JP2015198194A

JP2015198194A - 半導体素子

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Publication number: JP2015198194A
Application number: JP2014076200A
Authority: JP
Inventors: 永児小島; Eiji Kojima; 一彦加納; Kazuhiko Kano; 加納　　一彦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2015-11-09
Anticipated expiration: 2034-04-02
Also published as: JP6281383B2

Abstract

【課題】グラフェンの位置を特定しやすい半導体素子を提供すること。【解決手段】基板（１）と、前記基板における一方の面上に設けられたグラフェン（１７）と、前記一方の面上に設けられ、前記グラフェンの端部（１７Ａ、１７Ｂ）と接する凸部（５）と、を備え、前記凸部は傾斜した側面（５Ｂ）を前記グラフェンの側に備え、前記グラフェンの端部は前記傾斜した側面において前記凸部と接し、前記凸部の少なくとも一部は金属で構成され、前記金属は前記グラフェンと接触していることを特徴とする半導体素子（１０１）。【選択図】図１

Description

本発明は半導体素子に関する。

従来、基板上にグラフェンが形成された半導体素子が知られている。この半導体素子は、まず、ＣＶＤ（化学気相成長法）等の方法で、基板とは別体の触媒膜上にグラフェンを形成し、次に、触媒膜上のグラフェンを基板上に転写する方法で製造される（特許文献１参照）。

特開２００９−２９８６８３号公報

半導体素子が備えるグラフェンに対し、リソグラフィーや電極形成等の工程を実施することがある。この場合、グラフェンの位置を正確に特定することが困難であるので、リソグラフィーや電極形成を行う位置が、グラフェンに対してずれてしまうことがある。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、グラフェンの位置を特定しやすい半導体素子を提供することを目的とする。

本発明の半導体素子は、基板と、基板における一方の面上に設けられたグラフェンと、一方の面上に設けられ、グラフェンの端部と接する凸部とを備える。また、本発明の半導体素子において、凸部は傾斜した側面をグラフェンの側に備え、グラフェンの端部は傾斜した側面において凸部と接し、凸部の少なくとも一部は金属で構成され、金属はグラフェンと接触している。

本発明の半導体素子は、グラフェンの端部と接する凸部を備えている。この凸部に対する、グラフェンの相対的な位置は一定である。よって、凸部の位置を、例えば、光学的手法等により検出すれば、その位置から、グラフェンの位置を高精度に特定することができる。そのため、例えば、グラフェンに対し、フォトリソグラフィや電極形成等の工程を行う場合、グラフェンの位置を高精度に特定し、正確な加工を行うことができる。

また、本発明の半導体素子では、凸部の少なくとも一部が金属で構成され、その金属がグラフェンと接触している。そのため、凸部を電極として利用することができる。

図１Ａ〜図１Ｊは、半導体素子１０１の製造方法を表す断面図である。図２Ａ〜図２Ｊは、半導体素子１０１の製造方法を表す平面図である。半導体素子１０１の構成を表す断面図である。半導体素子１０１の構成を表す断面図である。図５Ａ、図５Ｂは、半導体素子１０１の製造方法における一部の工程を表す断面図である。半導体素子１０１の構成を表す断面図である。

本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施形態＞
１．半導体素子の製造
図１〜図３に基づき、半導体素子の製造方法を説明する。図１Ａ、図２Ａに示すように、Ｓｉから成る基板１における一方の面（図１における上側の面）上に、Ｎｉから成る金属層３をスパッタ又は蒸着により形成する。金属層３の膜厚は数百〜数千ｎｍである。なお、本件明細書における膜厚は、電子顕微鏡の断面観察等の方法で測定した値を意味する。

次に、図１Ｂ、図２Ｂに示すように、金属層３の中央部をウエットエッチングにより除去する。エッチング液としては塩化鉄第二水溶液を使用する。ウエットエッチングの結果、基板１の中央では金属層３が除去され、基板１の外周にそって金属層３が残存する。以下では、残存した金属層３を凸部５とする。

凸部５は、基板１の表面から、基板１の厚み方向に突出した部分である。凸部５は、一定の厚みを有する天井部５Ａと、天井部５Ａの内側に位置し、基板１の中央に近づくほど、徐々に膜厚が小さくなる側面部５Ｂとを有する。側面部５Ｂの表面は、基板１の表面に対し傾斜している。ここで傾斜とは、基板１の表面に対し、０°より大きく、９０°より小さい角度を成すことを意味する。

また、ウエットエッチングの結果、基板１における一方の面のうち、中央部分は金属層３に覆われず、露出する。この露出した部分を以下では露出部１Ａとする。
次に、図１Ｃ、図２Ｃに示すように、基板１の一方の面のうち、天井部５Ａを除く部分に、ＳｉＮから成る犠牲層７を形成する。すなわち、犠牲層７は、露出部１Ａの上と、側面部５Ｂの上とに形成されている。犠牲層７の表面は、天井部５Ａの表面と面一である。よって、犠牲層７の膜厚は、露出部１Ａ上に形成された部分においては、天井部５Ａの膜厚に等しく、側面部５Ｂ上に形成された部分においては、天井部５Ａに近いほど、薄くなっている。

犠牲層７は、まず、基板１の一方の面全体（天井部５Ａを含む）にＳｉＮから成る層をプラズマＣＶＤにより形成し、次に、天井部５Ａが露出するまでＣＭＰ（化学機械研磨）を行うことで形成できる。

次に、図１Ｄ、図２Ｄに示すように、基板１の一方の面全体に、触媒層９をスパッタ又は蒸着により形成する。触媒層９の材質は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ₂Ｏ₃等から選択できる。なお、触媒層９は、後述するグラフェン１５の形成において触媒能を有する。触媒層９の膜厚は数十〜数千ｎｍである。

次に、図１Ｅ、図２Ｅに示すように、触媒層９を貫通する一対の孔１１を、リソグラフィー又はウエットエッチングにより形成する。その結果、孔１１の少なくとも一部において犠牲層７が露出する。孔１１をウエットエッチングにより形成する場合、エッチング液は塩化第ニ鉄水溶液、又は硝酸鉄水溶液である。

次に、図１Ｆ、図２Ｆに示すように、孔１１を通じて、犠牲層７の全てをウエットエッチングにより除去する。ウエットエッチングは、フッ酸に浸すことで行う。ウエットエッチングの結果、基板１と触媒層９との間に空洞１３が生じる。この空洞１３は、孔１１を介して外部に連通している。触媒層９は、その外周側において、凸部５により支持されている。触媒層９の裏面９Ａのうち、凸部５により支持されていない部分は、空洞１３に臨んでいる。また、凸部５の側面部５Ｂも、空洞１３に臨んでいる。また、基板１における露出部１Ａも、空洞１３に臨んでいる。

次に、熱処理により触媒層９の結晶性を高めてから、図１Ｇ、図２Ｇに示すように、ＣＶＤにより、触媒層９の裏面９Ａのうち、凸部５と接触せず、空洞１３に臨んでいる部分にグラフェン１５を形成する。熱処理の条件は、Ｈ₂雰囲気、数百〜１０００℃の温度という条件である。グラフェン１５を形成するときのＣＶＤの条件は、ＣＨ₄雰囲気、数百〜１０００℃の温度という条件である。

グラフェン１５は、単原子層のカーボン結晶構造であってもよく、複数の原子層のカーボン結晶構造であってもよい。複数の原子層とは、例えば一桁数の原子層である。複数原子層のカーボン結晶構造は、一般にグラフェン多層膜（multi-layer graphene）またはグラフェン積層膜（stacked graphene）と称されることもある。なお、触媒層９の結晶性が当初から高い場合は、熱処理を行わなくてもよい。

なお、触媒層９のうち、図１Ｇにおける上側の面にもグラフェンは形成されるが、そのグラフェンは、Ｏ₂アッシングにより除去する。
次に、図１Ｈ、図２Ｈに示すように、触媒層９のうち、凸部５と接していない部分を基板１の側に近接させ、グラフェン１５を、露出部１Ａ及び側面部５Ｂの表面に転写する。ここで、触媒層９を基板１の側に近接させる方法として、次の方法α〜γのいずれかを用いることができる。

方法α：空洞１３内に液体を充填し、その液体を除去することで、表面張力を利用し、触媒層９を基板１の側に近接させる。このとき、グラフェン１５が露出部１Ａ、及び側面部５Ｂの表面に接触し、それらの上に転写される。ここで、使用する液体は水である。また、液体の除去は、雰囲気温度を１００〜５００℃とすることで行う。

方法β：図１Ｇに示す状態において、触媒層９を加熱する。すると、触媒層９のうち、グラフェン１５を形成した部分は、凸部５に支持されていないので、下方に垂れ下がり、露出部１Ａ、及び側面部５Ｂの表面に接する。このとき、グラフェン１５が露出部１Ａ、及び側面部５Ｂの表面に転写される。ここで、触媒層９を加熱するときの温度は数百℃であり、そのときの雰囲気はＡｒ雰囲気である。

方法γ：触媒層９と基板１との間に電圧を印加することで、静電気力により、触媒層９のうち、グラフェン１５を形成した部分を基板１側に近接させる。このとき、グラフェン１５が露出部１Ａ、及び側面部５Ｂの表面に接触し、それらの上に転写される。ここで、触媒層９と基板１との間に印加する電圧は数十Ｖである。

次に、図１Ｉ、図２Ｉに示すように、触媒層９をウエットエッチングにより除去する。このウエットエッチングでは、塩化鉄第ニ水溶液、又は硝酸鉄水溶液をエッチング液として用いる。ウエットエッチング後、グラフェン１５が表面に露出する。グラフェン１５は、露出部１Ａ及び側面部５Ｂの上に形成されている。グラフェン１５は、天井部５Ａの上には形成されていない。

次に、図１Ｊ、図２Ｊに示すように、グラフェン１５の一部をエッチングにより除去し、１つの帯状のグラフェン領域１７を残す。図３に示すように、グラフェン領域１７における一方の端部１７Ａは、図３における左側の凸部５と接しており、より詳しくは、側面部５Ｂと接している。また、グラフェン領域１７のうち、端部１７Ａを含む部分は、側面部５Ｂと面で接触しており、その接触幅Ｗは、グラフェンの伝達長以上である。

また、図３に示すように、グラフェン領域１７における反対側の端部１７Ｂは、図３における右側の凸部５と接しており、より詳しくは、側面部５Ｂと接している。また、グラフェン領域１７のうち、端部１７Ｂを含む部分は、側面部５Ｂと面で接触しており、その接触幅Ｗは、グラフェンの伝達長以上である。

また、グラフェン領域１７のうち、凸部５と接していない部分は、露出部１Ａと接している。
また、グラフェン領域１７の中央部に、ゲート絶縁膜１９とゲート電極２１とを順次積層する。

以上の工程により、半導体素子１０１が完成する。この半導体素子１０１は、図３に示すように、基板１と、基板１における一方の面上に設けられたグラフェン領域１７とを備える。また、半導体素子１０１は、基板１における一方の面上に設けられ、グラフェン領域１７の端部１７Ａ、１７Ｂと接する金属製の凸部５を備える。凸部５は、傾斜した側面部５Ｂをグラフェン領域１７の側に備え、グラフェン領域１７の端部１７Ａ、１７Ｂは、側面部５Ｂにおいて凸部５と接している。また、半導体素子１０１は、ゲート電極２１を備えている。

２．半導体素子１０１が奏する効果
（１）半導体素子１０１は、グラフェン領域１７の端部１７Ａ、１７Ｂと接する凸部５を備えている。凸部５に対する、グラフェン領域１７の相対的な位置は一定である。よって、凸部５の位置を、光学的手法等により検出すれば、その位置から、グラフェン領域１７の位置を高精度に特定することができる。

そのため、例えば、グラフェン領域１７に対し、フォトリソグラフィや電極形成等の工程を行う場合、高精度な加工を行うことができる。
（２）半導体素子１０１では、凸部５が金属から成り、その凸部５がグラフェン領域１７と接触している。そのため、凸部５を電極として利用することができる。特に、凸部５に対し、グラフェン領域１７は面で接触し、接触幅Ｗがグラフェンの伝達長以上であるので、凸部５とグラフェン領域１７との間の電気抵抗が小さい。
＜第２の実施形態＞
１．半導体素子１０１の構成
本実施形態の半導体素子１０１の構成及び製造方法は、基本的には前記第１の実施形態と同様であるが一部において相違する。以下では、その相違点を中心に説明する。本実施形態では、図４に示すように、凸部５が、Ｎｉから成る金属層２５と、酸化アルミニウムから成る非金属層２７との積層体である。

本実施形態の半導体素子１０１は、以下のようにして製造できる。まず、図５Ａに示すように、Ｓｉから成る基板１における一方の面（図５Ａにおける上側の面）上に、Ｎｉから成る金属層２５と、ＳｉＯ₂から成る非金属層２７と、をスパッタ又は蒸着により順次形成する。金属層２５、非金属層２７の膜厚は、それぞれ、数百〜数千ｎｍである。

次に、図５Ｂに示すように、金属層２５及び非金属層２７から成る積層体の中央部をフォトリソグラフィ、ドライまたはウエットエッチングにより除去する。その結果、金属層２５及び非金属層２７から成る積層体は、基板１の中央では除去され、基板１の外周にそって残存する。残存した積層体を凸部５とする。凸部５の形状は前記第１の実施形態と同様である。以降の工程は前記第１の実施形態と同様に行い、図４に示す半導体素子１０１を製造する。

２．半導体素子１０１が奏する効果
（１）本実施形態の半導体素子１０１は、前記第１の実施形態と同様の効果を奏する。
（２）本実施形態の半導体素子１０１は、凸部５の上層に、非金属層２７を備える。そのため、凸部５の上側に位置する他の部材（他の素子）と、金属層２５との絶縁を保つことができる。また、グラフェン１５を形成するとき、高温となっても、非金属層２７を備えることにより、金属層２５を構成する金属の拡散を抑制できる。
＜第３の実施形態＞
１．半導体素子１０１の構成及び製造方法
本実施形態の半導体素子１０１の構成及び製造方法は、基本的には前記第１の実施形態と同様であるが一部において相違する。以下では、その相違点を中心に説明する。本実施形態では、図６に示すように、基板１が、基板本体２９と、基板本体２９における一方の側に設けられた絶縁性の下地層３１とから成る。

基板本体２９はＳｉから成る。下地層３１はｈ−ＢＮから成る層であり、その膜厚は数百ｎｍである。下地層３１は、ＣＶＤ等の方法により形成できる。本実施形態では、基板１の表面のうち、グラフェン領域１７と接触する部分には、下地層３１が存在する。

本実施形態の半導体素子１０１は、上述した基板１を用いて、前記第１の実施形態と同様に製造することができる。
２．半導体素子１０１が奏する効果
（１）本実施形態の半導体素子１０１は、前記第１の実施形態と同様の効果を奏する。

（２）本実施形態では、基板１の表面のうち、グラフェン領域１７と接触する部分に下地層３１が存在するので、グラフェン領域１７と基板１との絶縁を一層確実にすることができる。

＜その他の実施形態＞
（１）前記第１〜第３の実施形態において、凸部５に含まれる金属は、Ｎｉ以外のものであってもよく、例えば、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、及びＷのうちのいずれかとすることができる。また、凸部５に含まれる金属は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、及びＷから成る群から選択される２以上の合金であってもよい。グラフェン領域１７と凸部５との接触部は１箇所以上とできる。また、グラフェン領域１７と基板１の少なくとも一部が離れており、中空構造であってもよい。

（２）前記第２の実施形態の凸部５において、金属層２５が上層であり、非金属層２７が下層であってもよい。また、凸部５は、３層以上の層から成る積層体であってもよい。また、非金属層２７の材料は、酸化アルミニウム以外であってもよく、絶縁性の材料から適宜選択できる。

（３）前記第１〜第３の実施形態において、基板１の膜厚方向から見た、凸部５とグラフェン領域１７との位置関係は、適宜設定できる。例えば、グラフェン領域１７を囲む３方又は４方に凸部５が存在し、グラフェン領域１７の各端部がそれぞれ凸部５と接していてもよい。また、グラフェン領域１７を囲む環状、又は額縁状の凸部５が存在し、グラフェン領域１７の外周における全部又は一部の端部が上記の凸部５と接していてもよい。

（４）前記第１〜第３の実施形態において、半導体素子１０１は、ゲート電極２１を備えていなくてもよい。
（５）前記第１〜第３の実施形態において、グラフェン領域１７は、天井部５Ａまで達していてもよい。

（６）前記第１〜第３の実施形態における構成の全部又は一部を適宜選択して組み合わせてもよい。

１…基板、１Ａ…露出部、３…金属層、５…凸部、５Ａ…天井部、５Ｂ…側面部、７…犠牲層、９…触媒層、９Ａ…裏面、１１…孔、１３…空洞、１５…グラフェン、１７…グラフェン領域、１７Ａ、１７Ｂ…端部、１９…ゲート絶縁膜、２１…ゲート電極、２５…金属層、２７…非金属層、２９…基板本体、３１…下地層、１０１…半導体素子

Claims

基板と、
前記基板における一方の面上に設けられたグラフェンと、
前記一方の面上に設けられ、前記グラフェンの端部と接する凸部と、
を備え、
前記凸部は傾斜した側面を前記グラフェンの側に備え、前記グラフェンの端部は前記傾斜した側面において前記凸部と接し、
前記凸部の少なくとも一部は金属で構成され、前記金属は前記グラフェンと接触していることを特徴とする半導体素子。
前記凸部は、前記金属の層と、非金属の層とを含む積層体であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
前記凸部は、前記金属の層よりも上層に前記非金属の層を備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
前記グラフェンと、前記金属との接触幅がグラフェンの伝達長以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体素子。
前記金属が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、及びＷから成る群から選択される１以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体素子。
前記基板は、基板本体と、前記基板本体における前記一方の側に設けられた絶縁性の下地層と、を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体素子。
前記グラフェンに接する電極を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体素子。