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电子元件与材料 2022年第7期41卷 680-685页

作者：刘姗王伟蒋志伟樊瑞祥杨玉帅王凯河北工业大学电子信息工程学院天津300401 天津市电子材料与器件重点实验室天津300401

石墨烯薄膜在集成电路领域有着光明的前景,为提高石墨烯原位生长质量,研究了石墨烯薄膜分别在Ni、SiO_(2)以及HfO_(2)衬底上的生长情况与成膜机理。采用电子束蒸镀制备了金属Ni与HfO_(2)高K介质薄膜,利用等离子体化学气相淀积(PECVD)法... 详细信息

石墨烯薄膜在集成电路领域有着光明的前景,为提高石墨烯原位生长质量,研究了石墨烯薄膜分别在Ni、SiO_(2)以及HfO_(2)衬底上的生长情况与成膜机理。采用电子束蒸镀制备了金属Ni与HfO_(2)高K介质薄膜,利用等离子体化学气相淀积(PECVD)法在温度为450℃、衬底偏压为100 V、射频功率为100 W的条件下,分别以Ni、SiO_(2)和HfO_(2)薄膜为衬底制备石墨烯薄膜。测试表明,Ni、SiO_(2)和HfO_(2)衬底均沉积了石墨烯薄膜,其中Ni衬底石墨烯薄膜样品最厚、缺陷最高;SiO_(2)和HfO_(2)石墨烯样品缺陷低,但石墨烯薄膜在HfO_(2)衬底的覆盖率低;通过Ni、SiO_(2)和HfO_(2)薄膜的表面能入手分析得出,碳原子在Ni表面以溶解-析出方式形成连续薄膜,以直接沉积模式在绝缘衬底上生长,高表面能导致石墨烯薄膜在HfO_(2)表面覆盖率低。

关键词：石墨烯薄膜等离子体化学气相淀积 HfO2薄膜表面能碳原子沉积

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石墨烯PECVD生长机理研究

石墨烯PECVD生长机理研究

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作者：刘姗河北工业大学

学位级别：硕士

石墨烯是由sp杂化碳原子组成的二维蜂窝状材料,因其优良的电学、光学等性能,在微电子领域具有重要的应用前景。目前,等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是低温原位生长石墨烯薄膜的重要技术方法之一,掌握PECVD工艺中衬底温度、衬底偏压以... 详细信息

石墨烯是由sp杂化碳原子组成的二维蜂窝状材料,因其优良的电学、光学等性能,在微电子领域具有重要的应用前景。目前,等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是低温原位生长石墨烯薄膜的重要技术方法之一,掌握PECVD工艺中衬底温度、衬底偏压以及衬底材料性质对碳原子沉积成膜的影响机理至关重要,对探索实现高K介质表面原位生长大面积、高质量的石墨烯薄膜具有重要意义。以金属Ni为衬底进行石墨烯PECVD工艺实验,使用拉曼光谱和AFM联合表征石墨烯样品,并采用Comsol平台构建CH/H/Ar等离子体模型,结合流体动力学理论仿真,从微观角度研究分析了PECVD过程中衬底温度和衬底偏压对石墨烯薄膜生长的影响。石墨烯薄膜质量在723 K最优,随着温度的升高,石墨烯薄膜覆盖率提高厚度增加、CH/H/Ar与电子碰撞强度降低、表面反应速率加快,碳原子在成膜过程沿衬底横向迁移增强。石墨烯样品在-100 V质量最优,随着偏压的升高,石墨烯薄膜厚度增大及缺陷密度增多,衬底表面带电粒子数密度上升、均匀性降低,衬底表面附近H等的中粒子分布减少,衬底偏压促进带电粒子向衬底表面移动,增强碳原子沉积速率、提高石墨烯薄膜规模,然而,偏压升高降低了基底表面H密度,抑制H对石墨烯薄膜的刻蚀,导致薄膜样品粗糙度升高。采用电子束蒸镀研制了适用于PECVD生长石墨烯的高质量金属Ni与HfO高K介质薄膜,采用AFM、XRD和阻抗分析仪对衬底薄膜的微观形貌、结构和电学性能进行了分析表征。Ni、SiO和HfO均是表面平整度高(RMS值分别为:0.857 nm、0.500 nm、0.403 nm)的无定形薄膜,SiO与HfO相对介电常数分别为3.41、23.68,HfO薄膜的介电性能接近理论值(相对介电常数25),并优于SiO薄膜介电性能。采用均匀实验设计研究了石墨烯薄膜在Ni、SiO及HfO衬底上的生长情况,分析总结了衬底材料性质对PECVD生长石墨烯的影响。拉曼光谱与AFM测试结果显示,衬底温度为450℃、偏压为-100 V、射频功率为100 W时,三种衬底石墨烯质量最高,在相同实验条件下,碳原子在Ni衬底成膜厚度最高。使用接触角测量仪表征Ni、SiO以及HfO种衬底表面能的相对大小为:Ni>HfO>SiO,分析得出,碳原子在Ni表面以溶解—析出模式形成连续薄膜,以直接沉积模式在绝缘衬底生长,高表面能导致石墨烯薄膜在HfO表面覆盖率低。

关键词：石墨烯薄膜高K介质 Comsol 等离子体放电碳原子沉积

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