技术摘要：
本发明介绍了一种氟化石墨烯/高k介质复合结构的制备方法，包括以下步骤：(1)选择一半导体衬底作为基底；(2)制备单层石墨烯并转移至衬底上；(3)利用ALD的等离子体模式对所述的石墨烯进行氟化处理；(4)利用ALD的热生长模式原位在氟化石墨烯表面生长纳米厚度的高k介质层，  全部
背景技术：
随着现代信息产业的快速发展以及物联网、云计算和大数据时代的到来，人类对 于信息数据的容量和处理速度的要求都在飞速增加。在微电子领域，电路的集成度遵循着 Moore定律不断提高。为了延续Moore定律，IC设计追求器件特征尺寸不断缩小来实现器件 性能和集成度的不断提高。而超越Moore定律追求器件功能多样化的发展，如高压、高功率、 射频、传感、生物芯片等方面的应用。集成电路正向着功能化，多维化的超越Moore趋势发 展。 具有较高介电常数(高k)的介质绝缘材料和宽禁带、高迁移率的沟道材料是半导 体技术发展的必然选择，而高k介质/半导体的界面钝化特性直接决定微电子器件的性能和 可靠性。引入高k介质层后，由于金属氧化物中金属原子与氧原子之间的结合能比SiO2中 Si-O的结合能低的多，氧原子容易向衬底扩散。这种扩散一方面使薄膜中氧空位增加，薄膜 质量降低；另一方面使衬底和栅介质层之间生成不必要的界面层。衬底界面层通常是由半 导体表面氧化及元素扩散等形成的介电常数低、缺陷密度高的亚稳态氧化物组成。这样的 界面层缺陷密度高，会导致费米能级钉扎、泄漏电流增大、电容曲线异常，器件沟道区无法 形成反型层等。 对Ⅲ-Ⅴ族沟道材料而言，面临的一个更严重的挑战是，Ⅲ-Ⅴ族材料的自身氧化 物不稳定，缺乏像Si-SiO2体系那样具有稳定的、高质量的、有良好界面特性的界面。而且 Ⅲ-Ⅴ族材料的氧化物较为复杂，使这一问题更加严重。例如，InGaAs被研究者认为是最有 可能代替Si实现n型沟道MOSFET器件的材料，但是InGaAs的氧化物包含Ga2O3、Ga2O、As2O3、 As2O5、In2O3、GaAsO4、InAsO4等多种氧化物，而且相对不稳定，As-O键很容易转化产生Ga-O 键，并产生As-As。而Ga-O键、In-O键、As-O键、As-As键都会导致界面陷阱，使界面态密度过 高，并由此带来了一系列的问题。因此要实现高性能的MOSFET，需要对界面钝化方法进行特 殊优化。 专利CN105304689A公开了基于氟化石墨烯钝化的AlGaN/GaN  HEMT器件及其制作 方法，将单层石墨烯转移到AlGaN表面，经过氟离子处理后绝缘，以此替代常规氮化物钝化 层。然后在石墨烯上生长高k材料，两者共同作为栅介质，制备AlGaN/GaN金属-绝缘层-半导 体(MIS)HEMT器件。然而该专利涉及到了一种基于氟化石墨烯钝化的AlGaN/GaN  HEMT器件 及其制作方法，其目标是制作一种半导体HEMT器件，提出了氟化石墨烯在此器件中有较好 的隔离性能，而本申请面向所有的介质/半导体领域，提出了一种新的复合结构介质薄膜， 且该复合结构介质薄膜可用于半导体钝化。 3 CN 111554573 A 说　明　书 2/4 页
技术实现要素：
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种氟化石墨烯/高k介质复合结构 的制备方法，能有效抑制器件泄漏电流，减小界面态密度，抑制器件电流崩塌效应等，对改 善介质/半导体界面问题提供一种新的途径。 本发明的目的通过以下技术方案实现： 一种氟化石墨烯/高k介质复合结构的制备方法，包括以下步骤： (1)选择一半导体衬底作为基底； (2)制备单层石墨烯并转移至衬底上； (3)利用ALD的等离子体模式对所述的石墨烯进行氟化处理； (4)利用ALD的热生长模式原位在氟化石墨烯表面生长纳米厚度的高k介质层，得 到氟化石墨烯/高k介质复合结构； (5)对所述氟化石墨烯/高k介质复合结构进行高温快速退火处理。 本发明实现氟化石墨烯/高k介质复合体系对衬底的钝化，有效抑制界面层生长， 减小界面态密度，抑制器件泄漏电流。 优选地，步骤(1)所述半导体衬底选自Si，Ge，GaAs，InP，GaN或SiC。 优选地，步骤(1)所述半导体衬底进行清洗。 优选地，步骤(2)利用微机械法剥离块状石墨制备单层石墨烯并转移至衬底上；或 者利用化学气相沉积方法生长单层石墨烯，再将其转移至衬底上。 优选地，步骤(3)利用ALD的低能脉冲式等离子体模式对所述的石墨烯进行氟化处 理，对等离子体发生器功率、气体流量和腔体温度进行调节，同时调节ALD循环数和单一循 环中的脉冲时间，实现ALD循环数对石墨烯氟化程度的精确调控，优化条件使氟化石墨烯具 有良好的钝化特性。 优选地，步骤(4)利用氟化石墨烯表面范德瓦尔斯力吸附的水分子作为成核点，生 长不同组纳米厚度的高k介质层。 优选地，所述高k介质层为Al2O3、HfO2或Gd2O3。 优选地，步骤(5)所述退火处理采用N2气氛处理，退火温度在200-500℃范围内。 本发明构造氟化石墨烯，通过在石墨烯的每一个碳原子周围增加一个氟原子形 成，是一个机械性能、化学和热稳定性都很好的化合物。作为二维材料，氟化石墨烯具有很 薄的物理厚度(亚纳米量级)和良好的隔离作用。绝缘氟化石墨烯的选择透过性和高击穿特 性决定了它作为半导体电子器件中扩散阻挡层的应用潜力。在高k介质与半导体衬底之间 引入氟化石墨烯层形成氟化石墨烯/高k介质复合体系，改善了界面问题。相比于传统的高k 介质钝化层，该复合结构中的氟化石墨烯对ALD生长高k薄膜过程中衬底表面被氧化形成的 缺陷有抑制作用；而且氟化过程能使石墨烯中引入负电荷，有利于器件的阈值电压正向移 动，而形成增强型器件。 当前半导体的钝化方案普遍采用高k介质。对于Si材料，引入高k介质层后由于金 属氧化物中金属原子与氧原子之间的结合能比SiO2中Si-O的结合能低的多，氧原子容易向 衬底扩散，这种扩散一方面使薄膜中氧空位增加，薄膜质量降低；另一方面使衬底和栅介质 层之间生成不必要的界面层，而Ⅲ-Ⅴ族材料的自身氧化物不稳定，缺乏像Si/SiO2体系那 样具有稳定的、高质量的、有良好界面特性的界面，而且Ⅲ-Ⅴ族材料的氧化物较为复杂，使 4 CN 111554573 A 说　明　书 3/4 页 这一问题更加严重，因此要实现高性能的MOSFET，需要对界面钝化方法进行特殊优化。 本申请面向所有的介质/半导体领域，提出了一种新的复合结构介质薄膜，且该复 合结构介质薄膜可用于半导体钝化，本申请的主要特色在于： 1)提出了一种氟化石墨烯/高k介质复合结构薄膜，该薄膜可用于半导体钝化； 2)氟化石墨烯的制备采用ALD的低能脉冲式等离子体模式，可以调控优化石墨烯 的氟化程度，有利于保护石墨烯的完整性； 3)原位制备氟化石墨烯/高k介质复合结构，利用ALD制备完氟化石墨烯后再利用 ALD生长高k介质，减少制备中的接触，减少介质缺陷； 4)氟化石墨烯/高k介质复合结构的生长模式是基于氟化石墨烯表面范德瓦尔斯 力吸附的水分子作为成核点，石墨烯表面本无悬挂键，该方法可以使氟化石墨烯/高k介质 复合结构制备成为可能。 本发明实现氟化石墨烯/高k介质复合体系的制备，并对半导体衬底钝化，有效抑 制界面层生长，减小界面态密度，抑制器件泄漏电流。 附图说明 图1为基于氟化石墨烯/高k介质复合体系的钝化方法流程图； 图2为Al2O3及氟化石墨烯/Al2O3复合介质对GaN衬底钝化的TEM图：(1)Al2O3；(2)氟 化石墨烯/Al2O3复合介质； 图3为氟化石墨烯/氧化铝复合介质和氧化铝介质的IV特性曲线。