一种超薄氧化铪氮化硼复合栅介质的制备方法

本发明涉及二维材料集成电子学领域，具体涉及的是一种超薄氧化铪/氮化硼复合栅介质的制备方法。

背景技术：

1、二维半导体材料凭借其原子级厚度和超高迁移率，有望成为下一代高性能晶体管中的沟道材料。高介电常数的栅介质与沟道材料的集成一直是硅电子学发展的核心任务。当二维(2d)电子学中的器件尺寸降至原子尺度时，这变得更加具有挑战性，因为电荷载流子更容易受到缺陷、杂质和悬垂键引起的沟道-介质界面上的电荷散射。建立基于二维材料的电子器件的关键挑战之一是防止界面陷阱态和相邻介质的电荷散射。作为二维绝缘材料，六方氮化硼(hbn)由于具有原子平坦性和不存在悬挂键，被广泛用作高κ介质集成的良好界面层和保护层，以减少集成引起的结构损伤和相关的电荷散射。然而，与二维材料兼容的超薄栅介质材料的问题仍然没有解决，制约了高性能二维电子器件的发展。一方面，二维材料具有原子级平整、无悬挂键的惰性表面使得超薄栅介质难以实现均匀的成核生长；另一方面，传统的高κ(介电常数)栅介质与二维材料之间存在严重的界面问题：传统体相材料表面的悬挂键对二维沟道中的载流子造成散射，降低器件性能。因此，如何实现超薄栅介质与二维材料，例如与二维六方氮化硼的集成，解决沟道-栅介质的界面问题，对于二维电子学领域而言至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种超薄氧化铪/氮化硼复合栅介质的制备方法，本发明发展了一种晶圆级高κ材料与二维材料无损集成的方法，在超平整单晶氮化硼/cuni(111)晶圆上沉积均匀的氧化铪薄膜，从而制备了能够与二维材料集成的复合栅介质。

2、本发明首先提供了一种氧化铪/氮化硼复合栅介质的制备方法，包括如下步骤：

3、(1)采用磁控溅射的方法在蓝宝石上溅射一层镍膜，然后在所述镍膜上再溅射一层铜膜，得到铜/镍/蓝宝石；

4、(2)将所述铜/镍/蓝宝石进行高温退火处理，得到单晶铜镍合金晶圆；

5、(3)采用低压化学气相沉积的方法在所述单晶铜镍合金晶圆上生长六方氮化硼，得到单晶六方氮化硼/cuni(111)晶圆；

6、(4)通过原子层沉积的方法直接在所述单晶六方氮化硼/cuni(111)晶圆上生长氧化铪薄膜，得到所述氧化铪/氮化硼复合栅介质。

7、上述的制备方法，步骤(1)中，所述铜膜和镍膜的总厚度为400-1000nm；具体可为400-800nm；

8、所述镍膜的厚度是所述铜膜和镍膜的总厚度的0-50％，但不为0；具体可为10％-30％。

9、本发明的一个实施例中，所述铜膜和镍膜的总厚度为500nm；所述镍膜的厚度是所述铜膜和镍膜的总厚度的15％-20％。

10、上述的制备方法中，步骤(1)中，采用磁控溅射的方法溅射镍的条件如下：溅射压力为1×10-4pa-5×10-4pa，具体可为5×10-4pa；；溅射功率为100-500w，具体可为150w；溅射速率为5-30nm/min，具体可为8nm/min；溅射的时间为5-20min；

11、采用磁控溅射的方法溅射铜的条件如下：溅射压力为1×10-4pa-5×10-4pa，具体可为5×10-4pa；溅射功率为100-500w，具体可为200w；溅射的速率为10-30nm/min，具体可为12.5nm/min；溅射的时间为20-40min；

12、所述磁控溅射均在惰性气氛中进行；具体可为氩气气氛；更为具体的，通入氩气的流速为20～30sccm。

13、上述的制备方法中，磁控溅射采用的靶材为高纯镍靶材(99.999％)或高纯铜靶材(99.999％)。

14、上述的制备方法中，步骤(2)中，所述高温退火处理的温度为950-1100℃，具体可为1000℃；时间为30-180min，具体可为120min；

15、所述高温退火处理在常压下进行；

16、所述高温退火处理在氢气和氩气的混合气氛中进行；

17、具体的，所述氩气的流速可为100-1000sccm ar，具体可为500sccm；氢气的流速可为10-500sccm，具体可为100sccm。

18、上述的制备方法中，步骤(2)中，所述高温退火处理步骤中，温度在1-2小时内由室温升温到950-1100℃；

19、所述高温退火处理后还有自然降温至室温的步骤。

20、上述的制备方法，步骤(2)中，将所述铜/镍/蓝宝石放入常压化学气相沉积管式炉中，使得铜/镍/蓝宝石的对称中心在管式炉的温区中心，在升温过程中先对中心温区进行升温，使得中心温区比两侧温区高20-100℃；具体的，可以使得中心温区比两侧温区高30℃。

21、上述的制备方法中，所述蓝宝石的尺寸为1-4英寸，具体可为4英寸。

22、上述的制备方法，步骤(3)中，采用硼烷氨作为生长源。

23、上述的制备方法，步骤(3)中生长六方氮化硼的方法包括如下步骤：对硼烷氨固体粉末加热进行预处理；将所述单晶铜镍合金晶圆放置于管式炉中心，预处理过的硼烷氨放置于体系上游，先在常压条件下，通入氢气和氩气的混合气体，管式炉升温，当温度稳定后，将气体切换为氢气，增大压强，接着加热生长源，在所述单晶铜镍合金晶圆表面生长六方氮化硼薄膜。

24、上的制备方法中，通入氢气和氩气的混合气体步骤中，氢气的流速为100-1000sccm，具体可为100sccm；氩气的流速为10-1000sccm，具体可为500sccm；

25、所述管式炉升温至800-1100℃，具体可为1000℃；所述管式炉的升温速率为10～20℃/min；

26、气体切换为氢气的步骤中，氢气的流速为1000～10000sccm，具体可为3000sccm；

27、压强增大到10-100kpa，具体可为100kpa；

28、加热生长源的温度为50-100℃，具体可为70℃。

29、上述的制备方法中，生长六方氮化硼的时间为10min以上，具体可为10-60min，更具体可为30min。

30、上述的制备方法中，对硼烷氨固体粉末加热进行预处理的步骤中，加热的温度为80-130℃，时间为10-30min；并通入了氢气。

31、具体的，加热的温度为100℃，时间为10min；

32、所述氢气的流速为100-1000sccm，具体可为300sccm；

33、硼烷氨在加热过程中会发生化学反应生成环硼氮烷(b3n3h6)、h2以及b-n聚合物等产物。硼烷氨固体粉末经过预处理之后产生大量油状物，即液态的环硼氮烷。

34、上述的制备方法中，生长结束后还有将气体切换为氢气和氩气的混合气，至常压下进行自然降温的步骤；具体的，所述氢气的流速为100-1000sccm，具体可为100sccm；所述氩气的流速为500-1000sccm，具体可为500sccm。

35、上述的制备方法，步骤(4)中，使用水和四(二甲基氨基)基铪(tdmah)作为生长氧化铪的原材料。

36、上述的制备方法，步骤(4)的具体方法包括如下：将所述单晶六方氮化硼/cuni(111)晶圆加热至50-150℃(具体可为100℃)，四(二甲基氨基)基铪源瓶加热到60-100℃(具体可为80℃)，水源瓶的温度维持在10-30℃(具体可为30℃)，通入20-50sccm(具体可为20sccm)的氮气作为保护性载气；一次生长循环中，依次进行如下操作：水脉冲200-300ms，氮气吹扫60-120s，再脉冲10-50ms的四(二甲基氨基)基铪，氮气吹扫60-120s；

37、所述生长循环的次数为1次或多次。

38、上述的制备方法中，一次生长循环中，依次进行如下操作：水脉冲300ms，氮气吹扫120s，再脉冲30ms的四(二甲基氨基)基铪，氮气吹扫120s。

39、上述的制备方法中，一次生长循环中，沉积氧化铪厚度为0.05-0.2nm；通过设置不同的生长循环次数，沉积不同厚度的氧化铪。

40、具体的，生长的氧化铪薄膜的厚度可为1-50nm；具体可为2nm、5nm或10nm。

41、上述的制备方法中，将步骤(3)中制备的所述单晶六方氮化硼/cuni(111)晶圆于24小时之内放置于原子层沉积设备中进行氧化铪薄膜的生长；并将体系中的空气、水等抽离，压强低于0.2torr。

42、上述的制备方法，步骤(4)中，氧化铪薄膜生长结束后待体系降至室温然后冲入氮气，恢复大气压，再取出样品。

43、本发明进一步提供了上述制备方法制备得到的氧化铪/氮化硼复合栅介质。

44、最后，本发明还提供了上述氧化铪/氮化硼复合栅介质在与二维材料集成中的应用。

45、本发明的方法能够制备不同厚度的氧化铪/氮化硼晶圆，制备得到的复合栅介质平整，致密均匀，能够集成在二维材料电子器件上。

技术特征：

1.一种氧化铪/氮化硼复合栅介质的制备方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述铜膜和镍膜的总厚度为400-1000nm；具体可为400-800nm；

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述高温退火处理的温度为950-1100℃，时间为30-180min；

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中生长六方氮化硼的方法包括如下步骤：对硼烷氨固体粉末加热进行预处理；将所述单晶铜镍合金晶圆放置于管式炉中心，预处理过的硼烷氨放置于体系上游，先在常压条件下，通入氢气和氩气的混合气体，管式炉升温，当温度稳定后，将气体切换为氢气，增大压强，接着加热生长源，在所述单晶铜镍合金晶圆表面生长六方氮化硼薄膜。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：通入氢气和氩气的混合气体步骤中，氢气的流速为100-1000sccm，氩气的流速为10-1000sccm；

6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，使用水和四(二甲基氨基)基铪作为生长氧化铪的原材料。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)的具体方法包括如下：将所述单晶六方氮化硼/cuni(111)晶圆加热至50-150℃，四(二甲基氨基)基铪源瓶加热到60-100℃，水源瓶的温度维持在10-30℃，通入20-50sccm的氮气作为保护性载气；一次生长循环中，依次进行如下操作：水脉冲200-300ms，氮气吹扫60-120s，再脉冲10-50ms的四(二甲基氨基)基铪，氮气吹扫60-120s；

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：一次生长循环中，沉积氧化铪厚度为0.05-0.2nm；通过设置不同的生长循环次数，沉积不同厚度的氧化铪。

9.权利要求1-8中任一项所述制备方法制备得到的氧化铪/氮化硼复合栅介质。

10.权利要求9所述的氧化铪/氮化硼复合栅介质在与二维材料集成中的应用。

技术总结
本发明公开了一种超薄氧化铪/氮化硼复合栅介质的制备方法，属于二维材料集成电子学领域。本发明的氧化铪/氮化硼复合栅介质的制备方法是先制备超平整单晶氮化硼/CuNi(111)晶圆，然后通过原子层沉积的方法直接在单晶六方氮化硼/CuNi(111)晶圆上生长氧化铪薄膜，得到所述氧化铪/氮化硼复合栅介质。本发明的方法能够制备不同厚度的氧化铪/氮化硼晶圆，制备得到的复合栅介质平整，致密均匀，能够集成在二维材料电子器件上。

技术研发人员：彭海琳,王雅妮,王嘉豪
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23