CN105448690A - 一种利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，所述方法至少包括以下步骤：1)提供一半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成石墨烯薄膜；2)在所述石墨烯薄膜表面沉积一层金属层；3)进行快速退火，使所述半导体衬底表层的一部分原子穿过所述石墨烯薄膜与所述金属层发生反应，形成金属/半导体材料层。本发明通过采用坚硬的石墨烯薄膜作为插入层，快速退火阶段半导体材料的原子在插入层中的扩散速度较为缓慢，使材料整体的反应更加平衡，从而获得均匀平整且稳定的金属/半导体材料，改善界面的接触特性。

Description

一种利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法
技术领域
本发明涉及半导体器件的制作方法，特别是涉及一种利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法。
背景技术
传统晶体管的源漏区域，其电极一般采用半导体和金属电极之间直接接触，接触电阻很大，形成的肖特基势垒很高，从而影响了器件的性能。因此，人们不停地寻找一种能够降低电极接触电阻的方法，其中，一种效果良好的结构基本完全取代了半导体和金属电极直接接触的技术，这种效果良好的结构是采用金属和半导体材料，例如，Si材料，反应生成金属硅化物来作为接触材料，从而可以大幅度降低接触电阻和肖特基势垒，并得到了广泛的应用。
但是，金属和半导体材料直接反应生成金属/半导体接触材料，其反应速度过快，导致在半导体材料表面生成的金属/半导体材料不均匀且不稳定，质量不佳。为了改善接触材料的质量，现有技术中，会在待反应的金属和半导体材料之间制作一层金属插入层，例如，在半导体材料Si1-xGex和Ni金属层之间制作一层Ti金属薄膜，之后通过快速退火使所述Ni金属向下穿过所述Ti金属薄膜与所述Si1-xGex层反应生成NiSi1-xGex层，该NiSi1-xGex层作为半导体材料与后续金属电极之间的接触材料。
但是，一般来说，金属硬度很低，因此，金属作为插入层时，上层待反应的金属在插入层中的扩散速较快，最终导致与下层半导体反应的速度也较快，反应生成的金属/半导体材料依然不能满足工艺上均匀、稳定、质量好的要求，影响后续金属电极与半导体材料的接界面触特性。
鉴于以上缺点，本发明的目的在于提供一种制作均匀平整、稳定质量好的金属/半导体接触材料的方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，用于解决现有技术中不易形成厚度均匀、稳定且质量好的金属/半导体薄膜材料的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，所述方法至少包括步骤：
1)提供一半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成石墨烯薄膜；
2)在所述石墨烯薄膜表面沉积一层金属层；
3)进行快速退火，使所述半导体衬底表层的一部分原子穿过所述石墨烯薄膜与所述金属层发生反应，形成金属/半导体材料层。
作为本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法的一种优选的方案，所述半导体衬底为硅衬底、锗衬底或者表面外延有Si1-xGex层的硅衬底，其中，0.05≤x≤0.9，所述Si1-xGex的厚度范围为50～100nm。
作为本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法的一种优选的方案，所述步骤1)中在形成石墨烯薄膜之前还包括采用标准RCA清洗工艺清洗所述半导体衬底的步骤。
作为本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法的一种优选的方案，所述步骤1)中采用化学气相沉积或转移的方法在所述半导体衬底上形成石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜为单层、双层或者多层。
作为本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法的一种优选的方案，所述石墨烯薄膜的厚度范围为0～5nm。
作为本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法的一种优选的方案，所述步骤2)中采用电子束蒸发或者磁控溅射的方法在所述石墨烯薄膜的表面沉积一层金属层。
作为本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法的一种优选的方案，所述步骤2)中金属层为Ni、Ti、Co、Nb、Pb、Pt中的一种或多种形成的叠加结构，或者为上述任意两种或多种金属形成的合金。
作为本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法的一种优选的方案，所述金属层的厚度范围为1～100nm。
作为本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法的一种优选的方案，所述步骤3)的快速退火工艺在真空或者惰性气氛中进行，退火温度范围为100～1000℃，退火时间为1～1000秒。
作为本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法的一种优选的方案，所述惰性气氛为N2或Ar气。
如上所述，本发明的利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，至少包括以下步骤：1)提供一半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成石墨烯薄膜；2)在所述石墨烯薄膜表面沉积一层金属层；3)进行快速退火，使所述半导体衬底表层的一部分原子穿过所述石墨烯薄膜与所述金属层发生反应，形成金属/半导体材料层。本发明通过采用坚硬的石墨烯薄膜作为插入层，快速退火阶段半导体材料的原子在插入层中的扩散速度较为缓慢，使材料整体的反应更加平衡，从而获得均匀平整且稳定的金属/半导体材料，改善界面的接触特性。
附图说明
图1为本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法的流程示意图。
图2～图3为本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法步骤1)中所呈现的结构示意图。
图4为本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法步骤2)中所呈现的结构示意图。
图5为本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法步骤3)中所呈现的结构示意图。
元件标号说明
S1～S3步骤
10半导体衬底
20石墨烯薄膜
30金属层
40金属/半导体材料层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图1～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供一种利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，如图1所示，所述方法至少包括以下步骤：
S1，提供一半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成石墨烯薄膜；
S2，在所述石墨烯薄膜表面沉积一层金属层；
S3，进行快速退火，使所述半导体衬底表层的一部分原子穿过所述石墨烯薄膜与所述金属层发生反应，形成金属/半导体材料层。
以下结合具体附图对本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法做详细的介绍。
首先执行步骤S1，如图2和图3所示，提供一半导体衬底10，在所述半导体衬10底表面形成石墨烯薄膜20。
本实施例中，所述半导体衬底为10采用锗的初始衬底。在进行石墨烯薄膜20制作之前，需要采用标准RCA清洗工艺清洗所述半导体衬底10，以去除所述半导体衬底10表面的污染物，利于石墨烯薄膜20的制作。
可以采用化学气相沉积(CVD)的方法在锗衬底上生长单层、双层或者多层石墨烯薄膜20。当然，也可以采用转移的方法在所述锗衬底上覆盖一层石墨烯薄膜20。本实施例中，采用化学气相沉积工艺在所述锗衬底上生长单层石墨烯薄膜20。所述石墨烯薄膜20的厚度较薄，控制在0～5nm范围内。
然后执行步骤S2，如图4所示，在所述石墨烯薄膜20表面沉积一层金属层30。
可以采用电子束蒸发或者磁控溅射的方法在所述石墨烯薄膜20表面沉积一层金属层30。沉积的金属层30可以是Ni、Ti、Co、Nb、Pb、Pt等中的一种或多种形成的叠加结构，或者为上述任意两种或多种金属形成的合金。当然，也可以是其他合适的金属或合金材料，在此不限。
沉积的金属层30的厚度在1～100nm范围内。本实施例中，所述金属层30选择为Ni，厚度为50nm。
最后执行步骤S3，如图5所示，进行快速退火(RTA)，使所述半导体衬底10表层的一部分原子穿过所述石墨烯薄膜20与所述金属层30发生反应，形成金属/半导体材料层40。
作为示例，所述快速退火工艺在真空或惰性气氛中进行，退火的温度选择为100～1000℃，退火时间选择为1～1000秒。进一步地，所述惰性气氛可以是N2或Ar气，当然，也可以是其他合适的惰性气氛，在此不限。
本实施例中，所述快速退火在N2气气氛中进行，退火温度为500℃，退火时间为80秒。
本实施例中，采用的半导体衬底10是锗衬底，进行快速退火后在石墨烯薄膜20表面反应生成的金属/半导体材料层为金属锗化物。选择Ni作为金属层30材料，则反应生成的金属/半导体材料层40为镍锗化物。
本发明采用硬度最高的石墨烯作为插入层获得均匀平整且质量高的金属/半导体材料的原因是：一方面，在快速退火过程中，坚硬的石墨烯可以使发生反应的原子在穿过石墨烯薄膜时扩散速率相对较为缓慢，材料整体的反应较为平衡；另一方面，传统采用金属作为插入层的方法，是由上层的金属层原子向下扩散穿过插入层与半导体材料反应，而本发明退火过程中，是由半导体材料的原子向上扩散穿过石墨烯插入层与金属层材料发生反应，这也会使得反应发生较为缓慢，材料整体的反应较为平衡，从而获得均匀、平整且质量高的金属/半导体材料。
实施例二
本实施例以表面外延有Si1-xGex层的硅衬底作为半导体衬底10来介绍本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，具体方法步骤如下：
首先，采用Si晶圆为初始衬底；
其次，对Si衬底进行标准的RCA清洗；
然后，在硅衬底上外延生长Si1-xGex层，Si1-xGex层厚度范围为50～100nm，x取值为0.05～0.9。本实施例中，所述Si1-xGex层厚度为80nm，x取值为0.8，即Si1-xGex层为Si0.2Ge0.8层；
接着，在所述Si1-xGex层上通过转移的方法覆盖一层石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜的厚度为0.34nm；
接着，利用电子束蒸发法或磁控溅射法，在石墨烯薄膜表面面沉积一层金属层，所述金属层Ni、Ti、Co、Nb、Pb、Pt等中的一种或多种形成的叠加结构，或者为上述任意两种或多种金属形成的合金，厚度为1～100nm。本实施例中，所述金属层为Ti，厚度为100nm。
最后，进行快速热退火，退火温度为100-1000℃，退火气氛为真空或N2、Ar等惰性气氛，时间为1～1000秒。本实施例中，退火温度为450℃，退火气氛为真空，退火时间为50秒。
退火之后在所述石墨烯薄膜的表面反应生成的金属/半导体材料层为金属硅锗化物。金属层选择为Ti，则金属/半导体材料层为钛硅锗化物。
实施例三
本实施例以硅衬底作为半导体衬底10来介绍本发明利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，具体方法步骤如下：
首先，采用Si晶圆为初始衬底；
其次，对所述Si衬底进行标准的RCA清洗；
接着，在所述硅衬底上通过转移的方法覆盖一层石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜的厚度为0.34nm；
接着，利用电子束蒸发法或磁控溅射法，在石墨烯薄膜表面面沉积一层金属层，所述金属层Ni、Ti、Co、Nb、Pb、Pt等中的一种或多种形成的叠加结构，或者为上述任意两种或多种金属形成的合金，厚度为1～100nm。本实施例中，所述金属层为TiPt合金，厚度为30nm。
最后，进行快速热退火，退火温度为100-1000℃，退火气氛为真空或N2、Ar等惰性气氛，时间为1～1000秒。本实施例中，退火温度为550℃，退火气氛为Ar气氛，退火时间为70秒。
退火之后在所述石墨烯薄膜的表面反应生成的金属/半导体材料层为金属硅化物。金属层选择为TiPt，则金属/半导体材料层为钛铂硅化物。
综上所述，本发明提供一种利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，至少包括以下步骤：1)提供一半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成石墨烯薄膜；2)在所述石墨烯薄膜表面沉积一层金属层；3)进行快速退火，使所述半导体衬底表层的一部分原子穿过所述石墨烯薄膜与所述金属层发生反应，形成金属/半导体材料层。本发明通过采用坚硬的石墨烯薄膜作为插入层，快速退火阶段半导体材料的原子在插入层中的扩散速度较为缓慢，使材料整体的反应更加平衡，从而获得均匀平整且稳定的金属/半导体材料，改善界面的接触特性。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，其特征在于，所述方法至少包括步骤：
1)提供一半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成石墨烯薄膜；
2)在所述石墨烯薄膜表面沉积一层金属层；
3)进行快速退火，使所述半导体衬底表层的一部分原子穿过所述石墨烯薄膜与所述金属层发生反应，形成金属/半导体材料层。
2.根据权利要求1所述的利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，其特征在于：所述半导体衬底为硅衬底、锗衬底或者表面外延有Si1-xGex层的硅衬底，其中，0.05≤x≤0.9，所述Si1-xGex的厚度范围为50～100nm。
3.根据权利要求1所述的利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，其特征在于：所述步骤1)中在形成石墨烯薄膜之前还包括采用标准RCA清洗工艺清洗所述半导体衬底的步骤。
4.根据权利要求1所述的利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，其特征在于：所述步骤1)中采用化学气相沉积或转移的方法在所述半导体衬底上形成石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜为单层、双层或者多层。
5.根据权利要求1所述的利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，其特征在于：所述石墨烯薄膜的厚度范围为0～5nm。
6.根据权利要求1所述的利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，其特征在于：所述步骤2)中采用电子束蒸发或者磁控溅射的方法在所述石墨烯薄膜的表面沉积一层金属层。
7.根据权利要求1所述的利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，其特征在于：所述步骤2)中金属层为Ni、Ti、Co、Nb、Pb、Pt中的一种或多种形成的叠加结构，或者为上述任意两种或多种金属形成的合金。
8.根据权利要求1所述的利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，其特征在于：所述金属层的厚度范围为1～100nm。
9.根据权利要求1所述的利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，其特征在于：所述步骤3)的退火工艺在真空或者惰性气氛中进行，退火温度范围为100～1000℃，退火时间为1～1000秒。
10.根据权利要求9所述的利用石墨烯插入层外延生长金属/半导体材料的方法，其特征在于：所述惰性气氛为N2或Ar气。
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