CN110759334A - 一种石墨烯沟道结构及其制作方法 - Google Patents

一种石墨烯沟道结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种石墨烯沟道结构及其制作方法，在硅衬底上的热氧化层的沟槽中形成铜填充层，以及，在所述铜填充层上沉积镍薄膜层后，在所述镍薄膜层中加入碳材料，即而执行退火工艺，以使所述镍薄膜层中的所述碳材料析出在所述镍薄膜层和所述铜填充层之间，形成石墨烯沟道层，之后再去除所述镍薄膜层和所述铜填充层，以形成所述石墨烯沟道结构。通过采用非转移式的石墨烯薄膜生长方法，可有效消除石墨烯薄膜转移工艺中引入的各种污染、缺陷及损伤，且悬空的石墨烯沟道结构，保护了石墨烯薄膜的表面质量，不会被粘附的各种介质层损伤。

Description

一种石墨烯沟道结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种石墨烯沟道结构及其制作方法。
背景技术
石墨烯(graphene)是碳原子紧密堆积形成的单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质材料，室温下具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率(10000cm2V-1s-1)。石墨烯的单原子层结构使其具有独特的量子输运特性，电子结构易于调控。石墨烯基纳电子器件的显著优势是整个电路的各种部件，可能制造并集成在同一片石墨烯衬底上，从而避免一维材料基器件中难以实现的集成问题，使得其在纳米电子器件中有巨大的应用潜力。
在目前的石墨烯基器件工艺开发中，通常需要在特定的衬底上生长单层或多层的石墨烯薄膜，然后将这些石墨烯薄膜转移到目标基底上，通过后续工艺形成电子器件。这种膜层转移工艺，容易引入很多难以有效控制的污染源，损伤石墨烯膜层表面；实际应用中，石墨烯纳米膜等制成的半导体器件，其沟道层即石墨烯薄膜不能悬空单独稳定存在，必须吸附于特定的膜层上。这样也会损伤石墨烯膜层表面，引入沟道界面缺陷，使石墨烯表面无悬挂键的特异性能减弱，相关器件性能下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯沟道结构及其制作方法，以解决在制作石墨烯基器件时，石墨烯薄膜需要转移，会引入污染，损伤石墨烯膜层表面，且石墨烯薄膜需要吸附于特定的膜层，也会损伤石墨烯膜层表面，引入沟道界面缺陷，而导致相关器件性能会下降的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种石墨烯沟道结构的制作方法，包括：
提供一半导体衬底，并在所述半导体衬底上沉积一热氧化层；
选择性刻蚀所述热氧化层，并停止在所述半导体衬底上，以形成一沟槽；
在所述沟槽中形成一铜填充层，所述铜填充层填满所述沟槽；
沉积一镍薄膜层，所述镍薄膜层覆盖所述铜填充层的表面；
在所述镍薄膜层中加入碳材料，进而执行退火工艺，以使所述镍薄膜层中的所述碳材料析出在所述镍薄膜层和所述铜填充层之间，形成石墨烯沟道层；
去除所述镍薄膜层和所述铜填充层，以形成所述石墨烯沟道结构。
可选的，在所述的石墨烯沟道结构的制作方法中，所述碳材料通过在所述镍薄膜层上沉积一碳薄膜层的方式加入，或者，通过离子注入的方式注入；若所述碳材料通过在所述镍薄膜层上沉积一碳薄膜层的方式加入，则在形成所述石墨烯沟道层后，所述石墨烯沟道结构的制作方法还包括：去除所述碳薄膜层。
可选的，在所述的石墨烯沟道结构的制作方法中，采用化学气相沉积工艺沉积所述碳薄膜层，所述化学气相沉积工艺所采用的气体为C2H2或CH4、Ar以及H2，温度为400℃～800℃。
可选的，在所述的石墨烯沟道结构的制作方法中，所述碳薄膜层的厚度为
Figure BDA0002307250030000021
可选的，在所述的石墨烯沟道结构的制作方法中，采用等离子刻蚀工艺去除所述碳薄膜层，所述等离子刻蚀工艺所采用的气体为O2。
可选的，在所述的石墨烯沟道结构的制作方法中，在沉积所述镍薄膜层之前，所述石墨烯沟道结构的制作方法还包括：在所述铜填充层和未被刻蚀的所述热氧化层的表面沉积一非晶硅薄膜层，以及，选择性刻蚀所述非晶硅薄膜层，以使所述铜填充层暴露出来；
所述镍薄膜层覆盖所述铜填充层的表面时，还延伸至覆盖所述非晶硅薄膜层的表面；在沉积所述镍薄膜层之后，所述石墨烯沟道结构的制作方法还包括：执行热处理，以使所述非晶硅薄膜层与所述镍薄膜层的部分镍发生反应而转化为镍硅层。
可选的，在所述的石墨烯沟道结构的制作方法中，在所述沟槽中形成所述铜填充层的步骤包括：
在所述沟槽内沉积一阻挡层并延伸到所述热氧化层的表面；
在所述阻挡层上形成一铜籽晶层；
在所述铜籽晶层上形成一铜材料层；
对所述阻挡层、所述铜籽晶层以及所述铜材料层执行化学机械研磨工艺，以形成所述铜填充层，所述铜填充层的上表面与所述热氧化层的表面持平。
可选的，在所述的石墨烯沟道结构的制作方法中，执行完化学机械研磨工艺后，在所述沟槽中形成所述铜填充层的步骤还包括：
对所述铜填充层执行退火工艺。
可选的，在所述的石墨烯沟道结构的制作方法中，采用物理气相沉积工艺依次形成所述阻挡层以及所述铜籽晶层，采用电化学镀膜工艺形成所述铜材料层。
可选的，在所述的石墨烯沟道结构的制作方法中，在形成石墨烯沟道层时，采用氮气进行保护。
可选的，在所述的石墨烯沟道结构的制作方法中，所述热氧化层的厚度为
可选的，在所述的石墨烯沟道结构的制作方法中，所述镍薄膜层的厚度为
Figure BDA0002307250030000032
可选的，在所述的石墨烯沟道结构的制作方法中，采用湿法腐蚀工艺去除所述镍薄膜层和所述铜填充层，去除所述镍薄膜层的湿法腐蚀工艺所采用的溶液为CuSO4和HCl的混合液，去除所述铜填充层的湿法腐蚀工艺所采用的溶液为NH3-NH4Cl混合液。
本发明还提供一种石墨烯沟道结构，所述石墨烯沟道结构采用如上所述的石墨烯沟道结构的制作方法制作而成。
在本发明提供的所述石墨烯沟道结构及其制作方法中，包括：提供一半导体衬底，并在所述半导体衬底上沉积一热氧化层；选择性刻蚀所述热氧化层，并停止在所述半导体衬底上，以形成一沟槽；在所述沟槽中形成一铜填充层，所述铜填充层填满所述沟槽；沉积一镍薄膜层，所述镍薄膜层覆盖所述铜填充层的表面；在所述镍薄膜层中加入碳材料，进而执行退火工艺，以使所述镍薄膜层中的所述碳材料析出在所述镍薄膜层和所述铜填充层之间，形成石墨烯沟道层；去除所述镍薄膜层和所述铜填充层，以形成所述石墨烯沟道结构。本发明提供的所述石墨烯沟道结构的制作方法采用非转移式的石墨烯薄膜生长方法，可有效消除石墨烯薄膜转移工艺中引入的各种污染、缺陷及损伤，且采用该方法制得的悬空的石墨烯沟道结构，保护了石墨烯薄膜的表面质量，不会被粘附的各种介质层损伤。
附图说明
图1为本发明实施例提供的石墨烯沟道结构的制作方法的流程图；
图2～10分别为本发明实施例提供的石墨烯沟道结构的制作方法各步骤所对应的结构示意图；
其中，各附图标记说明如下：
11-半导体衬底；12-热氧化层；101-沟槽；13-铜填充层；14-非晶硅薄膜层；15-镍薄膜层；16-镍硅层；17-碳薄膜层；18-石墨烯沟道层。
具体实施方式
如前文所述，在目前的石墨烯基器件工艺开发中，石墨烯薄膜需要转移，会引入污染，损伤石墨烯膜层表面，且石墨烯薄膜需要吸附于特定的膜层，也会损伤石墨烯膜层表面，引入沟道界面缺陷，而导致相关器件性能会下降的问题。
有鉴于此，本发明旨在提供一种不需要转移石墨烯薄膜便可制得相应的器件结构的方法，而且采用该方法，石墨烯薄膜不需要吸附于特定的膜层。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的所述石墨烯沟道结构及其制作方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如图1所示，本发明实施例提供的石墨烯沟道结构的制作方法包括：
步骤S100，提供一半导体衬底，并在所述半导体衬底上沉积一热氧化层；
步骤S200，选择性刻蚀所述热氧化层，并停止在所述半导体衬底上，以形成一沟槽；
步骤S300，在所述沟槽中形成一铜填充层，所述铜填充层填满所述沟槽；
步骤S400，沉积一镍薄膜层，所述镍薄膜层覆盖所述铜填充层的表面；
步骤S500，在所述镍薄膜层中加入碳材料，进而执行退火工艺，以使所述镍薄膜层中的所述碳材料析出在所述镍薄膜层和所述铜填充层之间，形成石墨烯沟道层；
步骤S600，去除所述镍薄膜层和所述铜填充层，以形成所述石墨烯沟道结构。
本发明实施例提供的所述石墨烯沟道结构的制作方法，采用非转移式的石墨烯薄膜生长方法，可有效消除石墨烯薄膜转移工艺中引入的各种污染、缺陷及损伤；且悬空的石墨烯沟道结构，保护了石墨烯薄膜的表面质量，不会被粘附的各种介质层损伤。
以下结合附图2～10对本发明实施例提供的半导体结构制作方法进行详细描述。
首先，执行步骤S100，如图2所示，提供一半导体衬底11，并在所述半导体衬底11上沉积一热氧化层12。
所述半导体衬底11可是以单晶硅或者多晶硅，也可以是硅、锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料，还可以是复合结构如绝缘体上硅。本领域的技术人员可以根据半导体衬底11上形成的半导体器件选择所述半导体衬底11的类型，因此所述半导体衬底11的类型不应限制本发明的保护范围。
所述热氧化层12的材料可为二氧化硅，所述热氧化层12一方面是作为器件和半导体衬底11的隔离层及结构层使用，另一方面也用于后续形成石墨烯沟道，因此，较佳的，所述热氧化层12的厚度为
Figure BDA0002307250030000051
所述热氧化层可采用标准半导体氧化炉工艺进行沉积，温度为950℃～1050℃。
其次，执行步骤S200，如图3所示，选择性刻蚀所述热氧化层12，并停止在所述半导体衬底11上，以形成一沟槽101。
所述沟槽101作为隔离结构，为沟槽101两侧的有源区提供隔离，所述沟槽101两侧的有源区上可以形成晶体管或鳍式场效应晶体管等半导体器件。
接着，执行步骤S300，如图4所示，在所述沟槽101中形成一铜填充层13，所述铜填充层13填满所述沟槽101。在所述沟槽101中形成所述铜填充层13的步骤具体可如下：在所述沟槽101内沉积一阻挡层并延伸到所述热氧化层12的表面；在所述阻挡层上沉积一铜籽晶层；在所述铜籽晶层上沉积一铜材料层；对所述阻挡层、所述铜籽晶层以及所述铜材料层执行化学机械研磨工艺，以形成所述铜填充层13，所述铜填充层13的上表面与所述热氧化层12的表面持平。由于所述热氧化层12的厚度为
Figure BDA0002307250030000061
相应的，所述铜填充层13的厚度也应为
Figure BDA0002307250030000062
故在用以形成所述铜填充层13时，各层厚度可做如下设置：所述阻挡层的厚度为
Figure BDA0002307250030000063
所述铜籽晶层的厚度为
Figure BDA0002307250030000064
所述铜材料层的厚度为
Figure BDA0002307250030000065
其中，所述阻挡层和所述铜籽晶层可采用物理气相沉积(PVD)工艺形成，所述铜材料层可采用电化学镀膜工艺电镀而成。所述阻挡层的材料包括钽(Ta)和(氮化钽)TaN，用于阻挡金属铜向半导体衬底11中扩散，所述铜籽晶层的作用是为电镀铜提供良好的生长层，使电镀过程能够在沟槽101表面均匀地进行。
优选的，执行完化学机械研磨工艺后，在所述沟槽101中形成所述铜填充层13的步骤还包括：对所述铜填充层13执行退火工艺。该退火工艺在H2和N2的气氛中以及在170℃～600℃下进行，通过对铜填充层13的退火重构，消除晶界缺陷，使铜的单晶畴尺寸和所述沟槽101相当，均匀分布。
本实施例中，在执行完步骤S300之后，如图5及图6所示，执行以下步骤：在所述铜填充层13和未被刻蚀的所述热氧化层12的表面沉积一非晶硅薄膜层(以下简称α-Si层)14；选择性刻蚀去除位于铜填充层13上的所述α-Si层14，以使所述铜填充层13暴露出来；其中，所述α-Si层可采用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积而成。之后，再执行步骤S400，如图7所示，沉积一镍薄膜层15，所述镍薄膜层15覆盖所述铜填充层13的表面，并延伸至覆盖所述α-Si层14的表面；其中，所述镍薄膜层15可采用PVD工艺沉积而成。
位于所述铜填充层13上的所述镍薄膜层15用于后续形成石墨烯沟道结构，而位于所述α-Si层14上的所述镍薄膜层15用于跟所述α-Si层14发生反应，以使所述α-Si层14变为镍硅层16，所述镍硅层16用作器件源漏极的欧姆接触电极。
再接着，执行步骤S500，如图8及图9所示，在所述镍薄膜层15中加入碳材料，进而执行退火工艺，以使所述镍薄膜层15中的所述碳材料在所述镍薄膜层15和所述铜填充层13之间，形成石墨烯沟道层18。
所述碳材料可通过在所述镍薄膜层15上沉积一碳薄膜层17的方式加入，或者，通过离子注入的方式注入。图8所示是以在所述镍薄膜层15上沉积一碳薄膜层17做出示例。
在所述镍薄膜层15上沉积一碳薄膜层17或通过离子注入碳材料后，碳在镍中形成固溶，之后进行退火工艺处理，使碳析出在所述铜填充层13和所述镍薄膜层15之间，利用铜对石墨烯生长的催化作用，同时利用碳在镍中的固溶度控制石墨烯层数，从而在铜镍界面形成单层或多层石墨烯薄膜，即形成所述石墨烯沟道层18。较佳的，退火工艺处理过程中，即，在石墨烯析出的过程中，采用氮气进行保护。
本实施例中，如前所述，所述热氧化层12的厚度为
Figure BDA0002307250030000071
即形成的所述铜填充层13的厚度为
Figure BDA0002307250030000072
且优选的，所述镍薄膜层15的厚度为
Figure BDA0002307250030000073
若碳材料通过在所述镍薄膜层15上沉积一碳薄膜层17的方式加入，则所述碳薄膜层17的厚度为
Figure BDA0002307250030000074
所述铜填充层13的厚度、所述碳薄膜层17的厚度和所述镍薄膜层15的厚度(或离子注入碳元素的多少)共同控制最终石墨烯沟道层18的厚度，实际工艺中，具体可根据目标石墨烯沟道层的厚度，并结合温度等其它工艺条件，进一步确认各层厚度。
另外，所述碳薄膜层17具体可采用化学气相沉积工艺沉积而成，化学气相沉积工艺所采用的气体为C2H2或CH4、Ar以及H2等，温度为400℃～800℃。
最后，执行步骤S600，如图10所示，去除所述镍薄膜层15和所述铜填充层13，以形成所述石墨烯沟道结构。若步骤S500中，所述碳材料通过在所述镍薄膜层15上沉积一碳薄膜层17的方式加入，则本步骤，还包括：去除所述碳薄膜层17。
具体的，可采用等离子刻蚀工艺去除所述碳薄膜层，所述等离子刻蚀工艺所采用的气体为O2；可采用湿法腐蚀工艺去除所述镍薄膜层15和所述铜填充层13，去除所述镍薄膜层15的湿法腐蚀工艺所采用的溶液为CuSO4和HCl的混合液，去除所述铜填充层13的湿法腐蚀工艺所采用的溶液为NH3-NH4Cl混合液。
本发明实施例还提供一种石墨烯沟道结构，所述石墨烯沟道结构采用如上所述的方法制成，如图7所示，所述石墨烯沟道结构包括：
一半导体衬底11：
形成在所述半导体衬底11上的一热氧化层12，所述热氧化层12具有一沟槽101；
形成在所述热氧化层12上的镍硅层16；以及
悬空在所述沟槽101上方的石墨烯沟道层18。
其中，所述半导体衬底11和所述热氧化层12的材质已在前文部分做出介绍，在此不再赘述。
综上所述，本发明提供的所述石墨烯沟道结构及其制作方法，解决了在制作石墨烯基器件时，石墨烯薄膜需要转移，会引入污染，损伤石墨烯膜层表面，且石墨烯薄膜需要吸附于特定的膜层，也会损伤石墨烯膜层表面，引入沟道界面缺陷，而导致相关器件性能会下降的问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (14)

1.一种石墨烯沟道结构的制作方法，其特征在于，包括：
提供一半导体衬底，并在所述半导体衬底上沉积一热氧化层；
选择性刻蚀所述热氧化层，并停止在所述半导体衬底上，以形成一沟槽；
在所述沟槽中形成一铜填充层，所述铜填充层填满所述沟槽；
沉积一镍薄膜层，所述镍薄膜层覆盖所述铜填充层的表面；
在所述镍薄膜层中加入碳材料，进而执行退火工艺，以使所述镍薄膜层中的所述碳材料析出在所述镍薄膜层和所述铜填充层之间，形成石墨烯沟道层；
去除所述镍薄膜层和所述铜填充层，以形成所述石墨烯沟道结构。
2.如权利要求1所述的石墨烯沟道结构的制作方法，其特征在于，所述碳材料通过在所述镍薄膜层上沉积一碳薄膜层的方式加入，或者，通过离子注入的方式注入；若所述碳材料通过在所述镍薄膜层上沉积一碳薄膜层的方式加入，则在形成所述石墨烯沟道层后，所述石墨烯沟道结构的制作方法还包括：去除所述碳薄膜层。
3.如权利要求2所述的石墨烯沟道结构的制作方法，其特征在于，采用化学气相沉积工艺沉积所述碳薄膜层，所述化学气相沉积工艺所采用的气体为C2H2或CH4、Ar以及H2，温度为400℃～800℃。
4.如权利要求2所述的石墨烯沟道结构的制作方法，其特征在于，所述碳薄膜层的厚度为
Figure FDA0002307250020000011
5.如权利要求2所述的石墨烯沟道结构的制作方法，其特征在于，采用等离子刻蚀工艺去除所述碳薄膜层，所述等离子刻蚀工艺所采用的气体为O2。
6.如权利要求1所述的石墨烯沟道结构的制作方法，其特征在于，
在沉积所述镍薄膜层之前，所述石墨烯沟道结构的制作方法还包括：在所述铜填充层和未被刻蚀的所述热氧化层的表面沉积一非晶硅薄膜层，以及，选择性刻蚀所述非晶硅薄膜层，以使所述铜填充层暴露出来；
所述镍薄膜层覆盖所述铜填充层的表面时，还延伸至覆盖所述非晶硅薄膜层的表面；在沉积所述镍薄膜层之后，所述石墨烯沟道结构的制作方法还包括：执行热处理，以使所述非晶硅薄膜层与所述镍薄膜层的部分镍发生反应而转化为镍硅层。
7.如权利要求1所述的石墨烯沟道结构的制作方法，其特征在于，在所述沟槽中形成所述铜填充层的步骤包括：
在所述沟槽内沉积一阻挡层并延伸到所述热氧化层的表面；
在所述阻挡层上形成一铜籽晶层；
在所述铜籽晶层上形成一铜材料层；
对所述阻挡层、所述铜籽晶层以及所述铜材料层执行化学机械研磨工艺，以形成所述铜填充层，所述铜填充层的上表面与所述热氧化层的表面持平。
8.如权利要求7所述的石墨烯沟道结构的制作方法，其特征在于，执行完化学机械研磨工艺后，在所述沟槽中形成所述铜填充层的步骤还包括：
对所述铜填充层执行退火工艺。
9.如权利要求7所述的石墨烯沟道结构的制作方法，其特征在于，采用物理气相沉积工艺依次形成所述阻挡层以及所述铜籽晶层，采用电化学镀膜工艺形成所述铜材料层。
10.如权利要求1所述的石墨烯沟道结构的制作方法，其特征在于，在形成石墨烯沟道层时，采用氮气进行保护。
11.如权利要求1所述的石墨烯沟道结构的制作方法，其特征在于，所述热氧化层的厚度为
12.如权利要求1所述的石墨烯沟道结构的制作方法，其特征在于，所述镍薄膜层的厚度为
Figure FDA0002307250020000022
13.如权利要求1所述的石墨烯沟道结构的制作方法，其特征在于，采用湿法腐蚀工艺去除所述镍薄膜层和所述铜填充层，去除所述镍薄膜层的湿法腐蚀工艺所采用的溶液为CuSO4和HCl的混合液，去除所述铜填充层的湿法腐蚀工艺所采用的溶液为NH3-NH4Cl混合液。
14.一种石墨烯沟道结构，其特征在于，所述石墨烯沟道结构采用如权利1～13任一项所述的石墨烯沟道结构的制作方法制作而成。
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