KR20230147669A - Wafer for uniform CVD growth of graphene and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

균일한 그래핀의 CVD 성장을 위한 웨이퍼 및 이의 제조 방법
700℃ 초과의 온도에서 균일한 그래핀의 CVD 성장을 위한 웨이퍼가 제공되며, 웨이퍼는 평면형 규소 기판, 규소 기판 전반에 걸쳐 제공되는 절연층, 및 절연층 전반에 걸쳐 제공되는 배리어층을 순서대로 포함하며, 절연층은 질화규소 및/또는 질화알루미늄 층이고, 배리어층은 50 nm 이하의 일정한 두께를 갖고, 균일한 그래핀의 CVD 성장을 위한 성장면을 제공한다.
Wafer for uniform CVD growth of graphene and manufacturing method thereof
A wafer is provided for uniform CVD growth of graphene at temperatures exceeding 700°C, the wafer comprising a planar silicon substrate, an insulating layer provided across the silicon substrate, and a barrier layer provided across the insulating layer, in that order. The insulating layer is a silicon nitride and/or aluminum nitride layer, and the barrier layer has a constant thickness of 50 nm or less and provides a growth surface for uniform CVD growth of graphene.

Description

균일한 그래핀의 CVD 성장을 위한 웨이퍼 및 이의 제조 방법Wafer for uniform CVD growth of graphene and manufacturing method thereof

본 발명은 그래핀의 CVD 성장을 위한 웨이퍼를 제공한다. 더 구체적으로, 본 발명은 700℃ 초과의 온도에서 균일한 그래핀을 성장시키기에 적합한 웨이퍼를 제공한다. 본 발명은 또한 상기 웨이퍼의 적어도 일부 및 그 위에 형성된 그래핀 층을 포함하는 라미네이트에 관한 것으로, 특히 700℃ 초과의 온도에서 CVD에 의해 형성되어 있다. 본 발명은 상기 웨이퍼 및 상기 라미네이트의 제조 방법을 추가로 제공한다.The present invention provides a wafer for CVD growth of graphene. More specifically, the present invention provides wafers suitable for growing uniform graphene at temperatures above 700°C. The invention also relates to a laminate comprising at least a portion of the wafer and a graphene layer formed thereon, particularly by CVD at a temperature above 700°C. The present invention further provides a method of manufacturing the wafer and the laminate.

그래핀이 가장 두드러진 것들 중 하나인 2차원 재료는 현재 강한 연구의 초점이다. 특히 그래핀은 이론적으로나 최근 몇 년 동안 실제적으로 놀라운 특성을 입증하는 것으로 나타났다. 그래핀의 전자 특성은 특히 주목할 만하며, 비그래핀 기반 디바이스에 비해 훨씬 개선된 전자 디바이스의 생산을 가능하게 하였다. 그러나, 고품질의 균일한 그래핀의 생성을 용이하게 하는, 기판으로도 알려진 웨이퍼에 대한 필요성이 당업계에 남아 있다. 특히, 그래핀을 성장시키고 이어서 산업적 규모로 그래핀 기반 전자 디바이스를 제조하기 위해 사용될 수 있는 잘 확립된 반도체 제작 플랜트에 사용하기에 적합한 마이크로전자 산업에서의 웨이퍼에 대한 필요성이 남아 있다.Two-dimensional materials, of which graphene is one of the most prominent, are currently the focus of strong research. Graphene in particular has been shown to demonstrate remarkable properties both theoretically and, in recent years, in practice. Graphene's electronic properties are particularly noteworthy and have enabled the production of electronic devices that are significantly improved compared to non-graphene-based devices. However, there remains a need in the art for wafers, also known as substrates, that facilitate the production of high quality, uniform graphene. In particular, there remains a need in the microelectronics industry for wafers suitable for use in well-established semiconductor fabrication plants that can be used to grow graphene and subsequently fabricate graphene-based electronic devices on an industrial scale.

반도체 제작 플랜트("팹"으로도 알려짐)는 집적 회로와 같은 디바이스가 제조되는 공장이다. 팹을 건설하고 장비를 갖추는 데 드는 비용은 통상적으로 수십억 달러이다. 2020년에는, 하나의 팹은 170억 달러에 걸쳐 비용을 갖는 것으로 보고되었다. 각각의 팹은 특정 제조 방법을 위해 키팅되고 새로운 기술 또는 방법론의 도입할 여지가 매우 적다. 통상적으로, 규소 기반 디바이스의 역사적 개발 동안, 새로운 팹은 이러한 새로운 기술의 사용을 가능하게 하기 위해 각각의 기술적 개발로 건설되었다. 따라서, 전세계적으로, 팹은 주로 규소 웨이퍼로부터 전자디바이스를 제조하기 위해 건설된다.A semiconductor fabrication plant (also known as a "fab") is a factory where devices such as integrated circuits are manufactured. The cost of building and equipping a fab typically runs into the billions of dollars. In 2020, one fab was reported to cost over $17 billion. Each fab is kitted out for a specific manufacturing method and there is very little room for introducing new technologies or methodologies. Typically, during the historical development of silicon-based devices, new fabs were built with each technological development to enable the use of these new technologies. Therefore, worldwide, fabs are built primarily to manufacture electronic devices from silicon wafers.

그래핀은 기판의 비금속 표면에 직접적으로 합성, 제조, 형성될 수 있음이 당업계에 알려져 있다. 이들은 III-V족 반도체와 같은 다른 더 많은 색다른 표면과 함께 규소 및 사파이어를 포함한다. 본 발명자들은 고품질 그래핀을, 특히 이러한 비금속 표면에 직접적으로 제조하기 위한 가장 효과적인 방법이 WO 2017/029470에 개시되어 있음을 밝혀내었다. WO 2017/029470의 방법은 MOCVD 반응기를 사용하여 이상적으로 수행된다. MOCVD는 AlMe3(TMAl) 및 GaMe3(TMGa)와 같은 금속 유기 전구체로부터 AlN 및 GaN과 같은 반도체 재료를 제조하기 위한 기원으로 인해 금속 유기 화학 증착을 나타내는 동시에, 이러한 장치 및 반응기는 비금속 유기 전구체와 함께 사용하기에 적합한 것으로서 당업자에게 잘 알려져 있으며 이해된다. MOCVD는 금속 유기 증기상 에피택시(MOVPE)와 동의어로 사용될 수 있다.It is known in the art that graphene can be synthesized, manufactured, and formed directly on the non-metallic surface of a substrate. These include silicon and sapphire, along with other more exotic surfaces such as group III-V semiconductors. The present inventors have found that the most effective method for producing high quality graphene, especially directly on such non-metallic surfaces, is disclosed in WO 2017/029470. The method of WO 2017/029470 is ideally carried out using a MOCVD reactor. MOCVD stands for metal-organic chemical vapor deposition due to its origin for preparing semiconductor materials such as AlN and GaN from metal-organic precursors such as AlMe 3 (TMAl) and GaMe 3 (TMGa), while these devices and reactors are also used for the preparation of semiconductor materials such as AlN and GaN from metal-organic precursors such as AlMe 3 (TMAl) and GaMe 3 (TMGa). It is well known and understood by those skilled in the art that they are suitable for use together. MOCVD can be used synonymously with metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE).

기존의 반도체 제작 플랜트의 엄격한 요건을 충족시키기 위해 규소 웨이퍼를 사용할 필요가 있지만, 동시에 우수한 전도체인 그래핀을 많은 전자 디바이스에 대한 절연면에 직접적으로 성장시킬 필요가 있다. 규소 웨이퍼에는 절연면, 예를 들어 산화규소 또는 질화규소 표면을 갖는 규소(즉, Si/SiO2 또는 Si/SiNx 웨이퍼는 잘 알려져 있음)이 제공될 수 있음이 당업계에 알려져 있다.There is a need to use silicon wafers to meet the stringent requirements of existing semiconductor fabrication plants, but at the same time there is a need to grow graphene, an excellent conductor, directly on the insulating surface for many electronic devices. It is known in the art that silicon wafers can be provided with an insulating surface, for example silicon with a silicon oxide or silicon nitride surface (i.e. Si/SiO 2 or Si/SiN x wafers are well known).

US 2005/142715는 규소 기판, 상기 규소 기판의 표면에 형성된 산화규소 층 및 상기 산화규소 층 위에 형성된 산화규소보다 더 높은 유전 상수를 갖는 제1 산화물 층을 포함하는 반도체 디바이스를 개시한다. 이 개시 내용은 그래핀 성장에 대해서는 언급이 없다.US 2005/142715 discloses a semiconductor device comprising a silicon substrate, a silicon oxide layer formed on the surface of the silicon substrate and a first oxide layer having a higher dielectric constant than the silicon oxide formed on the silicon oxide layer. This disclosure makes no mention of graphene growth.

US 2011/175060은 베이스 기판, 패턴화된 산화알루미늄 필름 및 패턴화된 산화알루미늄 필름 상에서 우선적으로 성장된 그래핀 필름을 포함하는 그래핀 필름이 이 위에 성장된 기판을 개시하며, 베이스 기판은 산화규소 필름이 이 위에 형성된 단결정 규소 기판일 수 있다.US 2011/175060 discloses a substrate on which a graphene film has been grown, comprising a base substrate, a patterned aluminum oxide film and a graphene film preferentially grown on the patterned aluminum oxide film, the base substrate comprising silicon oxide. It may be a single crystal silicon substrate on which a film is formed.

US 2001/029092는 게이트 구조체를 형성하는 방법에 관한 것으로, 그래핀 성장에 대해서는 언급이 없다. 방법은 습식 H2/O2 또는 건식 O2를 사용함으로써 반도체 디바이스의 상단에 얇은 이산화규소 층을 열적으로 성장시키는 단계를 포함하고, 이어서 도펀트를 인-시추로 도핑하여 반도체 디바이스의 상단에 산화알루미늄 층을 형성하는 단계를 포함한다.US 2001/029092 relates to a method of forming a gate structure and makes no mention of graphene growth. The method includes thermally growing a thin silicon dioxide layer on top of the semiconductor device by using wet H 2 /O 2 or dry O 2 and then doping a dopant in-situ to form an aluminum oxide layer on top of the semiconductor device. It includes forming a layer.

본 발명자들은 규소 기반 웨이퍼에 대한 필요성과 그래핀 성장을 위한 절연면 사이의 간극을 가교하여 산업용 전자 디바이스 제조, 특히 상업적 팹에서 그래핀의 채택을 용이하게 하고, 개선된 웨이퍼 및 이러한 웨이퍼의 제조 방법 둘 모두를 개발하기 위해 노력해 왔다. 따라서, 본 발명은 선행 기술과 관련된 다양한 문제를 극복하거나 적어도 실질적으로 감소시키거나, 또는 적어도 상업적으로 유용한 대안을 제공한다.The present inventors bridge the gap between the need for silicon-based wafers and insulating surfaces for graphene growth to facilitate the adoption of graphene in industrial electronic device manufacturing, especially commercial fabs, and provide improved wafers and methods for manufacturing such wafers. Efforts have been made to develop both. Accordingly, the present invention overcomes or at least substantially reduces various problems associated with the prior art, or at least provides a commercially useful alternative.

따라서, 제1 양태에서, 700℃ 초과의 온도에서 균일한 그래핀의 CVD 성장을 위한 웨이퍼가 제공되며, 웨이퍼는:Accordingly, in a first aspect, a wafer is provided for uniform CVD growth of graphene at temperatures above 700° C., the wafer comprising:

평면형 규소 기판,planar silicon substrate,

규소 기판 전반에 걸쳐 제공되는 절연층; 및an insulating layer provided across the silicon substrate; and

절연층 전반에 걸쳐 제공되는 배리어층을 순서대로 포함하며,comprising, in order, a barrier layer provided throughout the insulating layer,

절연층은 질화규소 및/또는 질화알루미늄 층이고,The insulating layer is a silicon nitride and/or aluminum nitride layer,

배리어층은 50 nm 이하의 일정한 두께를 갖고 균일한 그래핀의 CVD 성장을 위한 성장면을 제공한다.The barrier layer has a constant thickness of 50 nm or less and provides a growth surface for uniform CVD growth of graphene.

이제 본 개시 내용을 추가로 기술할 것이다. 하기 통로에서, 본 개시 내용의 상이한 양태/구현예가 더 상세히 정의된다. 이렇게 정의된 각각의 양태/구현예는 반대로 명백하게 지시되지 않는 한 임의의 다른 양태/구현예 또는 양태들/구현예들과 조합될 수 있다. 특히, 바람직하거나 유리한 것으로 표시된 임의의 특징은 바람직하거나 유리한 것으로 표시된 임의의 다른 특징 또는 특징들과 조합될 수 있다.The present disclosure will now be further described. In the passages below, different aspects/implementations of the present disclosure are defined in more detail. Each aspect/embodiment so defined may be combined with any other aspect/embodiment or aspects/implementations unless explicitly indicated to the contrary. In particular, any feature indicated as being preferred or advantageous may be combined with any other feature or features indicated as being preferred or advantageous.

본 발명은 웨이퍼에 관한 것이다. 웨이퍼는 당업계의 표준 용어이며 기판과 동등하다. 이 맥락에서, 웨이퍼는 다수의 별개의 층(즉, 규소 층, 절연층 및 배리어층)을 포함한다. 웨이퍼는 전자 디바이스의 제작 및 제조를 위해 사용된다. 구체적으로, 본 발명의 웨이퍼는 웨이퍼가 기존의 팹에서 사용하기에 적합하도록 규소에 기반한다. 다시 말하면, 본 발명의 웨이퍼는 규소 기판을 포함한다. 규소 기판은 실질적으로 일정한 두께를 갖고 단일 규소 원소 층으로 구성된 평면형이다. 그러나, 규소은 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 붕소, 질소 및 인과 같은 소량의 다른 원소로 도핑될 수 있다. 도핑될 때, 반도체 기판은 p형 또는 n형 도핑될 수 있다. 바람직하게는, 도핑된 반도체 기판은 1015cm―3 초과, 더 바람직하게는 1016cm―3 초과 및/또는 1020 cm―3 미만, 바람직하게는 1019 cm―3의 도펀트 농도를 갖는다. 가장 바람직한 범위는 1016 cm―3 내지 1018 cm―3이다. 규소 기판은 또한, 내부에 매립된 다양한 추가 층 또는 회로를 포함하는 규소계 기판인 CMOS 기판을 포함할 수 있다.The present invention relates to wafers. Wafer is a standard term in the art and is equivalent to substrate. In this context, the wafer comprises a number of distinct layers (i.e. a silicon layer, an insulating layer and a barrier layer). Wafers are used for fabrication and manufacturing of electronic devices. Specifically, the wafer of the present invention is based on silicon, making the wafer suitable for use in existing fabs. In other words, the wafer of the present invention includes a silicon substrate. The silicon substrate has a substantially constant thickness and is planar composed of a single layer of elemental silicon. However, silicon can be doped with small amounts of other elements such as boron, nitrogen and phosphorus, as is well known in the art. When doped, the semiconductor substrate may be p-type or n-type doped. Preferably, the doped semiconductor substrate has a dopant concentration greater than 10 15 cm -3 , more preferably greater than 10 16 cm -3 and/or less than 10 20 cm -3 , preferably 10 19 cm -3 . The most preferred range is 10 16 cm -3 to 10 18 cm -3 . Silicon substrates may also include CMOS substrates, which are silicon-based substrates that include various additional layers or circuits embedded therein.

웨이퍼는 700℃ 초과의 온도에서 CVD에 의해 균일한 그래핀의 성장에 적합하다. 통상적으로, 그래핀은 높은 품질 및 균일성을 달성하기 위해 CVD를 사용하는 경우 700℃ 초과의 온도에서 성장되므로, 이러한 후속 가공에 적합한 웨이퍼가 필요하다.The wafer is suitable for the growth of uniform graphene by CVD at temperatures exceeding 700°C. Typically, graphene is grown at temperatures exceeding 700°C when using CVD to achieve high quality and uniformity, so wafers suitable for this subsequent processing are needed.

본 발명자들은 Si/SiO2와 같은 팹에 적합한 알려진 하이브리드 웨이퍼를 사용할 때, 절연면에서 그래핀을 성장시키는 데 사용되는 조건, 특히 700℃ 초과의 고온은 절연층의 손상을 초래하여, 절연체로서 이의 기능을 감소시킨다. 이 효과는 바람직한 더 높은 성장 온도에서 자연적으로 더 두드러져서, 본 발명의 웨이퍼가 바람직하게는 800℃ 초과, 900℃ 초과, 더욱 더 바람직하게는 1100℃ 초과와 같은 1000℃ 초과의 더 높은 온도에서 사용하기에 적합하다.The present inventors have found that when using known hybrid wafers suitable for fabs such as Si/SiO 2 , the conditions used to grow graphene on the insulating side, especially high temperatures exceeding 700° C., result in damage to the insulating layer, resulting in its failure as an insulator. Reduces function. This effect is naturally more pronounced at the higher preferred growth temperatures, such that wafers of the present invention are preferably used at higher temperatures above 1000°C, such as above 800°C, above 900°C, and even more preferably above 1100°C. It is suitable for

본 발명의 웨이퍼는 본 명세서에 기술된 바와 같은 절연층 및 배리어층 둘 모두의 존재를 통해 이 문제를 해결하였다. 구체적으로, 웨이퍼는 규소 기판 전반에 걸쳐 절연층이 제공되는 평면형 규소 기판을 포함한다. 추가적으로, 웨이퍼가 이 3개의 층을 포함하여, 절연층이 평면형 규소 기판과 배리어층 사이에 개재되고 그 결과 그래핀이 배리어층에서 CVD에 의해 직접적으로 성장될 수 있도록, 배리어층이 절연층 전반에 걸쳐 제공된다. 그 결과, 본 명세서에 기술된 바와 같이 웨이퍼 또는 라미네이트의 층 사이에 개재된 층이 없다. 따라서, 층은 따라서 관련 인접한 층에 직접적으로 있는 것으로 기술될 수 있다.The wafer of the present invention solves this problem through the presence of both an insulating layer and a barrier layer as described herein. Specifically, the wafer includes a planar silicon substrate provided with an insulating layer throughout the silicon substrate. Additionally, the wafer includes these three layers so that an insulating layer is sandwiched between the planar silicon substrate and the barrier layer, so that the barrier layer is spread across the insulating layer so that graphene can be grown directly by CVD in the barrier layer. provided throughout. As a result, there are no intervening layers between the layers of the wafer or laminate as described herein. Accordingly, a layer may therefore be described as being directly on the associated adjacent layer.

절연층은 일부 양태에서 특별히 제한되지 않을 수 있다. 따라서, 절연층의 전도도는 반도체인 규소의 전도도 미만이다. 예를 들어, 절연체의 전도도는 10―5 S/cm, 바람직하게는 10―6 S/cm 미만일 수 있다. 대안적으로, 이는 재료 밴드 갭에 대해 측정될 수 있고; 규소는 약 1.1 eV 내지 약 1.6 eV의 밴드 갭을 갖는 반면, 절연체의 밴드 갭은 훨씬 더 크고, 통상적으로 3 eV 초과, 바람직하게는 4 eV 초과이다.The insulating layer may not be particularly limited in some aspects. Therefore, the conductivity of the insulating layer is less than that of silicon, a semiconductor. For example, the conductivity of the insulator may be less than 10 -5 S/cm, preferably less than 10 -6 S/cm. Alternatively, it can be measured against the material band gap; Silicon has a band gap of about 1.1 eV to about 1.6 eV, while the band gap of insulators is much larger, typically greater than 3 eV, preferably greater than 4 eV.

제1 양태에 따르면, 절연층은 질화규소 및/또는 질화알루미늄이다. 이러한 규소 웨이퍼는 잘 알려져 있으며 상업적으로 이용 가능하다. 동일하게, 절연층은 종래의 기술을 사용하여 규소 기판 표면에 걸쳐 형성될 수 있다. 절연층의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 Si/SiO2 및 Si/SiNx 웨이퍼에서 광범위한 두께가 이용 가능하다. 두께는 바람직하게는 20 nm 내지 10 μm와 같은 10 nm 내지 100 μm일 수 있다. 더 바람직하게는, 두께는 50 내지 500 nm이고, 일부 구현예에서, 100 내지 250 nm 또는 100 내지 200 nm일 수 있다. 본 발명의 이점은 상대적으로 얇은 배리어층이 절연층의 벌크(예를 들어, 20 nm 내지 500 nm, 20 nm 내지 250 nm 또는 바람직하게는 20 nm 내지 200 nm)에 의존하지 않으면서 그래핀과 규소 기판 사이에 적합한 절연을 제공하기에 충분한 바와 같이 지금까지 더 얇은 절연층에 대해 가장 두드러진다. 즉, 바람직하게는 ALD에 의해 형성되는, 본 명세서에 기술된 바와 같은 절연층과 배리어층의 조합 사이에는 예상치 못한 시너지가 있다.According to a first aspect, the insulating layer is silicon nitride and/or aluminum nitride. Such silicon wafers are well known and commercially available. Equally, an insulating layer can be formed over the surface of the silicon substrate using conventional techniques. The thickness of the insulating layer is not particularly limited, and a wide range of thicknesses are available, for example in Si/SiO 2 and Si/SiN x wafers. The thickness may preferably be 10 nm to 100 μm, such as 20 nm to 10 μm. More preferably, the thickness is 50 to 500 nm, and in some embodiments may be 100 to 250 nm or 100 to 200 nm. The advantage of the present invention is that the relatively thin barrier layer is capable of combining graphene and silicon without being dependent on the bulk of the insulating layer (e.g. 20 nm to 500 nm, 20 nm to 250 nm or preferably 20 nm to 200 nm). This is most noticeable for the by far thinner insulating layers as they are sufficient to provide adequate insulation between the substrates. That is, there is an unexpected synergy between the combination of insulating and barrier layers as described herein, preferably formed by ALD.

대안적인 양태에서, 절연층은 산화규소이고, 질화규소와 질화알루미늄을 지칭하는 설명은 산화규소에 동일하게 적용하는 것으로 해석될 수 있다. 본 발명자들은 규소 및/또는 질화알루미늄을 사용할 때 추가의 예상치 못한 이점을 발견하였지만, 특정 구현예에서, 특히 얇은 배리어층을 갖는 본 명세서에 기술된 것 (예를 들어, 5 nm 이하), 특히 절연층이 적어도 10 nm 두께인 경우, 산화규소 절연층이 또한 유리하였다. 산화규소 및 질화규소 및/또는 질화알루미늄의 조합이 특정 구현예에서, 예를 들어 전기-광학 조절제의 생산을 위해 규소 포토닉스에서 바람직할 수 있으며, 질화규소는 산화규소 내에 도파관(이로써 질화규소 및 산화규소의 영역, 즉 층과 반대로 배리어층이 제공되는 상이한 표면 영역을 갖는 절연층을 제공함)을 형성하거나 절연층은 산화규소의 층에 질화물의 층으로 이루어질 수 있다.In an alternative embodiment, the insulating layer is silicon oxide, and descriptions referring to silicon nitride and aluminum nitride may be interpreted to apply equally to silicon oxide. The inventors have discovered additional unexpected advantages when using silicon and/or aluminum nitride, but in certain embodiments, those described herein with thin barrier layers (e.g., 5 nm or less), especially insulating Silicon oxide insulating layers were also advantageous if the layer was at least 10 nm thick. Combinations of silicon oxide and silicon nitride and/or aluminum nitride may be desirable in silicon photonics in certain embodiments, for example for the production of electro-optic modulators, wherein the silicon nitride can be used to form waveguides within the silicon oxide (thereby forming regions of silicon nitride and silicon oxide). , i.e. providing an insulating layer with a different surface area on which a barrier layer is provided as opposed to the layer) or the insulating layer may consist of a layer of nitride on a layer of silicon oxide.

웨이퍼는 절연층 전반에 걸쳐 제공되는 배리어층을 추가로 포함하고; 배리어층은 균일한 그래핀의 CVD 성장에 적합한 성장면을 제공하는 웨이퍼의 것이다. 배리어층은 또한 추가의 절연층으로 지칭될 수 있지만, 그럼에도 불구하고 규소 기판의 절연층과 별개이다. 이해되는 바와 같이, 배리어층의 반대면은 하기의 절연층의 표면과 직접 접촉하고 이의 전반에 걸쳐 있는 표면이다.The wafer further includes a barrier layer provided throughout the insulating layer; The barrier layer is that of the wafer, which provides a growth surface suitable for uniform CVD growth of graphene. The barrier layer may also be referred to as an additional insulating layer, but is nevertheless separate from the insulating layer of the silicon substrate. As will be understood, the opposite side of the barrier layer is the surface that directly contacts and spans the surface of the underlying insulating layer.

또한, 배리어층은 적어도 표준 규소 기판의 두께와 관련하여 상대적으로 얇고, 50 nm 이하의 일정한 두께를 갖는다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 배리어층의 두께는 적어도 1 nm, 또는 적어도 2 nm일 수 있다. 따라서, 일부 구현예에서, 배리어층의 두께는, 특히 질화알루미늄 절연층의 경우 1 내지 10 nm, 바람직하게는 1 내지 5 nm, 2 내지 10 nm 또는 심지어 2 내지 5 nm일 수 있다. 예시적인 구현예에서, 예를 들어 10 내지 50 nm의 두께를 갖는 질화규소 절연층은이 10 내지 50 nm, 바람직하게는 30 내지 50 nm의 두께를 갖는 배리어층과 조합된다. 다른 예시적인 구현예에서, 예를 들어 100 내지 250 nm의 두께를 갖는 질화알루미늄 절연층은 2 내지 5 nm의 두께를 갖는 배리어층과 조합된다.Additionally, the barrier layer is relatively thin, at least with respect to the thickness of a standard silicon substrate, with a constant thickness of less than 50 nm. As described herein, the thickness of the barrier layer can be at least 1 nm, or at least 2 nm. Accordingly, in some embodiments, the thickness of the barrier layer may be 1 to 10 nm, especially for aluminum nitride insulating layers, preferably 1 to 5 nm, 2 to 10 nm or even 2 to 5 nm. In an exemplary embodiment, a silicon nitride insulating layer, for example having a thickness of 10 to 50 nm, is combined with a barrier layer having a thickness of 10 to 50 nm, preferably 30 to 50 nm. In another exemplary embodiment, an aluminum nitride insulating layer having a thickness of, for example, 100 to 250 nm is combined with a barrier layer having a thickness of 2 to 5 nm.

배리어층은 금속 산화물 Al2O3, HfO2, MgAl2O4, MgO, ZnO, Ga2O3, 알루미늄 갈륨 산화물(AGO), TiO2, SrTiO3, LaAlO3, Ta2O5, LiNbO3, Y2O3, Y-안정화된 ZrO2(YSZ), ZrO2, Y3Al5O12(YAG), CeO2 및/또는 h-BN, GaN, 및/또는 SiC 및/또는 CaF2 중 하나 이상의 임의의 것일 수 있다. 바람직하게는, 배리어층은 Al2O3, HfO2, MgAl2O4, MgO, Ga2O3, AGO, Ta2O5, Y2O3, Y-안정화된 ZrO2(YSZ), ZrO2, Y3Al5O12(YAG), CeO2 및/또는 h-BN 및/또는 CaF2, 더 바람직하게는 알루미나, 이트리아, 지르코니아 및/또는 YSZ, 가장 바람직하게는 알루미나(및 일부 구현예에서, 알루미나 및/또는 하프늄 산화물)이다. 알루미나 및/또는 하프늄 산화물을 지칭하는 배리어층의 본 명세서의 설명의 모든 통로는 임의의 이들 추가 재료로부터 형성된 배리어층에 동일하게 적용하는 것으로 해석되어야 하며, 일부 구현예에서 알루미나 및/또는 하프늄 산화물과 조합될 수 있다. 알루미나 및 하프늄 산화물은 각각 Al2O3 또는 HfO2로 지칭될 수 있으나, 본 명세서에 개시된 이들 및 다른 재료의 정확한 화학량론은 정상 경계(및 따라서, 예를 들어, AlOx로 지칭될 수 있음) 내에서 변할 수 있음이 이해되어야 한다.The barrier layer is made of metal oxide Al 2 O 3 , HfO 2 , MgAl 2 O 4 , MgO, ZnO, Ga 2 O 3 , aluminum gallium oxide (AGO), TiO 2 , SrTiO 3 , LaAlO 3 , Ta 2 O 5 , LiNbO 3 , Y 2 O 3 , Y-stabilized ZrO 2 (YSZ), ZrO 2 , Y 3 Al 5 O 12 (YAG), CeO 2 and/or h-BN, GaN, and/or SiC and/or CaF 2 It can be any one or more. Preferably, the barrier layer is Al 2 O 3 , HfO 2 , MgAl 2 O 4 , MgO, Ga 2 O 3 , AGO, Ta 2 O 5 , Y 2 O 3 , Y-stabilized ZrO 2 (YSZ), ZrO 2 , Y 3 Al 5 O 12 (YAG), CeO 2 and/or h-BN and/or CaF 2 , more preferably alumina, yttria, zirconia and/or YSZ, most preferably alumina (and some embodiments For example, alumina and/or hafnium oxide). All passages herein in the description of a barrier layer referring to alumina and/or hafnium oxide should be interpreted as applying equally to barrier layers formed from any of these additional materials, and in some embodiments, include alumina and/or hafnium oxide. Can be combined. Alumina and hafnium oxide may be referred to as Al 2 O 3 or HfO 2 , respectively, although the exact stoichiometry of these and other materials disclosed herein may be referred to as normal boundaries (and thus, for example, as AlO x ). It must be understood that things can change within.

바람직하게는, 배리어층은 하나의 재료, 가장 바람직하게는 알루미나로 이루어진다. 그러나, 일부 구현예에서, 배리어층은 다수의 절연층을 포함할 수 있으며, 예를 들어 배리어층은 알루미나 및 하나 이상의 하프늄 산화물 층의 하나 이상의 층으로 이루어진다(배리어층의 총 두께가 본 명세서에 기술된 바와 같이 50 nm 미만의 일정한 두께임). 따라서, 배리어층은 Al2O3-HfO2 나노아미네이트와 같은 나노아미네이트일 수 있다.Preferably, the barrier layer consists of one material, most preferably alumina. However, in some embodiments, the barrier layer may include multiple insulating layers, for example, the barrier layer consists of one or more layers of alumina and one or more hafnium oxide layers (the total thickness of the barrier layer is described herein). with a constant thickness of less than 50 nm as shown). Accordingly, the barrier layer may be a nanoamine such as Al 2 O 3 -HfO 2 nanoamine.

이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 본 발명자들은 1000℃ 초과, 특히 1100℃ 초과와 같은 700℃ 초과 온도에서 그래핀을 성장시킬 때, 절연층이 손상될 수 있다고 믿는다. 통상적으로, 그래핀은 탄화수소 전구체, 또는 적어도 탄소 및 수소를 포함하는 유기 화합물 및/또는 수소를 포함하는 캐리어 가스를 사용하여 성장된다. 그래핀 성장 동안 반응 챔버에서 수소 및 라디칼 탄화수소 종의 존재는 절연층의 기능을 유효 절연체로서 감소시키는 것으로 밝혀진 절연층을 에칭할 수 있다. 에칭은 이어서 그래핀 성장 동안 전도성 탄소로 충전될 수 있는 채널을 생성하여, 하부 규소로 전류가 누출되기 위한 경로를 제공한다. 본 발명자들은 절연층의 표면의 배리어층이 절연 특성을 보호할 수 있음을 발견하였다. 본 발명자들은 이것이 본 명세서에 기술된 작은 두께에 대해서도 사실이라는 것에 특히 놀랐다.Without wishing to be bound by theory, the present inventors believe that when growing graphene at temperatures above 1000°C, especially above 700°C, such as above 1100°C, the insulating layer may be damaged. Typically, graphene is grown using a hydrocarbon precursor, or an organic compound containing at least carbon and hydrogen and/or a carrier gas containing hydrogen. The presence of hydrogen and radical hydrocarbon species in the reaction chamber during graphene growth can etch the insulating layer, which has been found to reduce the function of the insulating layer as an effective insulator. The etching then creates channels that can be filled with conductive carbon during graphene growth, providing a path for current to leak into the underlying silicon. The present inventors have discovered that a barrier layer on the surface of an insulating layer can protect its insulating properties. The inventors were particularly surprised that this was true even for the small thicknesses described herein.

본 발명자들은 또한 질화규소 및 질화알루미늄이 700℃ 초과, 특히 1000℃ 초과 또는 1100℃ 초과의 온도에서 그래핀의 CVD 성장에 사용될 웨이퍼에 대한 산화규소와 같은 다른 절연층에 비해 추가적인 이점을 제공함을 발견하였다. 이 상대적으로 높은 성장 온도에서, 본 발명자들은 산화규소 표면이 규소 기판과 반응하여 휘발성 종을 생성할 수 있음을 발견하였다. 예를 들어, 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 절연 이산화규소 층은 특히 그래핀 합성 동안 유리될 수 있거나 달리 불활성 캐리어 가스로서 포함될 수 있는 수소의 존재에서 산화규소 가스(예를 들어, SiO)를 유리시킬 수 있다. 이러한 가스의 형성은 절연층에서 손상으로 이어지는 것으로 밝혀졌으며, 이는 그렇지 않으면 그래핀으로부터 하부 규소 기판으로의 전류 누출을 위한 경로를 제공하는 전도성 탄소로 충전할 수 있다. 유리하게는, 본 발명은 규소 및/또는 질화알루미늄 절연층의 사용을 통해 이러한 위험을 방지한다.The inventors have also discovered that silicon nitride and aluminum nitride offer additional advantages over other insulating layers such as silicon oxide for wafers to be used for CVD growth of graphene at temperatures above 700°C, especially above 1000°C or above 1100°C. . At this relatively high growth temperature, we found that the silicon oxide surface can react with the silicon substrate to produce volatile species. For example, without wishing to be bound by theory, an insulating silicon dioxide layer can be used to support silicon oxide gas (e.g., SiO), especially in the presence of hydrogen, which may be liberated or otherwise incorporated as an inert carrier gas during graphene synthesis. It can be liberated. The formation of these gases was found to lead to damage in the insulating layer, which would otherwise fill with conductive carbon, providing a path for current leakage from the graphene to the underlying silicon substrate. Advantageously, the present invention avoids this risk through the use of silicon and/or aluminum nitride insulating layers.

본 발명자들은 또한 배리어층이 규소 기판에 직접적으로 제공될 수 있는 지 여부를 조사하였다. 그러나, 본 발명자들은 규소와 바람직한 배리어층 사이의 격자 부정합이 층을 통해 확산될 수 있는 계면에서의 결함/전위에 대한 원인일 가능성이 있으며, 그래핀 성장 동안 이에 의해 전도성 탄소가 충전될 수 있는 경로를 다시 제공함으로써 효과적인 절연체에 그래핀을 제공하지 못한다는 것을 발견하였다.The present inventors also investigated whether a barrier layer could be provided directly on the silicon substrate. However, we believe that lattice mismatch between the silicon and the desired barrier layer is likely responsible for defects/dislocations at the interface that can diffuse through the layer, thereby providing a path for the conductive carbon to charge during graphene growth. It was discovered that by providing again, graphene does not provide an effective insulator.

알루미나 및 하프늄 산화물은 전자 디바이스 제작에서 유전체 층의 형성을 위한 일반적인 재료이다. 이러한 층은 전자 디바이스에서 어디에나 존재하며, 예를 들어, 그래핀 홀 센서에서 그래핀 트랜지스터의 형성에서와 같이 또는 보호층으로서 그래핀에 증착하기에 적합한 재료인 것으로 알려져 있다. 배리어층은 ALD(원자층 증착)를 사용하여 성장될 수 있다. 다른 적합한 기술은 스퍼터링, e-빔 및 열 증발과 같은 물리적 기상 증착 방법 및 MOCVD와 같은 화학 방법을 포함한다. ALD는 당업계에 알려진 기술이며, 순차적인 자기 제한 방식으로 적어도 2개의 적절한 전구체의 반응을 포함한다. 별개의 전구체의 반복 사이클은, ALD를 특히 유리하게 만드는 층별 성장 메커니즘으로 인해 얇은 배리어층의 성장을 가능하게 한다.Alumina and hafnium oxide are common materials for the formation of dielectric layers in electronic device fabrication. These layers are ubiquitous in electronic devices and are known to be a suitable material for deposition on graphene as a protective layer or in the formation of graphene transistors, for example in graphene Hall sensors. The barrier layer can be grown using ALD (atomic layer deposition). Other suitable techniques include physical vapor deposition methods such as sputtering, e-beam and thermal evaporation, and chemical methods such as MOCVD. ALD is a technique known in the art and involves the reaction of at least two suitable precursors in a sequential, self-limiting manner. Repeated cycles of distinct precursors enable the growth of thin barrier layers due to the layer-by-layer growth mechanism that makes ALD particularly advantageous.

ALD에 의해 제공되는 이점에도 불구하고, 본 발명자들은 50 nm 초과의 두께와 같은 더 두꺼운 배리어층이 불량한 품질의 그래핀을 제공한다는 것을 발견하였다. 본 발명자들은 예외적으로 고품질 그래핀의 성장에 적합한 비금속 표면을 제공하기 위해 이전 연구의 상당 부분에서 적어도 사파이어 기판(Al2O3)을 사용했기 때문에 이는 그 자체로 놀라운 일이었다. 더 두꺼운 배리어층은 더 얇은 배리어층의 표면 조도보다 더 큰 표면 조도를 갖는 것으로 밝혀졌으며, 이는 이어서 이 위에 후속적으로 형성된 임의의 그래핀에서의 결함으로서 전파되었다. 본 발명자들은 50 nm 미만만큼 얇은 배리어층이 절연층의 절연 특성을 보호하기에 충분하였고, 추가로 700℃ 초과, 더 특히 1100℃ 초과의 온도에서 이 위에 그래핀의 성장을 용이하게 하는 데 필수적임을 발견하고 놀랐다.Despite the advantages provided by ALD, the inventors have found that thicker barrier layers, such as thicknesses greater than 50 nm, provide poor quality graphene. This was surprising in itself, since in much of our previous work we had used at least sapphire substrates (Al 2 O 3 ) to provide a non-metallic surface suitable for the growth of exceptionally high quality graphene. The thicker barrier layer was found to have a surface roughness greater than that of the thinner barrier layer, which then propagated as defects in any graphene subsequently formed thereon. The inventors have shown that a barrier layer as thin as less than 50 nm is sufficient to protect the insulating properties of the insulating layer and is further essential to facilitate the growth of graphene thereon at temperatures above 700°C, more particularly above 1100°C. I was surprised to find it.

이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 본 발명자들은 ALD에 의해 성장된 배리어층의 두께를 감소시킴으로써, 배리어층의 성장 동안 상이한 결정 크기 사이의 변동의 감소로 인해 다결정 알루미나 또는 하프늄 산화물의 인접한 결정으로부터 발생하는 조도가 감소되었다고 믿는다. 그러나, 더 큰 결정 크기를 포함하는 배리어층을 제공하는 데 균형이 남아 있다. 일반적으로, 더 큰 결정 크기는 더 두꺼운 배리어층의 성장에 의해 제공될 수 있으며, 이는 또한 그래핀 품질에 영향을 미치는 것으로 여겨진다.Without wishing to be bound by theory, the inventors believe that by reducing the thickness of the barrier layer grown by ALD, the variation between different crystal sizes during the growth of the barrier layer is reduced, resulting from adjacent crystals of polycrystalline alumina or hafnium oxide. I believe that the intensity of illumination has been reduced. However, a balance remains in providing barrier layers containing larger crystal sizes. In general, larger crystal sizes can be provided by the growth of thicker barrier layers, which are also believed to affect graphene quality.

따라서, 본 발명의 제2 양태에서, 700℃ 초과의 온도에서 균일한 그래핀의 CVD 성장을 위한 웨이퍼의 제조 방법이 제공되며, 본 방법은:Accordingly, in a second aspect of the present invention, a method is provided for making wafers for uniform CVD growth of graphene at temperatures above 700° C., comprising:

이의 표면 전반에 걸쳐 제공되는 절연층을 갖는 평면형 규소 기판을 제공하는 단계,providing a planar silicon substrate having an insulating layer provided across its surface;

산화제 전구체로서 물 또는 오존을 사용하여 ALD에 의해 절연층 전반에 걸쳐 배리어층을 형성하는 단계를 포함하며,forming a barrier layer across the insulating layer by ALD using water or ozone as an oxidizing agent precursor,

절연층은 질화규소 및/또는 질화알루미늄 층이고,The insulating layer is a silicon nitride and/or aluminum nitride layer,

배리어층은 50 nm 이하의 일정한 두께를 갖고 700℃ 초과의 온도에서 균일한 그래핀의 CVD 성장을 위한 성장면을 제공한다.The barrier layer has a constant thickness of less than 50 nm and provides a growth surface for uniform CVD growth of graphene at temperatures above 700°C.

바람직하게는, 방법은 본 발명의 제1 양태에 따른 웨이퍼의 제조를 위한 것이다.Preferably, the method is for the production of wafers according to the first aspect of the invention.

본 명세서에 기술된 바와 같이, 절연층은 질화규소 및/또는 질화알루미늄으로 이루어질 수 있다. 따라서, 절연층은 산화규소를 포함하지 않으므로, 임의의 천연 표면 산화물을 포함하지 않는다. 본 방법의 일 구현예에서, 규소 기판 상에 존재하는 천연 산화물을 제거하기 위해, 절연층을 갖는 평면형 규소 기판을 제공하는 제1 단계는 반응 챔버 내의 천연 산화물을 갖는 규소 기판을 900℃ 초과의 온도로 가열하는 단계; 및 표면을 수소 가스와 접촉시켜 이에 의해 천연 산화물을 제거하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 절연층의 형성 전에 반응 챔버에서 인-시추로 수행될 수 있기 때문에 특히 바람직하다. 이는 천연 산화물을 제거하는 데 빠르고 신뢰할 수 있고 효과적이다.As described herein, the insulating layer may be comprised of silicon nitride and/or aluminum nitride. Accordingly, the insulating layer does not contain silicon oxide and therefore does not contain any native surface oxide. In one embodiment of the method, the first step of providing a planar silicon substrate with an insulating layer includes heating the silicon substrate with native oxide in a reaction chamber to a temperature above 900° C. to remove the native oxide present on the silicon substrate. Heating with; and contacting the surface with hydrogen gas thereby removing the native oxide. This method is particularly advantageous because it can be carried out in-situ in the reaction chamber before the formation of the insulating layer. It is fast, reliable and effective in removing natural oxides.

이 구현예에서, 수소 가스는 바람직하게는 수소로 이루어진다. 즉, 수소는 불가피한 불순물만을 공급받는다. 99.99% 순도 수소가 용이하게 수득될 수 있다. 수소는 가스 스트림으로부터 미량 유기물, 물 및 산소를 제거하는 적합한 정화기를 통과함으로써 추가로 정제될 수 있다. 바람직하지 않은 부반응이 없는 것을 보장하기 위해 수소의 고순도 공급원이 필요하다.In this embodiment, the hydrogen gas preferably consists of hydrogen. In other words, hydrogen is supplied only with inevitable impurities. 99.99% purity hydrogen can be easily obtained. Hydrogen can be further purified by passing it through a suitable purifier that removes trace organics, water and oxygen from the gas stream. A high purity source of hydrogen is required to ensure that there are no undesirable side reactions.

대안적인 구현예에서, 제1 단계는 규소 기판을 플루오르화수소산으로 처리하여 이에 의해 성장면으로부터 천연 산화물을 제거하고 규소 기판을 질화물 형성을 위해 반응 챔버 내로 도입하는 단계를 포함한다. 이 방법은 규소가 반응성이고 이어서 기판을 반응 챔버에 추가하기 전에 예방 조치가 취해져야 하기 때문에 덜 바람직하다. 그러나, 플루오르화수소산 또는 등가물의 사용은 고온 가공 단계를 필요로 하지 않고서 산화물을 신속하게 제거하는 역할을 한다.In an alternative embodiment, the first step includes treating the silicon substrate with hydrofluoric acid thereby removing native oxide from the growth surface and introducing the silicon substrate into a reaction chamber for nitride formation. This method is less desirable because silicon is reactive and precautions must then be taken before adding the substrate to the reaction chamber. However, the use of hydrofluoric acid or equivalent serves to rapidly remove oxides without requiring high temperature processing steps.

어느 경우든, 질화규소 및/또는 질화알루미늄 층은 표준 성장 또는 증착 기술을 사용하여 형성될 수 있다.In either case, the silicon nitride and/or aluminum nitride layer can be formed using standard growth or deposition techniques.

방법은 전구체로서 구체적으로 산소 원자의 공급원으로서 물 또는 오존을 사용하여 ALD에 의해 절연층 전반에 걸쳐 배리어층을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명자들은 물을 사용하여 배리어층을 형성하는 경우, 1 내지 50 nm, 1 내지 10 nm, 또는 2 내지 5 nm와 같은 더 얇은 층이 특히 바람직하다는 것을 발견하였다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 본 발명자들은 이러한 얇은 층이 H2 압력 형성 능력을 상당히 감소시킨다는 것을 발견하였다. 그래핀 성장에 필요한 온도로 가열할 때, 수소 가스의 유리는 배리어층 표면의 블리스터링을 초래하였다. 배리어층의 조도화는 이 위에 후속적으로 형성된 그래핀의 품질을 손상시켰다. 전구체로서 오존을 사용할 때, 배리어층의 두께는, 전구체로서 오존을 사용할 때 관찰되는 약간 더 불량한 절연 특성으로 인해 바람직하게는 2 내지 40 nm, 바람직하게는 5 내지 20 nm이다.The method includes forming a barrier layer over the insulating layer by ALD using water or ozone as a precursor and specifically as a source of oxygen atoms. The inventors have found that when using water to form a barrier layer, thinner layers, such as 1 to 50 nm, 1 to 10 nm, or 2 to 5 nm, are particularly preferred. Without wishing to be bound by theory, the inventors have found that such a thin layer significantly reduces the H 2 pressure building ability. When heated to the temperature required for graphene growth, release of hydrogen gas resulted in blistering of the barrier layer surface. Roughening of the barrier layer damaged the quality of graphene subsequently formed on it. When using ozone as a precursor, the thickness of the barrier layer is preferably 2 to 40 nm, preferably 5 to 20 nm, due to the slightly poorer insulating properties observed when using ozone as a precursor.

따라서, 배리어층을 형성하는 단계는 바람직하게는 전구체로서 물을 사용하여 수행된다. 유사하게, 본 발명의 웨이퍼는 바람직하게는 전구체로서 물을 사용하여 ALD에 의해 수득될 수 있거나, 바람직하게는 수득되는 배리어층을 포함한다.Therefore, the step of forming the barrier layer is preferably performed using water as a precursor. Similarly, the wafer of the invention comprises a barrier layer that can be, or is preferably obtained, by ALD, preferably using water as a precursor.

알루미나 또는 하프늄 산화물에 필요한 알루미늄 또는 하프늄 원자를 제공하는 적합한 전구체는 잘 알려져 있으며, 상업적으로 이용 가능하고 특별히 제한되지 않는다. 금속 염화물(예를 들어, AlCl3 및 HfCl4)과 같은 금속 할로겐화물이 사용될 수 있다. 대안적으로, 금속 아미드, 금속 알콕사이드 또는 유기금속 전구체가 사용될 수 있다. 하프늄 전구체는 예를 들어 테트라키스(디메틸아미도)하프늄(IV), 테트라키스(디에틸아미도)하프늄(IV), 하프늄(IV) tert -부톡사이드 및 디메틸비스(사이클로펜타디에닐)하프늄(Iv)을 포함한다. 바람직하게는, 배리어층은 알루미나이고, 바람직하게는 추가의 ALD용 전구체는 트리메틸알루미늄, 트리스(디메틸아미도)알루미늄, 알루미늄 트리스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트) 또는 알루미늄 트리스(아세틸아세토네이트)와 같은 트리알킬 알루미늄 또는 트리알콕사이드 알루미늄이다. 다른 배리어층에 적합한 등가의 전구체가 또한 알려져 있다.Suitable precursors providing the necessary aluminum or hafnium atoms for alumina or hafnium oxide are well known, commercially available and are not particularly limited. Metal halides such as metal chlorides (eg, AlCl 3 and HfCl 4 ) may be used. Alternatively, metal amides, metal alkoxides or organometallic precursors may be used. Hafnium precursors include, for example, tetrakis(dimethylamido)hafnium(IV), tetrakis(diethylamido)hafnium(IV), hafnium(IV) tert -butoxide and dimethylbis(cyclopentadienyl)hafnium( IV). Preferably, the barrier layer is alumina, and preferably the additional precursor for ALD is trimethylaluminum, tris(dimethylamido)aluminum, aluminum tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedio) trialkyl aluminum or trialkoxide aluminum, such as aluminum tris(acetylacetonate) or aluminum tris(acetylacetonate). Equivalent precursors suitable for other barrier layers are also known.

배리어층을 형성할 때의 증착 온도는 당업계에 공지된 임의의 종래의 온도일 수 있다. 통상적으로, 증착 온도는 40℃ 내지 300℃이고, 본 발명자들은 100℃ 초과의 온도가 바람직하고 더 양호한 품질의 배리어층을 제공하는 것을 발견하였다.The deposition temperature when forming the barrier layer may be any conventional temperature known in the art. Typically, deposition temperatures range from 40° C. to 300° C., and the inventors have found that temperatures above 100° C. are preferred and provide better quality barrier layers.

본 발명의 다른 양태에서, 본 명세서에 기술된 웨이퍼(또는 다이싱 후에 이의 일부)를 제공하는 단계 및 700℃ 초과의 온도에서 CVD에 의해 배리어층의 성장면에 그래핀 층을 형성하는 단계를 포함하는 방법, 라미네이트의 제조 방법이 제공된다.In another aspect of the invention, comprising providing a wafer (or a portion thereof after dicing) as described herein and forming a graphene layer on the growth side of the barrier layer by CVD at a temperature greater than 700° C. A method of doing so and a method of manufacturing a laminate are provided.

따라서, 본 명세서에 기술된 바와 같은 웨이퍼의 적어도 일부 및 700℃ 초과의 온도에서 CVD에 의해 배리어층의 성장면에 형성된 그래핀 층을 포함하는 라미네이트가 또한 제공된다.Accordingly, a laminate comprising at least a portion of a wafer as described herein and a graphene layer formed on the growth side of the barrier layer by CVD at a temperature above 700° C. is also provided.

이해되는 바와 같이, 웨이퍼는 소잉 또는 레이저 커팅과 같은 종래의 기술을 사용하여 다이싱됨으로써 복수의 다이싱된 웨이퍼를 제공할 수 있다. 이어서, 웨이퍼의 일부를 포함하는 라미네이트를 제공하기 위해 본 명세서에 기술된 바와 같이 CVD에 의해 다이싱된 웨이퍼에 그래핀 층이 형성될 수 있다.As will be appreciated, the wafer may be diced using conventional techniques such as sawing or laser cutting to provide a plurality of diced wafers. A graphene layer can then be formed on the diced wafer by CVD as described herein to provide a laminate comprising a portion of the wafer.

바람직하게는, 그래핀 층은 웨이퍼 다이싱 전에 후술되는 CVD 방법에 의해 형성된다. 예를 들어, 그래핀 층은 적어도 5 cm(2 인치) 초과의 직경을 갖는 웨이퍼에 CVD에 의해 형성된다. 이어서, 복수의 전자 디바이스는 표준 미세제작 기술을 사용하여 형성될 수 있으며, 이에 따라 복수의 디바이스는 적어도 공통 규소 기판을 공유한다. 이어서, 복수의 디바이스는 웨이퍼 다이싱에 의해 분리되어, 각각이 원래의 웨이퍼의 일부를 포함하는 라미네이트를 포함하는 전자 디바이스를 제공할 수 있다.Preferably, the graphene layer is formed by the CVD method described below before wafer dicing. For example, the graphene layer is formed by CVD on a wafer having a diameter greater than at least 5 cm (2 inches). The plurality of electronic devices can then be formed using standard microfabrication techniques, whereby the plurality of devices share at least a common silicon substrate. The plurality of devices can then be separated by wafer dicing to provide electronic devices each comprising a laminate containing a portion of the original wafer.

본 발명은 또한 본 명세서에 기술된 바와 같은 라미네이트를 포함하는 전자 디바이스를 제공한다. 전자 디바이스는 이어서 통상적으로 추가 회로에 대한 와이어 본딩에 의해 또는 "플립 칩" 스타일 솔더 범프를 사용하는 솔더링과 같은 당업계에 알려진 다른 방법에 의해 전기 또는 전자 회로에 설치될 수 있는 디바이스이다. 따라서 전자 디바이스는 전자 회로에 설치되고 전류가 디바이스에 제공될 때 작동하는 디바이스입니다. 바람직한 전자 디바이스는 홀-센서, 전류 센서 및 바이오센서와 같은 센서, 전기-광학 변조기와 같은 변조기, 및 트랜지스터이다. 본 발명은 또한 전자 디바이스를 형성하기 위한 라미네이트의 용도를 제공한다. 일부 구현예에서, 라미네이트의 웨이퍼의 규소 기판은 제거되어 규소 기판을 갖지 않는 전자 디바이스를 제공할 수 있다. 이는 영국 특허 출원번호 2102218.1(이의 내용은 본 명세서에 참고로 포함됨)에 기술된 바와 같은 공정에서 규소의 연삭 또는 에칭을 통해 달성될 수 있다 .The present invention also provides an electronic device comprising a laminate as described herein. An electronic device is a device that can then be installed into an electrical or electronic circuit, typically by wire bonding to additional circuitry, or by other methods known in the art, such as soldering using "flip chip" style solder bumps. So, an electronic device is a device that is installed in an electronic circuit and operates when an electric current is provided to the device. Preferred electronic devices are sensors such as Hall-sensors, current sensors and biosensors, modulators such as electro-optical modulators, and transistors. The invention also provides for the use of the laminate for forming electronic devices. In some implementations, the silicon substrate of the wafer of the laminate can be removed to provide an electronic device without a silicon substrate. This can be achieved through grinding or etching the silicon in a process such as described in British Patent Application No. 2102218.1, the contents of which are incorporated herein by reference.

라미네이트 및 라미네이트의 제조 방법 둘 모두는 웨이퍼의 배리어층의 성장면에 CVD에 의해 형성되는 그래핀 층을 필요로 하며, 그래핀은 700℃ 초과, 바람직하게는 1000℃ 초과의 온도에서 CVD에 의해 성장되고, 웨이퍼는 이러한 온도에서 CVD에 의한 이러한 그래핀 성장에 적합하다.Both the laminate and the method of making the laminate require a graphene layer to be formed by CVD on the growth side of the barrier layer of the wafer, with the graphene grown by CVD at a temperature exceeding 700°C, preferably exceeding 1000°C. and the wafer is suitable for this graphene growth by CVD at these temperatures.

바람직하게는, 그래핀은 WO 2017/029470의 개시 내용에 따라 CVD에 의해 성장된다(이의 내용은 본 명세서에 참고로 포함됨). 이 공보는 그래핀을 제조하는 방법을 개시하고; 주로 이들은 반응 챔버 내에 유지된 기판(예를 들어, 본 명세서에 기술된 바와 같은 웨이퍼)을 그래핀 성장에 대해 탄소 기반 전구체의 분해 범위 내에 있는 온도로 가열하는 것에 의존하며, 기체상에서 반응하는 전구체의 분율이 분해된 전구체로부터 방출되는 탄소로부터 그래핀을 형성할 수 있을 만큼 충분히 낮도록 전구체가 반응 챔버에 들어가는 지점을 향해 기판 표면으로부터 멀리 확장되는 충분히 가파른 열 구배를 설정하기 위해, 상대적으로 저온 유입구를 통해 전구체를 반응 챔버에 도입한다. 바람직하게는, 장치는 복수의 전구체 진입 지점 또는 유입구를 갖는 샤워헤드를 포함하고, 기판 표면으로부터의 분리는 달라질 수 있고 바람직하게는 100 mm 미만이다.Preferably, the graphene is grown by CVD according to the disclosure of WO 2017/029470, the content of which is incorporated herein by reference. This publication discloses a method of producing graphene; Primarily, they rely on heating a substrate (e.g., a wafer as described herein) held within a reaction chamber to a temperature that is within the decomposition range of the carbon-based precursor for graphene growth, with the precursor reacting in the gas phase. To establish a sufficiently steep thermal gradient extending away from the substrate surface toward the point where the precursor enters the reaction chamber such that the fraction is low enough to form graphene from the carbon released from the decomposed precursor, a relatively cold inlet is used. The precursor is introduced into the reaction chamber through. Preferably, the device comprises a showerhead with a plurality of precursor entry points or inlets, the separation from the substrate surface can vary and is preferably less than 100 mm.

그래핀의 형성은 그래핀의 합성, 제조, 생산 및 성장과 동의어이다. 그래핀은 육각형 격자 내의 탄소 원자의 단일 층을 포함하는 탄소의 동소체를 지칭하는 매우 잘 알려진 2차원 재료이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 그래핀은 그래핀의 하나 이상의 층을 지칭한다. 따라서, 본 발명의 일부 양태는 그래핀의 단층뿐만 아니라 다층 그래핀(그래핀 층 구조체로 지칭될 수 있음)의 형성을 포함한다. 바람직하게는, 그래핀은 그래핀의 1 내지 10개의 단층을 갖는 그래핀 층 구조체를 지칭한다. 라미네이트에 대한 많은 후속 응용에서, 웨이퍼 상의 그래핀의 단층이 특히 바람직하다. 따라서, 형성된 그래핀은 바람직하게는 단층 그래핀이다. 그럼에도 불구하고, 다른 응용에 대해 다층 그래핀이 바람직하고, 2개 또는 3개 층의 그래핀이 바람직할 수 있다.The formation of graphene is synonymous with the synthesis, fabrication, production and growth of graphene. Graphene is a very well-known two-dimensional material that refers to an allotrope of carbon containing a single layer of carbon atoms in a hexagonal lattice. As used herein, graphene refers to one or more layers of graphene. Accordingly, some aspects of the invention involve the formation of single-layer graphene as well as multilayer graphene (which may be referred to as graphene layer structures). Preferably, graphene refers to a graphene layer structure having 1 to 10 monolayers of graphene. In many subsequent applications for laminates, a single layer of graphene on a wafer is particularly desirable. Therefore, the formed graphene is preferably single-layer graphene. Nevertheless, for other applications multilayer graphene is preferred, and two or three layers of graphene may be preferred.

라미네이트의 제조 방법은 CVD 반응 챔버에서 일어날 CVD에 의해 그래핀을 형성하는 단계를 포함한다. 그래핀을 형성하는 이 단계는 통상적으로 가스 상의 전구체 및/또는 가스 중에 현탁된 전구체를 CVD 반응 챔버 내로 도입하는 단계를 포함할 것이다. CVD는 일반적으로 다양한 화학 기상 증착 기술을 지칭하며, 각각은 그래핀과 같은 2차원 결정질 재료와 같은 박막 재료를 생산하기 위해 진공 증착을 포함한다. 휘발성 전구체, 가스 상 또는 가스 중에 현탁된 전구체가 분해되어 원하는 재료, 그래핀의 경우 탄소를 형성하기 위해 필요한 종을 유리시킨다. 이해되는 바와 같이, 웨이퍼는 본 명세서에 기술된 바람직한 CVD 방법에 따라 균일한 그래핀의 성장에 동일하게, 바람직하게는 적합하다.The method of making the laminate includes forming graphene by CVD, which takes place in a CVD reaction chamber. This step of forming graphene will typically involve introducing gaseous precursors and/or precursors suspended in gases into a CVD reaction chamber. CVD generally refers to a variety of chemical vapor deposition techniques, each involving vacuum deposition to produce thin-film materials, such as two-dimensional crystalline materials such as graphene. The volatile precursor, either in the gas phase or suspended in a gas, decomposes to liberate the species needed to form the desired material, carbon in the case of graphene. As will be appreciated, the wafers are equally, preferably, suitable for the growth of uniform graphene according to the preferred CVD methods described herein.

바람직하게는, 방법은 분해가 전구체 가열의 결과가 되도록 열 CVD에 의해 그래핀을 형성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 사용되는 CVD 반응 챔버는 기판에 결합된 히터는 챔버에 대한 유일한 열원인 냉벽 반응 챔버이다.Preferably, the method includes forming graphene by thermal CVD such that decomposition is a result of heating the precursor. Preferably, the CVD reaction chamber used is a cold wall reaction chamber where the heater coupled to the substrate is the only heat source for the chamber.

특히 바람직한 구현예에서, CVD 반응 챔버는 복수의 전구체 진입 지점 또는 전구체 진입 지점의 어레이를 갖는 폐쇄 커플링된 샤워헤드를 포함한다. 폐쇄 커플링된 샤워헤드를 포함하는 이러한 CVD 장치는 MOCVD 공정에 사용되는 것으로 알려져 있을 수 있다. 따라서, 방법은 대안적으로 폐쇄 커플링된 샤워헤드를 포함하는 MOCVD 반응기를 사용하여 수행되는 것으로 언급될 수 있다. 어느 경우든, 샤워헤드는 바람직하게는 웨이퍼의 표면과 복수의 전구체 진입 지점 사이에서 100 mm 미만, 더 바람직하게는 25 mm 미만, 더욱 더 바람직하게는 10 mm 미만의 최소 분리를 제공하도록 구성된다. 이해되는 바와 같이, 일정한 분리는 웨이퍼의 표면과 각각의 전구체 진입 지점 사이의 최소 분리가 실질적으로 동일하다는 것을 의미한다. 최소 분리는 전구체 진입 지점과 웨이퍼 표면 사이의 최소 분리를 지칭한다. 따라서, 이러한 구현예는 전구체 진입 지점을 포함하는 평면이 웨이퍼 표면의 평면, 즉 배리어층의 성장면에 실질적으로 평행한 "수직" 배열을 포함한다.In a particularly preferred embodiment, the CVD reaction chamber includes a closed coupled showerhead having a plurality of precursor entry points or an array of precursor entry points. Such CVD devices comprising closed coupled showerheads may be known for use in MOCVD processes. Accordingly, the method may alternatively be referred to as being carried out using a MOCVD reactor comprising a closed coupled showerhead. In either case, the showerhead is preferably configured to provide a minimum separation of less than 100 mm, more preferably less than 25 mm, and even more preferably less than 10 mm between the surface of the wafer and the plurality of precursor entry points. As understood, constant separation means that the minimum separation between the surface of the wafer and each precursor entry point is substantially the same. Minimum separation refers to the minimum separation between the precursor entry point and the wafer surface. Accordingly, this embodiment includes a “vertical” arrangement in which the plane containing the precursor entry point is substantially parallel to the plane of the wafer surface, i.e., the growth plane of the barrier layer.

반응 챔버 내로의 전구체 진입 지점은 바람직하게는 냉각된다. 입구, 또는 사용될 때, 샤워헤드는 바람직하게는 전구체 진입 지점의 비교적 냉각 온도를 유지하도록 외부 냉각제, 예를 들어 물에 의해 능동적으로 냉각되어, 복수의 전구체 진입 지점을 통과하여 반응 챔버 내로 진입할 때 전구체의 온도는 100℃ 미만, 바람직하게는 50℃ 미만이 되게 한다.The point of precursor entry into the reaction chamber is preferably cooled. The inlet, or showerhead, when used, is preferably actively cooled by an external coolant, such as water, to maintain a relatively cool temperature of the precursor entry points as they pass through the plurality of precursor entry points and enter the reaction chamber. The temperature of the precursor is lower than 100°C, preferably lower than 50°C.

바람직하게는, 웨이퍼 표면과 복수의 전구체 진입 지점 사이의 충분히 작은 분리와 전구체의 분해 범위와 700℃를 초과하는 온도로 웨이퍼를 가열하는 단계와 결합된 전구체 진입 지점의 냉각하는 단계의 조합은 기판 표면으로부터 전구체 진입 지점으로 연장되어 기판 표면에서 그래핀 형성을 가능하게 하도록 충분히 가파른 열 구배를 생성한다. WO 2017/029470에 개시된 바와 같이, 바람직하게는 기판의 전체 표면 전반에 걸쳐 비금속 기판에 직접적으로 고품질 및 균일한 그래핀의 형성을 용이하게 하기 위해 매우 가파른 열 구배가 사용될 수 있다. 본 발명의 웨이퍼는 적어도 5 cm(2 인치) 이상, 15 cm(6 인치) 이상 또는 30 cm(12 인치) 이상의 직경을 가질 수 있다. 본 명세서에 기술된 방법을 위한 특히 적합한 장치는 Aixtron® Close-Coupled Showerhead® 반응기 및 Veeco® TurboDisk 반응기를 포함한다.Preferably, the combination of cooling the precursor entry points combined with heating the wafer to a temperature exceeding 700° C. with a sufficiently small separation between the wafer surface and the plurality of precursor entry points and the extent of decomposition of the precursors results in the substrate surface extends from the precursor entry point to create a sufficiently steep thermal gradient to enable graphene formation at the substrate surface. As disclosed in WO 2017/029470, very steep thermal gradients can be used to facilitate the formation of high quality and uniform graphene, preferably directly on non-metallic substrates across the entire surface of the substrate. Wafers of the present invention may have a diameter of at least 5 cm (2 inches), 15 cm (6 inches), or 30 cm (12 inches). Particularly suitable devices for the methods described herein include Aixtron® Close-Coupled Showerhead® reactors and Veeco® TurboDisk reactors.

결과적으로, 그래핀의 형성이 WO 2017/029470에 개시된 바와 같은 방법을 사용하는 것을 포함하는 특히 바람직한 구현예에서, 그래핀의 형성은:Consequently, in a particularly preferred embodiment where the formation of graphene comprises using a method as disclosed in WO 2017/029470, the formation of graphene is:

폐쇄 커플링된 반응기 챔버 내의 가열된 서셉터 상에 성장면을 갖는 배리어층을 포함하는 웨이퍼를 제공하는 단계(상기 폐쇄 커플링된 반응 챔버는 사용 시, 유입구가 웨이퍼 전반에 걸쳐 분포되고 웨이퍼로부터 일정한 분리를 갖도록 배열되는 복수의 냉각된 유입구를 가짐);Providing a wafer comprising a barrier layer having a growth surface on a heated susceptor in a closed coupled reactor chamber, wherein in use the inlets are distributed throughout the wafer and having a plurality of cooled inlets arranged to have separation);

유입구를 100℃ 미만으로 냉각하는 단계;Cooling the inlet to below 100°C;

유입구를 통해 CVD 반응 챔버 내로 기상의 전구체 및/또는 가스에 현탁된 전구체를 도입하여 전구체를 분해하고 웨이퍼의 배리어층의 성장면에 그래핀을 형성하는 단계; 및Introducing a vapor phase precursor and/or a precursor suspended in a gas into the CVD reaction chamber through an inlet to decompose the precursor and form graphene on the growth side of the barrier layer of the wafer; and

서셉터를 전구체의 분해 온도를 초과하는 적어도 50℃ 이상의 온도로 가열하여, 분해된 전구체로부터 방출된 탄소로부터 그래핀의 형성을 허용하기에 충분히 가파른 성장면과 유입구 사이에 열 구배를 제공하는 단계를 포함하며,Heating the susceptor to a temperature of at least 50° C. above the decomposition temperature of the precursor, thereby providing a thermal gradient between the inlet and the growth surface sufficiently steep to allow the formation of graphene from the carbon released from the decomposed precursor. Includes,

일정한 분리는 100 mm 미만, 바람직하게는 25 mm 미만, 더욱 더 바람직하게는 10 mm 미만이다.The constant separation is less than 100 mm, preferably less than 25 mm and even more preferably less than 10 mm.

본 발명의 바람직한 구현예에서, 전구체는 캐리어 가스와의 혼합물로서 CVD 반응 챔버 내로 도입된다. 캐리어 가스는 당업계에 잘 알려져 있으며, 희석 가스 또는 희석제로도 지칭될 수 있다. 캐리어 가스는 통상적으로 비활성 가스와 같은 불활성 가스 및 그래핀 성장의 경우, 수소 가스를 포함한다. 따라서, 캐리어 가스는 바람직하게는 하나 이상의 수소(H2), 질소(N2), 헬륨(He), 및 아르곤(Ar)이다. 더 바람직하게는, 캐리어 가스는 질소, 헬륨 및 아르곤 중 하나이거나 캐리어 가스는 수소와 질소, 헬륨 및 아르곤 중 하나의 혼합물이다.In a preferred embodiment of the invention, the precursor is introduced into the CVD reaction chamber as a mixture with a carrier gas. Carrier gases are well known in the art and may also be referred to as diluent gases or diluents. Carrier gases typically include inert gases such as inert gases and, in the case of graphene growth, hydrogen gas. Accordingly, the carrier gas is preferably one or more of hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ), helium (He), and argon (Ar). More preferably, the carrier gas is one of nitrogen, helium and argon or the carrier gas is a mixture of hydrogen and one of nitrogen, helium and argon.

본 발명의 다른 양태에서, 700℃ 초과의 온도에서 균일한 그래핀의 CVD 성장을 위한 웨이퍼가 제공되며, 웨이퍼는:In another aspect of the invention, a wafer is provided for uniform CVD growth of graphene at temperatures above 700° C., the wafer comprising:

평면형 규소 기판,planar silicon substrate,

규소 기판 전반에 걸쳐 제공되는 절연층; 및an insulating layer provided across the silicon substrate; and

절연층 전반에 걸쳐 제공되는 배리어층을 순서대로 포함하며,comprising, in order, a barrier layer provided throughout the insulating layer,

배리어층은 알루미나 및/또는 하프늄 산화물 층이고, 20 nm 이하의 일정한 두께를 갖고 균일한 그래핀의 CVD 성장을 위한 성장면을 제공한다.The barrier layer is an alumina and/or hafnium oxide layer, has a constant thickness of 20 nm or less, and provides a growth surface for uniform CVD growth of graphene.

동일하게, 본 발명의 다른 양태에서, 700℃ 초과의 온도에서 균일한 그래핀의 CVD 성장을 위한 웨이퍼의 제조 방법이 제공되며, 본 방법은:Likewise, in another aspect of the invention, a method is provided for making wafers for uniform CVD growth of graphene at temperatures above 700° C., comprising:

이의 표면 전반에 걸쳐 제공되는 절연층을 갖는 평면형 규소 기판을 제공하는 단계,providing a planar silicon substrate having an insulating layer provided across its surface;

전구체로서 물 또는 오존을 사용하여 ALD에 의해 상기 절연층 전반에 걸쳐 배리어층을 형성하는 단계를 포함하며,forming a barrier layer over the insulating layer by ALD using water or ozone as a precursor,

배리어층은 알루미나 및/또는 하프늄 산화물 층이고, 20 nm 이하의 일정한 두께를 갖고, 700℃ 초과의 온도에서 균일한 그래핀의 CVD 성장을 위한 성장면을 제공하고; 및 라미네이트의 제조 방법으로서, 웨이퍼의 적어도 일부를 제공하는 단계 및 이러한 라미네이트와 함께 700℃ 초과의 온도에서 CVD에 의해 배리어층의 성장면에 그래핀 층을 형성하는 단계를 포함한다,The barrier layer is a layer of alumina and/or hafnium oxide, has a constant thickness of less than 20 nm, and provides a growth surface for uniform CVD growth of graphene at temperatures above 700° C.; and a method of making a laminate, comprising providing at least a portion of a wafer and forming a graphene layer on the growth side of the barrier layer by CVD at a temperature above 700° C. with the laminate,

이제 본 발명은 하기 비제한적인 도면을 참조하여 추가로 기술될 것이다.
도 1은 비교 라미네이트에 대한 바이어스(V)에 대한 저항(Ω)의 플롯이다.
도 2는 본 발명에 따른 라미네이트에 대한 바이어스(V)에 대한 저항(Ω)의 플롯이다.
도 3a는 질화규소 표면에 직접적인 비교 방법에 의해 성장된 그래핀의 AFM 이미지이다.
도 3b는 산화규소 표면에 직접적인 비교 방법에 의해 성장된 그래핀의 AFM 이미지이다.
도 4는 실시예에 따라 성장된 그래핀의 AFM 이미지이다.
도 5는 실시예에 따라 성장된 그래핀의 AFM 이미지이다.
도 1은 그래핀과 비교 웨이퍼의 규소 기판 사이의 저항을 측정하는 것으로부터 얻어진 데이터의 플롯이며, 그래핀은 규소 기판의 200 nm 두께의 절연 Si3N4 층에 1300℃ 초과의 성장 온도에서 CVD를 사용하여 성장하였다.
도 2는 본 명세서에 기술된 바와 같이 웨이퍼의 그래핀과 규소 기판 사이의 저항을 측정하는 것으로부터 얻어진 데이터의 플롯이다. 웨이퍼는 비교예와 동일한 실리콘 기판 상에 절연 Si3N4 층을 포함하고, 전구체로서 물을 사용하여 ALD에 의해 형성된 5 nm AlOx 배리어층을 추가로 포함한다. 그래핀은 1300℃ 초과의 등가의 성장 온도에서 CVD를 사용하여 AlOx 배리어층의 성장면에서 성장하였다. 도 2는 라미네이트에 5nm AlOx 배리어층이 존재하면 CVD에 의한 그래핀 성장 공정 동안 절연 Si3N4 층을 보호한 결과로서 -3V 내지 +3V의 바이어스 전반에 걸쳐 저항이 평균 105 개선된다는 것을 보여준다.
도 3a는 질화규소 표면에 직접적으로 성장된 그래핀의 모폴로지를 보여주는 AFM 이미지이다. 도 3b는 산화규소 표면에 직접적으로 성장된 그래핀의 모폴로지를 보여주는 AFM 이미지이다. 도 4는 본 발명의 방법에 따라, 특히 질화규소 상의 얇은(< 5 nm) 알루미나 층 위에 성장된 그래핀의 개선된 모폴로지를 보여주는 AFM 이미지이다. 도 5는 본 발명의 방법에 따라, 특히 질화알루미늄 상의 얇은(< 5 nm) 알루미나 층 위에 성장된 그래핀의 개선된 모폴로지를 보여주는 AFM 이미지이다.
실시예
사전 성장된 질화규소 또는 질화알루미늄 코팅을 갖는 규소 웨이퍼를 ALD 챔버 내에 넣고, 챔버 온도 및 압력을 평형화하기 위해 27 sccm의 질소 가스 유동으로 대략 220 mTorr(약 27 Pa)의 진공 하에서 150℃의 증착 온도에서 챔버 내에 유지할 뿐만 아니라 샘플 표면으로부터 임의의 수분을 탈착한다. Al2O3를 이어서 캐리어 및 퍼지 가스 둘 모두로서 질소를 사용하여 증착 챔버 내로 도입되는, 각각 금속 유기 및 산화제 전구체로서, 트리메틸 알루미늄(TMAl) 및 탈이온수(DI H2O) 또는 오존(O3)을 사용하여 증착하였다. 전구체는 각각 TMAl 및 DI H2O 또는 O3에 대해 0.6초의 펄스 시간 및 20회 및 18초 또는 25초의 퍼지 시간을 이용하여, 3:2 비로 챔버 내로 펄스된다. 필름은 원하는 필름 두께에 따라 다양한 수의 사이클(10 내지 1000 사이클)로 150℃에서 증착된다.
ALD 캡핑된 웨이퍼는 MOCVD 반응기 챔버 내의 탄화규소 코팅된 흑연 서셉터에 위치된다. 반응기 챔버 자체를 글로브 박스 내에서 불활성 분위기로 보호한다. 이어서, 반응기를 밀봉하고, 질소, 아르곤 또는 수소 가스의 유동 하에서 10,000 내지 60,000 sccm의 속도로 퍼징한다. 서셉터를 40 내지 60 rpm의 속도로 회전시킨다. 반응기 챔버 내의 압력을 30 내지 100 mbar로 감소시킨다. 광학 프로브는 성장 동안 웨이퍼 반사율 및 온도를 모니터링하는 데 사용되며, 웨이퍼는 여전히 이들의 가열되지 않은 상태에 있고, 이들은 기준선 신호를 설정하기 위해 프로브 하에서 회전된다. 이어서, 서셉터 아래에 위치된 저항성 히터 코일을 0.1 내지 3.0 K/s의 속도로 1000 내지 1500℃의 설정점에 사용하여 웨이퍼를 가열한다. 웨이퍼를 선택적으로 수소 가스의 유동 하에서 10 내지 60분 동안 베이킹한 후에, 주위 가스를 질소 또는 아르곤으로 전환시키고, 압력을 30 내지 50 mbar로 감소시킨다. 웨이퍼를 성장 온도 및 압력에서 5 내지 10분의 기간 동안 어닐링한 후에, 탄화수소 전구체를 챔버에 도입한다. 이는 일정한 온도 및 압력 하에서 유지되는 액체를 통해 캐리어 가스(질소, 아르곤 또는 수소)를 통과시킴으로써 버블러에서 이의 액체 상태로부터 전달된다. 증기는 가스 혼합 매니폴드로 진입하고, 웨이퍼의 표면 전체에 걸쳐 균일한 증기 분포 및 성장을 보장하는, 당업계에서 플리넘/플리나로 공통적으로 지칭되는 다수의 작은 유입구를 통해 샤워헤드를 통해 반응기 챔버로 진행한다. 웨이퍼를 일정한 유동, 압력 및 온도 하에서 1,800 내지 10,800초의 지속시간 동안 탄화수소 증기에 노출시키고, 이 시점에서 전구체 공급 밸브가 차단된다. 이어서, 0.1 내지 4 K/min의 속도로 질소, 아르곤 또는 수소 가스의 연속적인 유동 하에서 웨이퍼를 냉각시킨다. 일단 웨이퍼 온도가 200℃ 미만에 도달하면, 챔버를 진공으로 펌핑하고 불활성 가스로 퍼징한다. 회전을 중단하고 히터를 차단한다. 반응기 챔버를 개방하고, 히터 온도가 150℃ 미만에 도달하면, 그래핀 코팅된 웨이퍼를 서셉터로부터 제거한다.
이어서, 형성된 그래핀을 라만 분광법 및 원자력 현미경을 포함하는 표준 기술을 사용하여 특성화하였다. 도 3a 및 도 3b는 각각 질화규소 및 산화규소 표면에 직접적으로 성장한 그래핀의 모폴로지를 도시한다. 대조적으로, 도 4 및 도 5는 실시예에 따라 각각 질화규소 또는 질화알루미늄 상의 얇은(<5 nm) 알루미나 층에 각각 성장한 그래핀의 모폴로지를 나타낸다. 그래핀의 별개의 가닥들 또는 플레이크로서 성장하기보다는, 이것은 연속적인 단일 층으로서 성장하여, 전자 디바이스에 적용하는 데 유용하게 한다. 결정적으로, 알루미나 배리어는 아래 유전체의 절연 동작을 유지하여, 그래핀이 전계 효과를 통해 게이트될 수 있도록 한다. 알루미나 배리어가 없는 경우, 그래핀 성장은 절연 유전체를 열화시키고, 아래의 그래핀 층과 규소 웨이퍼 사이에 전기 접촉을 생성한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한, 단수 형태는 복수의 언급을 포함한다. 용어 "포함하는"의 사용은 이러한 특징부를 포함하지만 다른 특징부를 배제하지 않는 것으로 해석되도록 의도되며, 또한 특징부가 기술된 것으로 반드시 제한되는 특징부의 옵션을 포함하도록 의도된다. 즉, 문맥상 명백히 달리 명시되지 않는 한. 이 용어는 또한 "본질적으로 구성되는"(특정 추가 구성요소가 설명된 특징의 본질적 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 한 존재할 수 있음을 의미하려는 의도임) 및 "구성된"(구성 요소를 비율에 따라 백분율로 표시하면 피할 수 없는 불순물을 고려하여 합산하면 100%가 될 수 있도록 다른 특징이 포함될 수 없음을 의미함)이라는 제한을 포함한다.
용어 "제1", "제2" 등이 본 명세서에서 다양한 요소, 층 및/또는 부분을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 요소, 층 및/또는 부분은 이들 용어에 의해 제한되지 않아야 한다는 것이 이해될 것이다. 이들 용어는 하나의 요소, 층 또는 부분을 다른 요소, 또는 추가, 요소, 층 또는 부분과 구별하는 데 사용된다. 용어 "상"은 다른 재료 "상에" 있는 것으로 언급되는 하나의 재료 사이에 개재 층이 없도록 "직접적으로 상에"을 의미하도록 의도되는 것으로 이해될 것이다. 다른 요소(들)는 특징부(들)에 대한 하나의 요소 또는 특징의 관계를 설명하기 위한 설명의 용이함을 위해 본 명세서에서 "아래", "아래의", "하부", "위의", "상부" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어가 본 명세서에서 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 배향에 더하여 사용 또는 동작에서 디바이스의 상이한 배향을 포함하도록 의도되는 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 바와 같은 웨이퍼 또는 디바이스가 턴오버되는 경우, 다른 요소 또는 특징부 "아래" 또는 "아래로" 설명된 요소이 다른 요소 또는 특징부 "위에" 배향될 것이다. 따라서, 예시적인 용어 "아래"는 위와 아래의 배향 둘 모두를 포함할 수 있다. 웨이퍼 또는 디바이스는 달리 배향될 수 있고, 본 명세서에 사용되는 공간적으로 상대적인 디스크립터는 이에 따라 해석된다.
전술된 상세한 설명은 설명 및 예시에 의해 제공되었고, 첨부된 청구범위의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 명세서에 예시된 현재 바람직한 구현예의 많은 변형은 당업자에게 명백할 것이며, 첨부된 청구범위 및 이의 등가물의 범위 내에 있다.
The invention will now be further described with reference to the following non-limiting drawings.
Figure 1 is a plot of resistance (Ω) versus bias (V) for comparative laminates.
Figure 2 is a plot of resistance (Ω) versus bias (V) for a laminate according to the present invention.
Figure 3a is an AFM image of graphene grown by a direct comparison method on a silicon nitride surface.
Figure 3b is an AFM image of graphene grown by a direct comparison method on a silicon oxide surface.
Figure 4 is an AFM image of graphene grown according to an example.
Figure 5 is an AFM image of graphene grown according to an example.
Figure 1 is a plot of data obtained from measuring the resistance between graphene and the silicon substrate of a comparison wafer, where graphene was CVD grown at a growth temperature above 1300°C on a 200 nm thick insulating Si 3 N 4 layer on the silicon substrate. It was grown using .
Figure 2 is a plot of data obtained from measuring the resistance between the graphene and silicon substrate of the wafer as described herein. The wafer included an insulating Si 3 N 4 layer on the same silicon substrate as the comparative example, and further included a 5 nm AlO x barrier layer formed by ALD using water as a precursor. Graphene was grown on the growth side of the AlO x barrier layer using CVD at equivalent growth temperatures above 1300°C. Figure 2 shows that the presence of a 5 nm AlO It shows.
Figure 3a is an AFM image showing the morphology of graphene grown directly on the surface of silicon nitride. Figure 3b is an AFM image showing the morphology of graphene grown directly on the surface of silicon oxide. Figure 4 is an AFM image showing the improved morphology of graphene grown according to the method of the invention, particularly on thin (<5 nm) alumina layers on silicon nitride. Figure 5 is an AFM image showing the improved morphology of graphene grown according to the method of the invention, particularly on thin (<5 nm) alumina layers on aluminum nitride.
Example
A silicon wafer with a pre-grown silicon nitride or aluminum nitride coating is placed into an ALD chamber at a deposition temperature of 150° C. under a vacuum of approximately 220 mTorr (about 27 Pa) with a nitrogen gas flow of 27 sccm to equalize the chamber temperature and pressure. It not only retains within the chamber but also desorbs any moisture from the sample surface. Al 2 O 3 is then introduced into the deposition chamber using nitrogen as both carrier and purge gas, trimethyl aluminum (TMAl) and deionized water (DI H 2 O) or ozone (O 3 ) as metal organic and oxidant precursors, respectively. ) was deposited using. Precursors are pulsed into the chamber at a 3:2 ratio, using a pulse time of 0.6 seconds and a purge time of 20 and 18 or 25 seconds for TMAl and DI H 2 O or O 3 respectively. The film is deposited at 150° C. in a varying number of cycles (10 to 1000 cycles) depending on the desired film thickness.
The ALD capped wafer is placed on a silicon carbide coated graphite susceptor within a MOCVD reactor chamber. The reactor chamber itself is protected by an inert atmosphere within a glove box. The reactor is then sealed and purged under a flow of nitrogen, argon or hydrogen gas at a rate of 10,000 to 60,000 sccm. The susceptor is rotated at a speed of 40 to 60 rpm. The pressure in the reactor chamber is reduced to 30 to 100 mbar. Optical probes are used to monitor wafer reflectivity and temperature during growth, while the wafers are still in their unheated state and they are rotated under the probe to establish a baseline signal. The wafer is then heated using a resistive heater coil positioned below the susceptor to a set point of 1000 to 1500° C. at a rate of 0.1 to 3.0 K/s. After the wafer is optionally baked under a flow of hydrogen gas for 10 to 60 minutes, the ambient gas is converted to nitrogen or argon and the pressure is reduced to 30 to 50 mbar. After the wafer is annealed at the growth temperature and pressure for a period of 5 to 10 minutes, the hydrocarbon precursor is introduced into the chamber. It is transferred from its liquid state in a bubbler by passing a carrier gas (nitrogen, argon or hydrogen) through the liquid, which is maintained at constant temperature and pressure. The vapor enters the gas mixing manifold and through the showerhead into the reactor chamber through a number of small inlets, commonly referred to in the art as plenum/plena, ensuring uniform vapor distribution and growth across the surface of the wafer. Proceed with The wafer is exposed to hydrocarbon vapor under constant flow, pressure and temperature for a duration of 1,800 to 10,800 seconds, at which point the precursor supply valve is closed. The wafer is then cooled under a continuous flow of nitrogen, argon or hydrogen gas at a rate of 0.1 to 4 K/min. Once the wafer temperature reaches below 200°C, the chamber is pumped to vacuum and purged with an inert gas. Stop rotation and turn off heater. The reactor chamber is opened, and once the heater temperature reaches below 150° C., the graphene coated wafer is removed from the susceptor.
The formed graphene was then characterized using standard techniques including Raman spectroscopy and atomic force microscopy. Figures 3a and 3b show the morphology of graphene grown directly on silicon nitride and silicon oxide surfaces, respectively. In contrast, Figures 4 and 5 show the morphology of graphene grown on thin (<5 nm) alumina layers on silicon nitride or aluminum nitride, respectively, depending on the example. Rather than growing as separate strands or flakes of graphene, it grows as a continuous single layer, making it useful for applications in electronic devices. Crucially, the alumina barrier maintains the insulating behavior of the underlying dielectric, allowing the graphene to be gated through electric field effects. In the absence of an alumina barrier, graphene growth degrades the insulating dielectric and creates electrical contact between the underlying graphene layer and the silicon wafer.
As used herein, the singular forms include plural references unless the context clearly dictates otherwise. The use of the term “comprising” is intended to be construed as including such features but not excluding other features, and is also intended to include the option of features being necessarily limited to those described. That is, unless the context clearly states otherwise. The term also refers to "consisting essentially of" (which is intended to mean that certain additional components may be present so long as they do not materially affect the essential characteristics of the feature described) and "consisting of" (which consists of Expressed as a percentage, it includes the limitation that no other characteristics can be included so that when added up to 100%, taking into account unavoidable impurities.
It will be understood that although the terms “first”, “second”, etc. may be used herein to describe various elements, layers and/or portions, the elements, layers and/or portions should not be limited by these terms. will be. These terms are used to distinguish one element, layer, or portion from another element, or from an additional, element, layer, or portion. The term “on” will be understood to mean “directly on” such that there is no intervening layer between one material that is said to be “on” another material. Other element(s) may be referred to herein as "below", "below", "lower", "above", etc. for ease of description and to describe the relationship of one element or feature to the feature(s). Spatially relative terms such as “top” and the like may be used herein. It will be understood that spatially relative terms are intended to encompass different orientations of the device in use or operation in addition to the orientation shown in the figures. For example, if a wafer or device as described herein is turned over, an element described as “below” or “below” another element or feature will be oriented “above” another element or feature. Accordingly, the exemplary term “below” can include both up and down orientations. The wafer or device may be otherwise oriented and the spatially relative descriptors used herein are interpreted accordingly.
The foregoing detailed description has been provided by way of illustration and example, and is not intended to limit the scope of the appended claims. Many modifications of the presently preferred embodiments illustrated herein will be apparent to those skilled in the art and are within the scope of the appended claims and their equivalents.

Claims (12)

700℃ 초과의 온도에서 균일한 그래핀의 CVD 성장을 위한 웨이퍼로서, 웨이퍼는 순서대로,
평면형 규소 기판,
규소 기판 전반에 걸쳐 제공되는 절연층; 및
절연층 전반에 걸쳐 제공되는 배리어층을 순서대로 포함하며,
상기 절연층은 질화규소 및/또는 질화알루미늄 층이고,
상기 배리어층은 50 nm 이하의 일정한 두께를 갖고 균일한 그래핀의 CVD 성장을 위한 성장면을 제공하는, 웨이퍼.
A wafer for uniform CVD growth of graphene at a temperature exceeding 700° C., the wafer comprising, in order:
planar silicon substrate,
an insulating layer provided across the silicon substrate; and
comprising, in order, a barrier layer provided throughout the insulating layer,
The insulating layer is a silicon nitride and/or aluminum nitride layer,
The barrier layer has a constant thickness of 50 nm or less and provides a growth surface for uniform CVD growth of graphene.
제1항에 있어서, 상기 배리어층은 알루미나, 이트리아, 지르코니아 및/또는 YSZ 층, 바람직하게는 알루미나인, 웨이퍼.The wafer according to claim 1, wherein the barrier layer is an alumina, yttria, zirconia and/or YSZ layer, preferably alumina. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연층은 10 nm 내지 100 μm, 바람직하게는 50 nm 내지 10 μm의 일정한 두께를 갖는, 웨이퍼.3. Wafer according to claim 1 or 2, wherein the insulating layer has a constant thickness of 10 nm to 100 μm, preferably 50 nm to 10 μm. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배리어층은 1 내지 10 nm, 바람직하게는 1 내지 5 nm의 일정한 두께를 갖는, 웨이퍼.4. The wafer according to any one of claims 1 to 3, wherein the barrier layer has a constant thickness of 1 to 10 nm, preferably 1 to 5 nm. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배리어층은 전구체로서 물 또는 오존을 사용하여 ALD에 의해 수득 가능한, 웨이퍼.5. The wafer according to any one of claims 1 to 4, wherein the barrier layer is obtainable by ALD using water or ozone as a precursor. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 상기 웨이퍼의 적어도 일부 및 700℃ 초과의 온도에서 CVD에 의해 상기 배리어층의 성장면에 형성된 그래핀 층을 포함하는 라미네이트.A laminate comprising at least a portion of the wafer according to any one of claims 1 to 5 and a graphene layer formed on the growth side of the barrier layer by CVD at a temperature above 700°C. 제6항의 상기 라미네이트를 포함하는 전자 디바이스.An electronic device comprising the laminate of claim 6. 700℃ 초과의 온도에서 균일한 그래핀의 상기 CVD 성장을 위한 웨이퍼의 제조 방법으로서,
이의 표면 전반에 걸쳐 제공되는 절연층을 갖는 평면형 규소 기판을 제공하는 단계,
전구체로서 물 또는 오존을 사용하여 ALD에 의해 상기 절연층 전반에 걸쳐 배리어층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 절연층은 질화규소 및/또는 질화알루미늄 층이고,
상기 배리어층은 50 nm 이하의 일정한 두께를 갖고 700℃ 초과의 온도에서 균일한 그래핀의 상기 CVD 성장을 위한 성장면을 제공하는, 방법.
A method of manufacturing a wafer for the CVD growth of uniform graphene at a temperature exceeding 700° C., comprising:
providing a planar silicon substrate having an insulating layer provided across its surface;
forming a barrier layer over the insulating layer by ALD using water or ozone as a precursor,
The insulating layer is a silicon nitride and/or aluminum nitride layer,
The method of claim 1 , wherein the barrier layer has a constant thickness of less than 50 nm and provides a growth surface for the CVD growth of uniform graphene at a temperature above 700°C.
제8항에 있어서, 상기 배리어층은 알루미나, 이트리아, 지르코니아 및/또는 YSZ 층인, 방법.9. The method of claim 8, wherein the barrier layer is an alumina, yttria, zirconia and/or YSZ layer. 제9항에 있어서, 상기 배리어층은 알루미나이고, 상기 ALD용 추가 전구체는 트리알킬 알루미늄 또는 트리알콕사이드 알루미늄, 바람직하게는 트리메틸알루미늄, 트리스(디메틸아미도)알루미늄, 알루미늄 트리스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트) 또는 알루미늄 트리스(아세틸아세토네이트)인, 방법.The method of claim 9, wherein the barrier layer is alumina, and the additional precursor for ALD is trialkyl aluminum or trialkoxide aluminum, preferably trimethylaluminum, tris(dimethylamido)aluminum, aluminum tris(2,2,6, 6-tetramethyl-3,5-heptandionate) or aluminum tris(acetylacetonate). 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 웨이퍼는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 것인, 방법.11. The method according to any one of claims 8 to 10, wherein the wafer is according to any one of claims 1 to 5. 라미네이트의 제조 방법으로서,
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 상기 웨이퍼를 제공하는 단계, 또는 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항의 상기 방법에 의해 수득되는 단계, 및
700℃ 초과의 온도에서 CVD에 의해 상기 배리어층의 성장면에 그래핀 층을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
As a method of manufacturing a laminate,
providing said wafer according to any one of claims 1 to 5, or obtained by said method according to any one of claims 8 to 11, and
A method comprising forming a graphene layer on the growth side of the barrier layer by CVD at a temperature greater than 700°C.
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