CN103378001A - 图案化的石墨烯的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种图案化石墨烯的形成方法，包括：提供一半导体硅衬底，图案化所述半导体硅衬底；在图案化的半导体硅衬底表面掺杂碳元素至预定深度形成图案化的含碳层；激光退火所述图案化的含碳层，形成图案化的石墨烯。本发明还提供了一种图案化石墨烯的形成方法。采用本发明能够迅速形成图案化的石墨烯。

Description

图案化的石墨烯的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造技术，特别涉及一种图案化的石墨烯的形成方法。
背景技术
目前，在沟道中增加石墨烯(Graphene)来提高载流子迁移率。现有技术一种石墨烯的形成方法为：在半导体硅衬底表面形成一层聚乙烯甲基丙烯酸甲酯(Poly methyl methacrylate，PMMA)，PMMA是一种含碳聚合物，用于在激光的高温退火条件下形成石墨烯。
其形成原理主要是：硅衬底主要包含硅元素，在激光的照射下，硅衬底变为液态，液态的硅衬底相比于固态形式下可以更容易地吸收来自PMMA的碳元素，即液态的硅衬底相比于固态形式下对碳元素的溶解度更高，待激光照射结束后，硅衬底温度迅速冷却下降，又变为固态硅，因此溶解在其中的碳元素会迅速析出，停留在半导体硅衬底表面，形成所需要的石墨烯。在此过程中，需要采用波长为532纳米，能量为3.1瓦的钇铝石榴石(YAG)激光束照射PMMA及半导体硅衬底，长达5分钟，才能使得PMMA中的碳元素扩散至硅衬底中，然后照射结束后碳元素析出在硅衬底表面。
另外，由于碳元素在高温下容易变为气态，所以还需要在PMMA的表面覆盖一层如石英玻璃，以阻止碳元素的挥发，后续这层石英玻璃在不需要的情况下还需要去除。这不但使工序复杂化，而且也没有出版物记载如何将采用PMMA形成的石墨烯应用在工业生产的半导体器件的沟道中。一般地在半导体器件制造中，在半导体硅衬底上存在多个半导体器件，即存在多个沟道，所以需要将形成的石墨烯隔离开，位于每个沟道中，即形成图案化的石墨烯。所以说现有技术只概念性地提出采用PMMA形成石墨烯，但具体实现起来既费时又复杂，而且没有在工业制造中实际应用。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是：如何迅速形成图案化的石墨烯。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：
本发明提供了一种图案化的石墨烯的形成方法，包括：
提供一半导体硅衬底，图案化所述半导体硅衬底；
在图案化的半导体硅衬底表面掺杂碳元素至预定深度形成图案化的含碳层；
激光退火所述图案化的含碳层，形成图案化的石墨烯。
含碳层的深度不大于10纳米。
采用钇铝石榴石YAG激光束进行激光退火。
采用YAG激光束进行激光退火的时间为毫秒级到秒级。
图案化所述半导体硅衬底包括刻蚀半导体硅衬底形成多个沟槽，在多个沟槽内填充材料；或者在半导体硅衬底表面形成图案化的掩膜。
如果在半导体硅衬底表面形成图案化的掩膜，则该方法进一步包括：在激光退火之后去除所述图案化的掩膜；或者在形成图案化的含碳层之后，且在激光退火之前去除所述图案化的掩膜。
本发明还提供了一种图案化的石墨烯的形成方法，包括：
提供一半导体硅衬底，在所述半导体硅衬底表面掺杂碳元素至预定深度形成含碳层；
图案化所述含碳层；
激光退火图案化的含碳层，形成图案化的石墨烯。
图案化所述含碳层包括：刻蚀含碳层至半导体硅衬底形成多个沟槽，在多个沟槽内填充材料。
由上述的技术方案可见，本发明的图案化的石墨烯的形成方法，关键是对半导体硅衬底进行碳元素的掺杂，使碳元素直接分布在硅衬底中，不需要象现有技术那样需要激光长时间的照射使碳元素扩散至硅衬底中。只需要扫描式地对掺杂有碳元素的硅衬底进行激光退火，退火结束后碳元素析出在硅衬底表面。而且，本发明图案化石墨烯的方法比较灵活易实现，隔离开的石墨烯，位于每个沟道中，用于提高载流子迁移率，为工业生产半导体器件带来方便。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种图案化的石墨烯的形成方法的流程示意图。
图2至图4为本发明实施例一第一种实现方法的具体结构示意图。
图5至图7为本发明实施例一第二种实现方法的具体结构示意图。
图8为本发明实施例二提供的一种图案化的石墨烯的形成方法的流程示意图。
图9至图11为本发明实施例二的一种实现方法的具体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例一
本发明提供的一种图案化的石墨烯的形成方法的流程示意图如图1所示，包括以下步骤：
步骤11、提供一半导体硅衬底，图案化所述半导体硅衬底；
步骤12、在图案化的半导体硅衬底表面掺杂碳元素至预定深度形成图案化的含碳层；
其中，含碳层称为低浓度掺杂(Low Density Doping，LDD)层，其深度一般不大于10纳米，较浅的含碳层在激光退火作用下容易析出至硅衬底上表面。
步骤13、激光退火所述图案化的含碳层，形成图案化的石墨烯。
其中，可以仍然采用YAG激光束进行激光退火，但本发明碳元素已经被掺杂扩散至半导体硅衬底中，所以相当于可以省略了现有技术高温激光照射使碳元素扩散的时间(省略了大约5分钟)，在短暂的高温之后，就结束激光照射，利用高温到低温的突变，析出碳元素至硅衬底表面，即采用YAG激光束进行激光退火的时间可以为毫秒级到秒级的范围，扫描一下就可实现。
该实施方式先图案化半导体硅衬底，图案化半导体硅衬底的方法有多种，根据具体应用而不同。
如果需要将半导体硅衬底用浅沟槽隔离区(STI)隔离开，在STI之间形成半导体器件，例如金属氧化物半导体(MOS)管，则图案化所述半导体硅衬底的方法为：刻蚀半导体硅衬底201形成多个沟槽，在多个沟槽内填充材料，例如氧化硅，形成STI202，如图2所示。接下来，如图3所示，按照步骤12的方法，在STI202之间的半导体硅衬底表面掺杂碳元素至预定深度形成图案化的含碳层203。最后如图4所示，按照步骤13的方法，激光退火所述图案化的含碳层203，碳元素析出在硅衬底表面，形成图案化的石墨烯204。显然可以在形成有石墨烯的硅衬底表面形成MOS管的栅极，栅极下方的沟道内有石墨烯，恰好用来提高载流子迁移率。
如果需要在半导体硅衬底501表面形成图案化的掩膜502，利用图案化的掩膜进行碳掺杂，则如图5所示。接下来，如图6所示，按照步骤12的方法，在掩膜之间的半导体硅衬底501表面掺杂碳元素至预定深度形成图案化的含碳层503。最后如图7所示，按照步骤13的方法，激光退火所述图案化的含碳层503，碳元素析出在硅衬底表面，形成图案化的石墨烯504。由于图案化的掩膜502只是用来形成图案化的含碳层，最终可以去除，所以可以在激光退火之后去除所述图案化的掩膜502；也可以在步骤12和步骤13之间去除所述图案化的掩膜502。
实施例二
本发明提供的一种图案化的石墨烯的形成方法的流程示意图如图8所示，包括以下步骤：
步骤81、提供一半导体硅衬底901，在所述半导体硅衬底表面掺杂碳元素至预定深度形成含碳层902；如图9所示，其中，含碳层称为低浓度掺杂(LowDensity Doping，LDD)层，其深度一般不大于10纳米，较浅的含碳层在激光退火作用下容易析出至硅衬底上表面。
步骤82、图案化所述含碳层；
步骤83、激光退火图案化的含碳层，形成图案化的石墨烯。
其中，可以仍然采用YAG激光束进行激光退火，但本发明碳元素已经被掺杂扩散至半导体硅衬底中，所以相当于可以省略了现有技术高温激光照射使碳元素扩散的时间(省略了大约5分钟)，在短暂的高温之后，就结束激光照射，利用高温到低温的突变，析出碳元素至硅衬底表面，即采用YAG激光束进行激光退火的时间可以为毫秒级到秒级的范围，扫描一下就可实现。
该实施方式先形成含碳层，图案化所述含碳层的方式有多种，根据具体应用而不同。
如果需要将半导体硅衬底用STI隔离开，在STI之间形成半导体器件，例如MOS管，则图案化所述含碳层的方法为：刻蚀含碳层902至半导体硅衬底901形成多个沟槽，在多个沟槽内填充材料，例如氧化硅，形成STI903，如图10所示，这样在STI之间的半导体硅衬底表面就形成了多个分离开的含碳层，即图案化的含碳层。最后，如图11所示，按照步骤83的方法，激光退火所述图案化的含碳层902，碳元素析出在硅衬底表面，形成图案化的石墨烯904。显然可以在形成有石墨烯的硅衬底表面形成MOS管的栅极，栅极下方的沟道内有石墨烯，恰好用来提高载流子迁移率。
综上，通过本发明的方法，形成了图案化的石墨烯，从而实现了工业上的应用。最重要的是，大大减少了激光退火的时间，提高了生产效率。需要说明的是，本发明图案化半导体硅衬底，或者图案化含碳层的方法包括但不限定于上述实施例，为符合半导体器件的结构要求，任何图案化的形式都在本发明的保护范围内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种图案化的石墨烯的形成方法，包括：
提供一半导体硅衬底，图案化所述半导体硅衬底；
在图案化的半导体硅衬底表面掺杂碳元素至预定深度形成图案化的含碳层；
激光退火所述图案化的含碳层，形成图案化的石墨烯。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，含碳层的深度不大于10纳米。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用钇铝石榴石YAG激光束进行激光退火。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，采用YAG激光束进行激光退火的时间为毫秒级到秒级。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，图案化所述半导体硅衬底包括刻蚀半导体硅衬底形成多个沟槽，在多个沟槽内填充材料；或者在半导体硅衬底表面形成图案化的掩膜。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，如果在半导体硅衬底表面形成图案化的掩膜，则该方法进一步包括：在激光退火之后去除所述图案化的掩膜；或者在形成图案化的含碳层之后，且在激光退火之前去除所述图案化的掩膜。
7.一种图案化的石墨烯的形成方法，包括：
提供一半导体硅衬底，在所述半导体硅衬底表面掺杂碳元素至预定深度形成含碳层；
图案化所述含碳层；
激光退火图案化的含碳层，形成图案化的石墨烯。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，图案化所述含碳层包括：刻蚀含碳层至半导体硅衬底形成多个沟槽，在多个沟槽内填充材料。
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