JP2015501277A - 半導体基板上におけるグラフェンの直接形成方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2011年10月19日に出願された米国仮出願第61/548,899号の利益を主張する。これは、全体として、本明細書に引用して援用する。
本発明の技術分野は、概して、半導体基板上にグラフェン及び他の一原子厚さのシートを形成するための方法に関する。
SiX3−(CH2)n−CH3
ここで、
それぞれのXは、ハライド原子、アルキル基、若しくは、アルコキシ基;
nは、1〜25、好ましくは、約3〜約15の間の整数である。
90ナノメートルの厚さを有するおよそ5センチメートル(2インチ)直径の二酸化ケイ素層をn型シリコン基板上に形成した。酸素プラズマを用いることにより基板を洗浄した(100W、600ミリトール、2分)。シリカ基板上にPMMAの層をスピンコートした(アセトンにおいて1%、4000rpm(一例として))。その後、500nm厚の金属層を、金属蒸着システム中において、PMMA層の上に析出させた。ある実施の形態において、金属層はニッケルを含んでいた。別の態様では、金属層は銅を含んでいた。金属−オン−PMMA−オン−シリカ−オン−シリコン基板を、CVDチャンバー内に載置した。サンプルを30分間1000℃(一例として)で焼成し、当該フィルムをアニールした。最後に、CVDの温度が1000℃まで達し、水素ガスを、100ミリトールの圧力で、30分間、流入させた。最後に、サンプルを10℃/秒で室温まで急速に冷却した。これにより、金属とシリカとの間の界面においてグラフェンが形成された。最後に、金属フィルムを鉄(III)窒化物でエッチングし、シリカ−オン−シリコン基板上においてグラフェンを設けた。
Claims (61)
- 半導体基板を作製するための方法であって、
前記半導体基板は、一方が半導体基板のフロント表面であり、他方が半導体基板のバック表面である実質的に平行な2つの主面と、前記半導体基板のフロント表面と前記半導体基板のバック表面とを繋ぎ合わせる周縁端と、を含み、
当該方法は、
フロント金属フィルム表面と、バック金属フィルム表面と、前記フロント金属フィルム表面と前記バック金属フィルム表面との間に形成されたバルク金属領域と、を含み、前記バック金属フィルム表面が、前記半導体基板のフロント表面と接触する金属フィルムを、前記半導体基板のフロント表面上に形成することと、
還元雰囲気中、前記金属フィルムのバルク金属領域に炭素原子を内部拡散させるのに十分な温度で、前記フロント金属フィルム表面に炭素含有ガスを接触させることと、
前記半導体基板のフロント表面と前記バック金属フィルム表面との間に炭素原子を析出させグラフェンの層を形成することと、を含む方法。 - 前記半導体基板には、半導体ウェハが含まれる請求項1記載の方法。
- 前記半導体ウェハには、シリコン、砒化ガリウム、シリコンカーバイド、シリコンゲルマニウム、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、及び、ゲルマニウム、並びに、それらの組み合わせからなる群から選択された材料が含まれる請求項2記載の方法。
- 前記半導体ウェハには、チョクラルスキー法により成長させた単結晶シリコンインゴットからスライスして得られたシリコンウェハが含まれる請求項2記載の方法。
- 前記半導体基板のフロント表面は、そのフロント表面上に誘電体層を含む請求項1記載の方法。
- 前記半導体基板のフロント表面は、そのフロント表面上にシリコン酸化物層を含む請求項1記載の方法。
- 前記シリコン酸化物層は、約30ナノメートル〜約1000ナノメートルの厚さを有する請求項6記載の方法。
- 前記シリコン酸化物層は、約90ナノメートル〜約300ナノメートルの厚さを有する請求項6記載の方法。
- 金属フィルムを形成する前に、前記シリコン酸化物層上に、炭化水素含有シラン、炭化水素含有シリケート、若しくは、それら両方を含む自己組織化モノレイヤーを析出させることをさらに備える請求項6記載の方法。
- 一般式SiX3−(CH2)n−CH3(ここで、それぞれのXは独立にハロゲン原子、アルキル基、若しくは、アルコキシ基であり、nは1〜25の間の整数である)を有する化合物を含む自己組織化モノレイヤーを析出させることをさらに備える請求項6記載の方法。
- 各Xが1〜4の炭素原子を含むアルキル基である請求項10記載の方法。
- 各Xが1〜4の炭素原子を含むアルコキシ基である請求項10記載の方法。
- 各Xがハロゲン原子である請求項10記載の方法。
- 前記金属フィルムが、1000℃において、少なくとも約0.05原子%の炭素溶解度を有する請求項1記載の方法。
- 前記金属フィルムが、1000℃において、約3原子%未満の炭素溶解度を有する請求項1記載の方法。
- 前記金属フィルムが、ニッケル、銅、鉄、プラチナ、パラジウム、コバルト、及び、これらの合金を含む請求項1記載の方法。
- 前記金属フィルムが、スパッタリング、蒸着、電解めっき、及び、金属箔ボンディングからなる群から選択された技術により形成される請求項1記載の方法。
- 前記金属フィルムが、約50ナノメートル〜約20マイクロメートルの厚さを有する請求項1記載の方法。
- 前記金属フィルムが、約50ナノメートル〜約10マイクロメートルの厚さを有する請求項1記載の方法。
- 前記炭素含有ガスが、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、プロピレン、プロピン、ブタン、ブチレン、ブチン、及び、これらの組み合わせからなる群から選択される請求項1記載の方法。
- 前記還元雰囲気が、水素ガスを含む請求項20記載の方法。
- 半導体基板の上に金属フィルムを有する半導体基板において温度勾配プロファイルを形成することを含み、
前記温度勾配プロファイルは、前記フロント金属フィルム表面及び前記バック金属フィルム表面における温度が前記バルク金属領域内の中央平面近くの温度未満となるようなプロファイルである請求項1記載の方法。 - 前記温度勾配により、前記フロント金属フィルム表面上においてグラフェンが形成される請求項22記載の方法。
- 前記フロント金属フィルム表面上においてグラフェン層を除去することをさらに備える請求項23記載の方法。
- 前記フロント金属フィルム表面上におけるグラフェン層が、酸素プラズマエッチングにより除去される請求項24記載の方法。
- 前記金属フィルムを除去して、それにより、前記半導体基板のフロント表面と接触するグラフェン層を露出させることをさらに備える請求項1記載の方法。
- 前記金属フィルムが、水溶性の金属エッチャントに金属フィルムを接触させることにより除去される請求項26記載の方法。
- 半導体基板の上に金属フィルムを有する半導体基板を急速に冷却することにより、前記炭素原子を析出させ、それにより、前記半導体基板のフロント表面と前記バック金属フィルム表面との間においてグラフェン層を形成する請求項1記載の方法。
- 半導体基板を作製するための方法であって、
前記半導体基板は、一方が半導体基板のフロント表面であり、他方が半導体基板のバック表面である実質的に平行な2つの主面と、前記半導体基板のフロント表面と前記半導体基板のバック表面とを繋ぎ合わせる周縁端と、を含み、
当該方法は、
前記半導体基板のフロント表面層上に、炭素リッチポリマーを含む層を形成することと、
フロント金属フィルム表面と、バック金属フィルム表面と、前記フロント金属フィルム表面と前記バック金属フィルム表面との間に形成されたバルク金属領域と、を含み、前記バック金属フィルム表面が、前記炭素リッチポリマーを含む層と接触する金属フィルムを前記炭素リッチポリマーを含む層上に形成することと、
水素の存在下、前記半導体基板の上に前記炭素リッチポリマーを含む層及び前記金属フィルムを備える半導体基板を、前記炭素リッチポリマーを含む層を分解させるに十分な温度まで加熱することと、
前記半導体基板のフロント表面と前記バック金属フィルム表面との間において炭素原子を析出させグラフェンの層を形成することと、を備える方法。 - 前記半導体基板には、半導体ウェハが含まれる請求項29記載の方法。
- 前記半導体ウェハには、シリコン、砒化ガリウム、シリコンカーバイド、シリコンゲルマニウム、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、及び、ゲルマニウム、並びに、それらの組み合わせからなる群から選択された材料が含まれる請求項30記載の方法。
- 前記半導体ウェハには、チョクラルスキー法により成長させた単結晶シリコンインゴットをスライスして得られたシリコンウェハが含まれる請求項30記載の方法。
- 前記半導体基板のフロント表面は、そのフロント表面上に誘電体層を含む請求項29記載の方法。
- 前記半導体基板のフロント表面は、そのフロント表面上にシリコン酸化物層を含む請求項29記載の方法。
- 前記シリコン酸化物層は、約30ナノメートル〜約1000ナノメートルの厚さを有する請求項34記載の方法。
- 前記シリコン酸化物層は、約90ナノメートル〜約300ナノメートルの厚さを有する請求項35記載の方法。
- 前記炭素リッチポリマーが、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリブタジエン、ポリスチレン、ポリ(アクリロニトリル−コ−ブタジエン−コ−スチレン)(ABS)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(4’−ビニルヘキサフェニルベンゼン)、及び、これらの組み合わせからなる群から選択される請求項29記載の方法。
- 前記炭素リッチポリマーを含む層は、約1ナノメートル〜約100ナノメートルの厚さを有する請求項29記載の方法。
- 前記炭素リッチポリマーを含む層は、約5ナノメートル〜約100ナノメートルの厚さを有する請求項29記載の方法。
- 前記炭素リッチポリマーを含む層は、約10ナノメートル〜約50ナノメートルの厚さを有する請求項29記載の方法。
- 前記金属フィルムには、1000℃において、少なくとも約0.05原子%の炭素溶解度を有する金属が含まれる請求項29記載の方法。
- 前記金属フィルムには、1000℃において、約3原子%未満の炭素溶解度を有する金属が含まれる請求項29記載の方法。
- 前記金属フィルムには、ニッケル、銅、鉄、プラチナ、パラジウム、ルテニウム、コバルト、及び、これらの合金が含まれる請求項29記載の方法。
- 前記金属フィルムは、スパッタリング、蒸着、電解めっき、及び、金属箔ボンディングからなる群から選択された技術により析出される請求項29記載の方法。
- 前記金属フィルムは、約50ナノメートル〜約20マイクロメートルの厚さを有する請求項29記載の方法。
- 前記金属フィルムは、約50ナノメートル〜約10マイクロメートルの厚さを有する請求項29記載の方法。
- 半導体基板の上に金属フィルムを有する半導体基板において温度勾配プロファイルを形成することをさらに含み、
前記温度勾配プラファイルは、前記フロント金属フィルム表面及び前記バック金属フィルム表面における温度が前記バルク金属領域内の中央平面近くの温度未満となるようなプラファイルである請求項29記載の方法。 - 半導体基板の上に金属フィルムを有する半導体基板を急速に冷却することにより、前記炭素原子を析出させ、それにより、前記半導体基板のフロント表面と前記バック金属フィルム表面との間においてグラフェン層を形成する請求項29記載の方法。
- 一方がドナー基板のフロント表面であり、他方がドナー基板のバック表面である実質的に平行な2つの主面と、前記フロント表面と前記バック表面とを繋ぎ合わせる周縁端と、前記フロント表面と前記バック表面との間の中央平面と、を含む半導体基板と、
前記半導体基板のフロント表面に接触するグラフェン層と、
前記グラフェン層に接触する金属フィルムであって、フロント金属フィルム表面、バック金属フィルム表面、前記フロント金属フィルム表面と前記バック金属フィルム表面との間に形成されたバルク金属領域を有する金属フィルムと、を備えるマルチレイヤー製品。 - 前記半導体基板には、半導体ウェハが含まれる請求項49記載のマルチレイヤー製品。
- 前記半導体ウェハには、シリコン、砒化ガリウム、シリコンカーバイド、シリコンゲルマニウム、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、及び、ゲルマニウム、並びに、それらの組み合わせからなる群から選択された材料が含まれる請求項50記載のマルチレイヤー製品。
- 前記半導体ウェハには、チョクラルスキー法により成長させた単結晶シリコンインゴットをスライスして得られたシリコンウェハが含まれる請求項51記載のマルチレイヤー製品。
- 前記半導体基板のフロント表面は、そのフロント表面上に誘電体層を含む請求項52記載のマルチレイヤー製品。
- 前記半導体基板のフロント表面は、シリコン酸化物層を含む請求項52記載のマルチレイヤー製品。
- 前記シリコン酸化物層は、約50ナノメートル〜約1000ナノメートルの厚さを有する請求項54記載のマルチレイヤー製品。
- 前記シリコン酸化物層は、約90ナノメートル〜約300ナノメートルの厚さを有する請求項55記載のマルチレイヤー製品。
- 前記半導体基板のフロント表面に接触するグラフェン層が、一原子厚さのグラフェン層を含む請求項49記載のマルチレイヤー製品。
- 前記半導体基板のフロント表面に接触するグラフェン層が、グラフェンバイレイヤーを含む請求項49記載のマルチレイヤー製品。
- 前記金属フィルムが、約50ナノメートル〜約20マイクロメートルの厚さを有する請求項49記載のマルチレイヤー製品。
- 前記金属フィルムが、約50ナノメートル〜約10マイクロメートルの厚さを有する請求項49記載のマルチレイヤー製品。
- 前記フロント金属フィルム表面に接触する一のグラフェン層をさらに備える請求項49記載のマルチレイヤー製品。
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