(qi)件的(de)(de)(de)發展(zhan)。一(yi)方(fang)(fang)面(mian)，二(er)(er)(er)維(wei)(wei)材(cai)(cai)料(liao)(liao)具有原(yuan)子級(ji)平(ping)整、無懸掛(gua)鍵(jian)(jian)的(de)(de)(de)惰性(xing)表面(mian)使得超薄柵介(jie)(jie)(jie)質(zhi)難以實(shi)(shi)現(xian)均(jun)勻(yun)的(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)核(he)生長；另一(yi)方(fang)(fang)面(mian)，傳統的(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)κ(介(jie)(jie)(jie)電(dian)(dian)常數)柵介(jie)(jie)(jie)質(zhi)與(yu)二(er)(er)(er)維(wei)(wei)材(cai)(cai)料(liao)(liao)之間存(cun)在(zai)(zai)嚴重的(de)(de)(de)界(jie)(jie)面(mian)問(wen)題：傳統體(ti)相(xiang)材(cai)(cai)料(liao)(liao)表面(mian)的(de)(de)(de)懸掛(gua)鍵(jian)(jian)對二(er)(er)(er)維(wei)(wei)溝(gou)道(dao)中(zhong)的(de)(de)(de)載流子造(zao)成(cheng)(cheng)散(san)射，降低器(qi)件性(xing)能。因此，如何實(shi)(shi)現(xian)超薄柵介(jie)(jie)(jie)質(zhi)與(yu)二(er)(er)(er)維(wei)(wei)材(cai)(cai)料(liao)(liao)，例如與(yu)二(er)(er)(er)維(wei)(wei)六(liu)(liu)方(fang)(fang)氮化硼(peng)的(de)(de)(de)集(ji)成(cheng)(cheng)，解(jie)決溝(gou)道(dao)-柵介(jie)(jie)(jie)質(zhi)的(de)(de)(de)界(jie)(jie)面(mian)問(wen)題，對于二(er)(er)(er)維(wei)(wei)電(dian)(dian)子學(xue)(xue)領域(yu)而言至關重要(yao)。

技術實現思路

1、本(ben)發明(ming)的(de)目的(de)是提供一(yi)種(zhong)超(chao)薄(bo)氧化(hua)鉿/氮化(hua)硼復合柵(zha)(zha)介(jie)質的(de)制(zhi)備方(fang)(fang)法，本(ben)發明(ming)發展了一(yi)種(zhong)晶圓(yuan)級高(gao)κ材(cai)料與(yu)二維材(cai)料無損集(ji)成的(de)方(fang)(fang)法，在超(chao)平(ping)整(zheng)單晶氮化(hua)硼/cuni(111)晶圓(yuan)上沉積均勻的(de)氧化(hua)鉿薄(bo)膜，從而制(zhi)備了能夠與(yu)二維材(cai)料集(ji)成的(de)復合柵(zha)(zha)介(jie)質。

2、本發明首先提供(gong)了一種(zhong)氧(yang)化鉿(jia)/氮化硼復合柵(zha)介(jie)質的(de)制備方法，包括如下步驟：

3、(1)采用(yong)磁控濺(jian)射(she)(she)的方法在藍寶(bao)石上(shang)濺(jian)射(she)(she)一層(ceng)鎳(nie)膜，然后在所述鎳(nie)膜上(shang)再濺(jian)射(she)(she)一層(ceng)銅膜，得到銅/鎳(nie)/藍寶(bao)石；

4、(2)將所(suo)述銅/鎳/藍(lan)寶(bao)石進(jin)行(xing)高溫退火(huo)處理，得到單晶銅鎳合(he)金晶圓(yuan)；

5、(3)采用低壓化(hua)學氣相沉積(ji)的方法在所(suo)述(shu)單晶(jing)銅鎳合金晶(jing)圓(yuan)上(shang)生長六方氮化(hua)硼，得(de)到單晶(jing)六方氮化(hua)硼/cuni(111)晶(jing)圓(yuan)；

6、(4)通過(guo)原子層沉(chen)積的方法直(zhi)接在(zai)所述單晶六方氮化(hua)硼(peng)/cuni(111)晶圓上生長氧化(hua)鉿(jia)薄膜，得到所述氧化(hua)鉿(jia)/氮化(hua)硼(peng)復合(he)柵介質。

7、上述(shu)的(de)制備(bei)方法(fa)，步驟(1)中，所述(shu)銅(tong)膜和鎳膜的(de)總厚度為400-1000nm；具體可為400-800nm；

8、所述鎳膜(mo)的(de)厚度(du)是所述銅膜(mo)和鎳膜(mo)的(de)總厚度(du)的(de)0-50％，但不為(wei)(wei)0；具體(ti)可為(wei)(wei)10％-30％。

9、本發明的一個實(shi)施例(li)中，所述(shu)銅膜(mo)和鎳(nie)膜(mo)的總(zong)厚度(du)為500nm；所述(shu)鎳(nie)膜(mo)的厚度(du)是所述(shu)銅膜(mo)和鎳(nie)膜(mo)的總(zong)厚度(du)的15％-20％。

10、上述的(de)制(zhi)備方(fang)法中，步驟(1)中，采用磁控濺射(she)(she)的(de)方(fang)法濺射(she)(she)鎳(nie)的(de)條件如(ru)下：濺射(she)(she)壓力為(wei)(wei)1×10-4pa-5×10-4pa，具(ju)體(ti)(ti)可(ke)為(wei)(wei)5×10-4pa；；濺射(she)(she)功率為(wei)(wei)100-500w，具(ju)體(ti)(ti)可(ke)為(wei)(wei)150w；濺射(she)(she)速率為(wei)(wei)5-30nm/min，具(ju)體(ti)(ti)可(ke)為(wei)(wei)8nm/min；濺射(she)(she)的(de)時間為(wei)(wei)5-20min；

11、采用(yong)磁控濺(jian)射(she)(she)的(de)(de)方法(fa)濺(jian)射(she)(she)銅的(de)(de)條件如下：濺(jian)射(she)(she)壓力為(wei)(wei)1×10-4pa-5×10-4pa，具體可(ke)(ke)為(wei)(wei)5×10-4pa；濺(jian)射(she)(she)功(gong)率(lv)(lv)為(wei)(wei)100-500w，具體可(ke)(ke)為(wei)(wei)200w；濺(jian)射(she)(she)的(de)(de)速(su)率(lv)(lv)為(wei)(wei)10-30nm/min，具體可(ke)(ke)為(wei)(wei)12.5nm/min；濺(jian)射(she)(she)的(de)(de)時間為(wei)(wei)20-40min；

12、所述磁(ci)控濺射(she)均在惰性氣(qi)氛(fen)中進行(xing)；具(ju)體可為氬氣(qi)氣(qi)氛(fen)；更(geng)為具(ju)體的(de)，通入氬氣(qi)的(de)流(liu)速為20～30sccm。

13、上述的制備方(fang)法中(zhong)，磁(ci)控濺射采用的靶(ba)材為高(gao)純鎳靶(ba)材(99.999％)或高(gao)純銅靶(ba)材(99.999％)。

14、上述的(de)制備方法(fa)中(zhong)，步(bu)驟(2)中(zhong)，所(suo)述高溫退火處理的(de)溫度為(wei)(wei)950-1100℃，具(ju)體可(ke)(ke)為(wei)(wei)1000℃；時間為(wei)(wei)30-180min，具(ju)體可(ke)(ke)為(wei)(wei)120min；

15、所述高溫退火處(chu)理(li)在常壓下進行；

16、所述高溫退火處理(li)在氫氣(qi)和(he)氬氣(qi)的混合氣(qi)氛(fen)中進行；

17、具體的，所述氬氣的流速(su)可為100-1000sccm?ar，具體可為500sccm；氫氣的流速(su)可為10-500sccm，具體可為100sccm。

18、上述的制備(bei)方(fang)法中(zhong)，步驟(zou)(2)中(zhong)，所(suo)述高溫退火處理步驟(zou)中(zhong)，溫度(du)在1-2小時內由室(shi)溫升溫到950-1100℃；

19、所述高溫退火處理后還有自然(ran)降溫至室溫的步驟。

20、上(shang)述的制備(bei)方法，步(bu)驟(zou)(2)中(zhong)(zhong)，將所述銅/鎳(nie)/藍(lan)寶石放入常壓化學氣(qi)相(xiang)沉(chen)積管式(shi)(shi)爐中(zhong)(zhong)，使(shi)得銅/鎳(nie)/藍(lan)寶石的對稱中(zhong)(zhong)心(xin)(xin)在管式(shi)(shi)爐的溫(wen)(wen)(wen)(wen)區(qu)中(zhong)(zhong)心(xin)(xin)，在升溫(wen)(wen)(wen)(wen)過程中(zhong)(zhong)先對中(zhong)(zhong)心(xin)(xin)溫(wen)(wen)(wen)(wen)區(qu)進行升溫(wen)(wen)(wen)(wen)，使(shi)得中(zhong)(zhong)心(xin)(xin)溫(wen)(wen)(wen)(wen)區(qu)比兩側溫(wen)(wen)(wen)(wen)區(qu)高(gao)20-100℃；具體的，可(ke)以使(shi)得中(zhong)(zhong)心(xin)(xin)溫(wen)(wen)(wen)(wen)區(qu)比兩側溫(wen)(wen)(wen)(wen)區(qu)高(gao)30℃。

21、上述(shu)的(de)(de)制(zhi)備(bei)方法中(zhong)，所述(shu)藍寶(bao)石(shi)的(de)(de)尺寸(cun)為1-4英寸(cun)，具體可(ke)為4英寸(cun)。

22、上述(shu)的制備方(fang)法，步驟(3)中(zhong)，采用硼烷氨作為生長(chang)源。

23、上(shang)述的制備(bei)方(fang)法，步驟(3)中生(sheng)長六方(fang)氮化(hua)硼(peng)(peng)的方(fang)法包(bao)括如下步驟：對硼(peng)(peng)烷氨固體(ti)粉末加熱進行預處理(li)；將(jiang)所述單(dan)晶(jing)(jing)(jing)銅鎳合(he)(he)金晶(jing)(jing)(jing)圓放(fang)置于管(guan)式爐(lu)中心，預處理(li)過的硼(peng)(peng)烷氨放(fang)置于體(ti)系上(shang)游，先(xian)在(zai)(zai)常壓條件下，通(tong)入氫氣(qi)(qi)和氬氣(qi)(qi)的混(hun)合(he)(he)氣(qi)(qi)體(ti)，管(guan)式爐(lu)升溫，當溫度穩定后，將(jiang)氣(qi)(qi)體(ti)切換(huan)為(wei)氫氣(qi)(qi)，增大壓強，接(jie)著加熱生(sheng)長源(yuan)，在(zai)(zai)所述單(dan)晶(jing)(jing)(jing)銅鎳合(he)(he)金晶(jing)(jing)(jing)圓表面生(sheng)長六方(fang)氮化(hua)硼(peng)(peng)薄膜。

24、上的制備方法中，通入(ru)氫(qing)氣和氬氣的混(hun)合(he)氣體步(bu)驟中，氫(qing)氣的流速為(wei)100-1000sccm，具(ju)體可為(wei)100sccm；氬氣的流速為(wei)10-1000sccm，具(ju)體可為(wei)500sccm；

25、所述管式爐升溫至800-1100℃，具體可為(wei)1000℃；所述管式爐的升溫速率(lv)為(wei)10～20℃/min；

26、氣體(ti)切(qie)換為氫氣的步驟中，氫氣的流速為1000～10000sccm，具體(ti)可(ke)為3000sccm；

27、壓強增大到(dao)10-100kpa，具體可(ke)為100kpa；

28、加熱生長(chang)源(yuan)的(de)溫度為50-100℃，具體可為70℃。

29、上述的(de)制備方(fang)法中，生長六方(fang)氮化硼的(de)時間(jian)為(wei)10min以(yi)上，具體(ti)可為(wei)10-60min，更具體(ti)可為(wei)30min。

30、上(shang)述的制備(bei)方法(fa)中，對硼烷(wan)氨固(gu)體粉末加熱(re)進行預處理的步驟(zou)中，加熱(re)的溫度為80-130℃，時間(jian)為10-30min；并(bing)通(tong)入了氫氣。

31、具體的，加熱的溫度為100℃，時間為10min；

32、所述氫氣的流速為100-1000sccm，具體可(ke)為300sccm；

33、硼烷氨在加熱過程(cheng)中(zhong)會發(fa)生化學反應生成環硼氮(dan)烷(b3n3h6)、h2以及b-n聚合物(wu)(wu)等產物(wu)(wu)。硼烷氨固體粉末經過預處理(li)之(zhi)后(hou)產生大量油狀(zhuang)物(wu)(wu)，即液(ye)態(tai)的環硼氮(dan)烷。

34、上述(shu)的(de)制備(bei)方法中，生長結束后還有(you)將氣(qi)(qi)(qi)體切(qie)換(huan)為(wei)氫氣(qi)(qi)(qi)和氬氣(qi)(qi)(qi)的(de)混(hun)合氣(qi)(qi)(qi)，至常壓(ya)下進(jin)行自然降溫的(de)步(bu)驟(zou)；具體的(de)，所述(shu)氫氣(qi)(qi)(qi)的(de)流速為(wei)100-1000sccm，具體可為(wei)100sccm；所述(shu)氬氣(qi)(qi)(qi)的(de)流速為(wei)500-1000sccm，具體可為(wei)500sccm。

35、上(shang)述的制備方(fang)法，步驟(4)中，使用水和四(二(er)甲基氨(an)基)基鉿(tdmah)作為生長氧化鉿的原材料。

36、上述的(de)(de)制備方(fang)法，步(bu)驟(4)的(de)(de)具(ju)體(ti)方(fang)法包括如下：將所(suo)述單晶六方(fang)氮(dan)化硼/cuni(111)晶圓加熱至50-150℃(具(ju)體(ti)可為(wei)100℃)，四(二甲(jia)基氨(an)基)基鉿(jia)源(yuan)瓶加熱到(dao)60-100℃(具(ju)體(ti)可為(wei)80℃)，水源(yuan)瓶的(de)(de)溫度(du)維(wei)持(chi)在(zai)10-30℃(具(ju)體(ti)可為(wei)30℃)，通入20-50sccm(具(ju)體(ti)可為(wei)20sccm)的(de)(de)氮(dan)氣(qi)(qi)作為(wei)保護(hu)性(xing)載氣(qi)(qi)；一次生長循(xun)環中，依次進行如下操作：水脈(mo)沖200-300ms，氮(dan)氣(qi)(qi)吹(chui)掃60-120s，再脈(mo)沖10-50ms的(de)(de)四(二甲(jia)基氨(an)基)基鉿(jia)，氮(dan)氣(qi)(qi)吹(chui)掃60-120s；

37、所述生(sheng)長循環(huan)的次(ci)(ci)數為1次(ci)(ci)或(huo)多次(ci)(ci)。

38、上述的制備方法中，一次(ci)生長循環中，依(yi)次(ci)進行如(ru)下操作：水脈(mo)沖(chong)300ms，氮(dan)(dan)氣吹掃120s，再脈(mo)沖(chong)30ms的四(si)(二甲(jia)基氨基)基鉿，氮(dan)(dan)氣吹掃120s。

39、上述的(de)制備方法中，一(yi)次生(sheng)長循(xun)環(huan)中，沉積氧(yang)化(hua)(hua)鉿厚度為0.05-0.2nm；通過設置不同(tong)的(de)生(sheng)長循(xun)環(huan)次數，沉積不同(tong)厚度的(de)氧(yang)化(hua)(hua)鉿。

40、具體的，生長的氧化(hua)鉿薄膜(mo)的厚度可為1-50nm；具體可為2nm、5nm或(huo)10nm。

41、上述的(de)(de)制備方法中，將步驟(3)中制備的(de)(de)所述單晶(jing)六方氮化(hua)硼/cuni(111)晶(jing)圓(yuan)于(yu)(yu)24小時之內放置于(yu)(yu)原子層沉積(ji)設(she)備中進行(xing)氧(yang)化(hua)鉿薄膜的(de)(de)生長；并將體(ti)系中的(de)(de)空氣、水等抽(chou)離，壓強低(di)于(yu)(yu)0.2torr。

42、上述的(de)制備方法(fa)，步驟(4)中(zhong)，氧化鉿(jia)薄膜生長結束后待體系(xi)降至室溫(wen)然后沖(chong)入氮氣，恢復大氣壓，再取出樣品。

43、本(ben)發(fa)明進一步提供(gong)了上(shang)述制備(bei)方(fang)法制備(bei)得到(dao)的氧化(hua)鉿/氮化(hua)硼復合柵介(jie)質。

44、最后，本(ben)發明還提供了上述氧化鉿/氮化硼復(fu)合柵介質在(zai)與二維材(cai)料(liao)集成(cheng)中的(de)應用。

45、本發明的(de)方(fang)法能(neng)(neng)夠制(zhi)備(bei)不同厚(hou)度的(de)氧化(hua)鉿/氮化(hua)硼晶圓，制(zhi)備(bei)得到的(de)復合柵介質平(ping)整，致(zhi)密均勻，能(neng)(neng)夠集成(cheng)在二維材料電子器(qi)件上。