[論文レビュー] Atomic layer deposition of HfO2 on graphene from HfCl4 and H20

Harry Alles, Jaan Aarik+9 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2010

Semiconductor materials and devices被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、180 °CでHfCl4およびH2Oを前駆体として用い、2段階の温度プロセス（170 °Cの後に300 °C）を適用することで、改変のないグラフェン上に原子層堆積（ALD）によるHfO2を実現した。均一で単斜晶系のHfO2膜が得られ、表面粗さは1.7–2.5 nmであり、グラフェンの電子的性質への影響は最小限に抑えられ、11 nmのHfO2膜ではディラック点における電子移動度が10%未満に低下した。

ABSTRACT

Atomic layer deposition of ultrathin HfO2 on unmodified graphene from HfCl4 and H2O was investigated. Surface RMS roughness down to 0.5 nm was obtained for amorphous, 30 nm thick hafnia film grown at 180 degrees C. HfO2 was deposited also in a two-step temperature process where the initial growth of about 1 nm at 170 degrees C was continued up to 10-30 nm at 300 degrees C. This process yielded uniform, monoclinic HfO2 films with RMS roughness of 1.7 nm for 10-12 nm thick films and 2.5 nm for 30 nm thick films. Raman spectroscopy studies revealed that the deposition process caused compressive biaxial strain in graphene whereas no extra defects were generated. An 11 nm thick HfO2 film deposited onto bilayer graphene reduced the electron mobility by less than 10% at the Dirac point and by 30-40% far away from it.

研究の動機と目的

• 改変のないグラフェン上に、電子的用途向けに高品質なHfO2誘電体層を信頼性高く堆積する方法の開発。
• 高k誘電体堆積中にグラフェンの電子構造への損傷を最小限に抑えること。
• 厚さを制御し、表面粗さが低い均一で結晶性のあるHfO2膜の実現。
• HfO2キャッピングがグラフェンの電子移動度および欠陥密度に与える影響の評価。

提案手法

• HfCl4およびH2Oを前駆体として用い、逐次的かつ自己制限的な方法で原子層堆積（ALD）を実施した。
• 非晶質HfO2膜の堆積は180 °Cで行い、2段階プロセスでは170 °Cで1 nmの核生成を行い、その後300 °Cで10–30 nmまで成長を実施した。
• 表面粗さは原子間力顕微鏡（AFM）を用いて測定され、異なる膜厚に対してRMS値が報告された。
• Raman分光法を用いて、HfO2堆積後のグラフェンにおけるひずみおよび欠陥生成を評価した。
• HfO2キャッピングの前後におけるバイレイヤー・グラフェンの電子移動度を測定し、電子的劣化の程度を評価した。
• X線回折およびAFMにより、HfO2膜の単斜晶相および表面形態が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HfCl4およびH2Oを用いたALDにより、欠陥の導入なしに改変のないグラフェン上にHfO2を効果的に堆積できるか？
• RQ2 HfO2堆積温度が膜の結晶性および表面粗さに与える影響は何か？
• RQ3 HfO2キャッピングは、特にディラック点近辺におけるグラフェンの電子移動度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ALDプロセスがグラフェン格子にひずみまたは追加欠陥を誘発する程度はどの程度か？
• RQ5 2段階ALDプロセスにより、より均一で結晶性の高いHfO2膜が得られ、誘電特性が向上するか？

主な発見

• 180 °Cで堆積した30 nmの非晶質HfO2膜は、表面RMS粗さが0.5 nmであった。
• 2段階ALDプロセスにより、均一で単斜晶系のHfO2膜が得られ、10–12 nm膜ではRMS粗さが1.7 nm、30 nm膜では2.5 nmであった。
• Raman分光法により、グラフェンに圧縮性の等方的ひずみが生じたことが確認されたが、堆積中に追加の欠陥は生成しなかった。
• バイレイヤー・グラフェン上に11 nmのHfO2膜を形成した場合、ディラック点における電子移動度は10%未満に低下したが、それ以外の領域では30–40%の低下を示した。
• 2段階プロセスにより、単一温度での成長に比べ、構造的均一性が向上した結晶性HfO2の形成が可能になった。
• 本結果は、将来的な2次元電子およびオプトエレクトロニクスデバイスへの高k HfO2とグラフェンの統合の可能性を示している。