CN105845543A - 石墨烯的生长方法、石墨烯层及半导体器件 - Google Patents

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罗军
赵超
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Abstract

本发明公开了一种石墨烯的生长方法，包括：提供衬底；在衬底上形成单晶的金属硅化物层；采用化学气相沉积的方法，在金属硅化物层上生长石墨烯层。金属硅化物层能够承受长时间的高温环境，可适应于石墨烯的生长工艺，同时，在生长石墨烯之后，不会存在金属污染的问题，便于石墨烯的转移和进一步的应用。

Description

石墨烯的生长方法、石墨烯层及半导体器件
技术领域
本发明属于半导体制造领域，尤其涉及一种石墨烯的生长方法、石墨烯层及半导体器件。
背景技术
石墨烯材料是目前广泛研究的一种碳基材料，其具有高的载流子迁移率、高导电性能和高导热性。
目前，在石墨烯的一种制备方法中，采用金属基底，而后用化学气相沉积的方法，含碳气体中的碳沉积在金属基底上，从而形成石墨烯层，而后将石墨烯层转移到其他衬底上，其中，金属基底多采用Cu、Ni或Fe等材料，然而，在转移石墨烯层的过程中，会存在金属的污染，如金属的扩散和残留等，而在后续基于石墨烯层进行器件加工时，金属的污染会影响器件的性能，导致器件的失效，金属污染是不被接受的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种石墨烯的生长方法、石墨烯层及半导体器件，避免金属污染。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种石墨烯的生长方法，包括步骤：
提供衬底；
在衬底上形成单晶的金属硅化物层；
采用化学气相沉积的方法，在金属硅化物层上生长石墨烯层。
可选的，所述衬底为硅衬底，在衬底上形成单晶的金属硅化物层的步骤包括：
在衬底上淀积金属层，金属层的材料为Ni、Pt、Co、Ti或由他们的任意组合组成的合金，金属层的厚度为0.2-10nm；
进行热退火，以形成单晶的金属硅化物层。
可选的，热退火的温度为500-1000℃，退火的时间为10s-1000s。
可选的，金属硅化物层为NiSi2、CoSi2、TiSi2、Ni1-xPtxSi2、Ni1-yTiySi2、Ni1-yCoySi2或Co1-yTiySi2，其中，x≤10％，0<y<1。
可选的，化学气相沉积中采用的气体为碳源气体和H2。
可选的，化学气相沉积为低压化学气相沉积。
可选的，碳源气体和H2的比例可以为0.1:50至10:50。
此外，本发明还提供了一种石墨烯层，为将上述方法形成石墨烯层进行剥离获得的石墨烯层。
此外，本发明还提供了一种半导体器件，由在上述获得的石墨烯层上形成。
本发明的石墨烯的生长方法，通过在衬底上形成单晶的金属硅化物层之后，在晶体上进行石墨烯层的生长，金属硅化物层能够承受长时间的高温环境，可适应于石墨烯的沉积工艺，同时，在生长石墨烯之后，不会存在金属污染的问题，便于石墨烯的转移和进一步的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的石墨烯的生长方法的流程示意图；
图2-5为根据本发明实施例的生长方法制备石墨烯的各个制造过程中的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
在本发明中，提出了一种石墨烯的生长方法，包括：提供衬底；在衬底上形成单晶的金属硅化物层；在金属硅化物层上生长石墨烯层。
在本发明中，通过在衬底上形成单晶的金属硅化物层之后，在晶体上进行石墨烯层的生长，金属硅化物层能够承受长时间的高温，可适应于石墨烯的生长工艺，同时，在生长石墨烯之后，不会存在金属污染的问题，便于石墨烯的转移和进一步的应用。
为了更好的理解本发明的技术方案和技术效果，以下将结合具体的流程示意图图1对具体的实施例进行详细的描述。
首先，提供衬底100，参考图2所示。
在本发明实施例中，所述衬底100可以为仅作支撑作用的衬底，也可以为包含所需形成的金属硅化物的半导体材料的半导体衬底，该衬底可以为体衬底或叠层衬底。
在本实施例中，所述衬底100为硅衬底，硅衬底为顶层为硅层的衬底，例如可以为体硅衬底或SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)衬底。
而后，在衬底100上形成单晶的金属硅化物层120，参考图3所示。
在本实施例中，在硅衬底上先淀积一层金属层110，如图2所示，该金属层的材料可以选择Ni、Pt、Co、Ti或由这些金属材料的任意组合组成的合金，合金例如可以为Ni-Pt、Ni-Co或Ni-Ti合金等，金属层为薄层金属，厚度可以为0.2-10nm。
接着，进行热退火，温度范围可以在500-1000℃，退火的时间范围可以为10s-1000s，在热退火后，该薄层的金属层110与硅衬底100化合为单晶的金属硅化物层120，如图3所示，该单晶的金属硅化物层为外延的金属硅化物层，可以用于外延生长石墨烯层，在本实施例中，该金属硅化物层可以为NiSi2、CoSi2、TiSi2、Ni1-xPtxSi2、Ni1-yTiySi2、Ni1-yCoySi2或Co1-yTiySi2，其中，x≤10％，0<y<1。金属硅化物层具有耐高温的特点，至少可以承受500-1000℃的高温，且为单晶的结构，适用于高质量的石墨烯层的生长，且不会有金属的污染。
而后，采用化学气相沉积的方法，在金属硅化物层120上生长石墨烯层140，参考图5所示。
在本发明中，采用化学气相沉积的方法，在晶体的金属硅化物上生长出石墨烯，生长石墨烯的碳源可以为烃类气体，如甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)或其他含碳气体等。
在本实施例中，碳源气体130采用CH4，同时反应腔中混合有H2，CH4和H2的比例可以为：0.1:50至10:50，采用低压化学气相沉积(LPCVD)的工艺方法，生长的温度范围可以为500-1200℃，时间可以为1min-10h，单晶的金属硅化物层120作为石墨烯生长的晶体材料，从而在金属硅化物层120上生长出单层或多层的石墨烯层140，如图5所示。
至此，形成了本发明实施例的石墨烯层。
而后，可以采用剥离技术，将石墨烯层剥离，进而进行半导体器件的制造。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种石墨烯的生长方法，其特征在于，包括步骤：
提供衬底；
在衬底上形成单晶的金属硅化物层；
采用化学气相沉积的方法，在金属硅化物层上生长石墨烯层。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述衬底为硅衬底，在衬底上形成单晶的金属硅化物层的步骤包括：
在衬底上淀积金属层，金属层的材料为Ni、Pt、Co、Ti或由他们的任意组合组成的合金，金属层的厚度为0.2-10nm；
进行热退火，以形成单晶的金属硅化物层。
3.根据权利要求2所述的生长方法，其特征在于，热退火的温度为500-1000℃，退火的时间为10s-1000s。
4.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，金属硅化物层为NiSi2、CoSi2、TiSi2、Ni1-xPtxSi2、Ni1-yTiySi2、Ni1-yCoySi2或Co1-yTiySi2，其中，x≤10％，0<y<1。
5.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，化学气相沉积中采用的气体为碳源气体和H2。
6.根据权利要求5所述的生长方法，其特征在于，化学气相沉积为低压化学气相沉积。
7.根据权利要求5所述的生长方法，其特征在于，碳源气体和H2的比例可以为0.1:50至10:50。
8.一种石墨烯层，其特征在于，由权利要求1-7中任一项所述的方法生长的石墨烯层剥离后获得。
9.一种半导体器件，其特征在于，在权利要求8所述的石墨烯层上形成。
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