碳层及制造方法
阅读：871发布：2021-10-29
专利汇可以提供碳层及制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种制造 碳 层的系统和方法。 实施例 包括在衬底上沉积第一金属层，该衬底包括碳。在衬底上 外延 生长 硅 化物，外延生长硅化物也在硅化物上方形成碳层。在一个实施例中，碳层是 石墨 烯，并且可以将该碳层转移 半导体 衬底以进一步处理从而在 石墨烯 内形成 沟道 。，下面是碳层及制造方法专利的具体信息内容。
1.一种用于制造沟道材料的方法，所述方法包括：
将第一金属层沉积在衬底上，所述衬底包括碳；以及
在所述衬底上外延生长硅化物，外延生长所述硅化物还形成位于所述硅化物上方的碳层，其中，所述碳层是来自于所述第一金属层和所述衬底反应的产物；
采用第一退火修复所述碳层，其中，在所述衬底上外延生长所述硅化物后执行修复所述碳层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碳层是石墨烯。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底是硅碳。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述硅碳具有(111)晶体定向。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，外延生长所述硅化物进一步包括实施第二退火。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，实施所述第二退火至少部分地在低于800℃的温度下实施。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
将所述碳层转移至半导体衬底；以及
由所述碳层的至少一部分形成晶体管。
8.一种制造半导体器件的方法，所述方法包括：
在含碳衬底上方形成第一金属层；
对所述第一金属层和所述含碳衬底进行第一退火以形成第一硅化物区和位于所述第一硅化物区上方的碳层，其中，对所述第一金属层和所述含碳衬底进行第一退火使得外延生长所述第一硅化物区；以及
采用第二退火修复所述碳层，所述第二退火不同于所述第一退火，其中，在所述衬底上外延生长所述第一硅化物区后，执行修复所述碳层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述碳层是石墨烯。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一金属层的厚度小于10nm。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述含碳衬底包括硅碳。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述含碳衬底具有(111)晶体定向。
13.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
使用转移层从所述第一硅化物区去除所述碳层；以及
将所述碳层置于半导体衬底上。
14.一种制造半导体器件的方法，所述方法包括：
提供包括碳的衬底，所述衬底具有第一晶格常数；
沉积与所述衬底接触的第一金属层；
在所述衬底上方形成碳层，其中，所述碳层是来自于所述第一金属层和所述衬底反应的产物，形成所述碳层包括在所述衬底上生长单晶硅化物，所述单晶硅化物具有与所述第一晶格常数相同的第二晶格常数；以及
采用第一退火修复所述碳层，其中，在所述衬底上外延生长所述硅化物后执行修复所述碳层。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述碳层进一步包括：在低于800℃的温度下对所述衬底和所述第一金属层进行第二退火，所述第二退火不同于所述第一退火。
16.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
从所述单晶硅化物分离所述碳层；
将所述碳层转移至半导体衬底；以及
在所述碳层内形成沟道。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一金属层的厚度小于10nm。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述衬底具有(111)晶体定向。
碳层及制造方法
技术领域
背景技术
[0002] 通常集成电路可以由位于半导体衬底上的各种有源和无源器件形成。例如，这些有源和无源器件可以包括：晶体管、电阻器、电容器、电感器等。此外，集成电路也可以具有多个交错的导电层和绝缘层，以便将各种有源和无源器件互连为期望的功能电路。例如，可以使用接触焊盘或者其他类型的连接件将这种功能电路连接至外部器件，以提供与各种有源和无源器件的功率、接地和信号连接。
[0003] 然而，在进一步小型化集成电路尤其是进一步小型化集成电路内的有源和无源器件的竞争中，问题出现在以前用于形成有源和无源器件的各种材料上。同样地，为了制造不仅更小而且更有效率的有源和无源器件，正在研究新材料作为用于有源和无源器件的各个方面的潜在替代材料。
[0004] 不幸的是，虽然如果将材料用在有源和无源器件的各个方面中则可以具有提供优点的材料，但是问题可能出现在这些材料不容易结合到可以用于大规模生产用于供普通大众使用的集成电路的制造工艺中。同样地，没有大规模生产这些材料并将它们集成到大规模生产工艺流程中的能力，这些材料可能仅有极小用处。同样地，有利于找到也容易扩展的有用材料使得材料可以被大规模生产并且结合到集成电路的大规模生产工艺流程中。
发明内容
[0005] 为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种用于制造沟道材料的方法，所述方法包括：将第一金属层沉积在衬底上，所述衬底包括碳；以及在所述衬底上外延生长硅化物，外延生长所述硅化物还形成位于所述硅化物上方的碳层。
[0006] 在该方法中，所述碳层是石墨烯。
[0007] 在该方法中，所述衬底是硅碳。
[0008] 在该方法中，所述硅碳具有(111)晶体定向。
[0009] 在该方法中，外延生长所述硅化物进一步包括实施第一退火。
[0010] 在该方法中，实施所述第一退火至少部分地在低于约800℃的温度下实施。
[0011] 该方法进一步包括：通过第二退火固化所述碳层。
[0012] 该方法进一步包括：将所述碳层转移至半导体衬底；以及由所述碳层的至少一部分形成晶体管。
[0013] 根据本发明的又一方面，提供了一种制造半导体器件的方法，所述方法包括：在含碳衬底上方形成第一金属层；以及对所述第一金属层和所述含碳衬底进行退火以形成第一硅化物区和位于所述第一硅化物区上方的碳层，其中，对所述第一金属层和所述含碳衬底进行退火使得外延生长所述第一硅化物区。
[0014] 在该方法中，所述碳层是石墨烯。
[0015] 在该方法中，所述第一金属层的厚度小于约10nm。
[0016] 在该方法中，所述含碳衬底包括硅碳。
[0017] 在该方法中，所述含碳衬底具有(111)晶体定向。
[0018] 该方法进一步包括使用转移层从所述第一硅化物区去除所述碳层；以及将所述碳层置于半导体衬底上。
[0019] 根据本发明的又一方面，提供了一种制造半导体器件的方法，所述方法包括：提供包括碳的衬底，所述衬底具有第一晶格常数；沉积与所述衬底接触的第一金属层；以及在所述衬底上方形成碳层，形成所述碳层包括在所述衬底上生长单晶硅化物，所述单晶硅化物具有与所述第一晶格常数相同的第二晶格常数。
[0020] 在该方法中，形成所述碳层进一步包括：在低于约800℃的温度下对所述衬底和所述第一金属层进行退火。
[0021] 该方法进一步包括：在形成所述碳层之后通过对所述碳层进行退火来固化所述碳层。
[0022] 该方法进一步包括：从所述单晶硅化物分离所述碳层；将所述碳层转移至半导体衬底；以及在所述碳层内形成沟道。
[0023] 在该方法中，所述第一金属层的厚度小于约10nm。
[0025] 为了更好地理解实施例及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：
[0026] 图1示出了根据实施例的位于衬底上方的第一金属层；
[0027] 图2示出了根据实施例的碳层和硅化物层的形成；
[0028] 图3示出了根据实施例的可以在碳层上实施的固化；
[0029] 图4示出了根据实施例的位于碳层上的转移层的放置；
[0030] 图5示出了根据实施例的碳层从衬底和硅化物层的去除；
[0031] 图6示出了根据实施例的碳层在半导体衬底上的放置；
[0032] 图7示出了根据实施例的转移层从碳层的去除；
[0033] 图8示出了根据实施例的使用碳层的部分作为沟道的晶体管的形成。
[0034] 图9示出了根据实施例的通过形成到达碳层的接触件形成晶体管。
[0035] 除非另有说明，否则不同附图中的相应数字和符号通常指的是对应部件。为了清楚地说明实施例的相关方面绘制这些附图，并且没有必要按比例绘制。
具体实施方式
[0036] 以下详细讨论了本实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明理念。所讨论的具体实施例仅是为了说明制造和使用所公开的主题的具体方式，且并不限定不同实施例的范围。
[0037] 将结合具体上下文，即，由含碳衬底形成的石墨烯层来描述实施例。然而，也可以将其他实施例应用于形成石墨烯的其他方法。
[0038] 现在参考图1，示出了第一衬底101和第一金属层103。第一衬底101可以是含碳半导体材料，诸如硅碳(SiC)、硅锗碳(SiGeC)、它们的组合等，但是可以可选地使用形成硅化物、锗化物(金属-锗化合物)、硅锗化物(金属-硅-锗化合物)等并且含碳的任意合适的材料。第一衬底101的厚度可以在约0.5μm和约500μm之间，诸如约200μm。
[0039] 第一衬底101可以额外地具有有利于在第一衬底101上外延生长硅化物的晶体结构(在图1中未示出，但下文关于图2进行说明和讨论)。在一个实施例中，第一衬底101可以具有(111)晶体定向，但是本实施例并不旨在限于(111)晶体定向。可以可选地使用允许在第一衬底101上外延生长硅化物的任意合适的定向，并且所有这些定向都完全旨在包括在本实施例的范围内。
[0040] 然而，本领域普通技术人员应该意识到，第一衬底101不旨在限定SiC的单层。可以可选地使用形成硅化物、锗化物或者硅锗化物并且含碳的任意其他合适的层或者层的组合。例如，在可选实施例中，第一衬底101可以包括位于诸如氧化物的绝缘层的顶部上的SiC层。在这种实施例中，绝缘体的厚度可以在约20nm至约500nm之间，而SiC层的厚度可以在约10nm至约1000nm之间。可以可选地使用该层以及任意其他合适的层或者层的组合，并且所有这种层或者层的组合都旨在完全包括在本实施例的范围内。
[0041] 第一金属层103可以形成在第一衬底101上方。第一金属层103可以是用于与第一衬底101形成硅化物但没有形成大量的自然碳化物的材料。在第一衬底101是硅碳的实施例中，例如，第一金属层103可以是镍、铂、钴、钯、铜、铁、它们的组合等。可以可选地使用形成硅化物但不形成大量的自然碳化物的任意合适的材料。
[0042] 此外，为了促进石墨烯的形成而不是其他形式的碳(诸如石墨)，可以将第一金属层103形成为薄层。在一个实施例中，可以使用诸如化学汽相沉积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)、它们的组合等的沉积工艺将第一金属层103形成为具有约0.5nm和约10nm之间的厚度，诸如约2nm。然而，可以可选地使用任意其他合适的厚度和工艺以形成第一金属层103。
[0043] 图2示出了在第一衬底101是硅碳的一个实施例中，可以在第一衬底101和第一金属层103上实施第一退火(在图2中通过标记为201的箭头表示)，以形成硅化物层203和碳层205。然而，在第一衬底101是硅锗碳的可选实施例中，第一退火201可以用于形成硅锗化物来代替硅化物层203，以及在第一衬底101是锗碳的实施例中，第一退火201可以用于形成锗化物层来代替硅化物层203。所有这些实施例都旨在完全包括在本实施例的范围内。
[0044] 在一个实施例中，例如，第一退火201可以是热退火，其中，第一衬底101和第一金属层103置于非反应性环境气氛中并且在约1s和约5min之间的时间周期的时间段(诸如约30s)内被加热到约室温和约800℃之间的温度(诸如约200℃)。然而，可以可选地使用其他合适的退火工艺，诸如快速热退火、等离子体退火、激光退火、室温退火、它们的组合等。
[0045] 在第一衬底101是碳化硅的一个实施例中，位于第一衬底101内的硅与位于第一金属层103内的材料发生反应以形成硅化物层203。通过使用用于第一退火201的低温范围，连同第一衬底101的晶体定向，以及与第一衬底101的晶格常数接近的选择硅化物的晶格常数，可以在第一衬底101上方外延生长硅化物层203。通过该工艺，可以制造高质量的石墨烯层。
[0046] 此外，通过使用这些材料，形成硅化物的化学反应可以遵循公式1中的反应式，Me是第一金属层103的材料。
[0047] Me+SiC→MeSix+C 公式1
[0048] 可以看到，通过SiC与来自第一金属层103(其没有自然碳化物)的材料发生反应，碳是反应的副产品。因为第一金属层103的材料与第一衬底101发生反应并扩散到第一衬底101中，这种碳作为副产品保留在硅化物层203的顶面上以形成碳层205。
[0049] 此外，通过将第一金属层103保持为薄层，碳层205是石墨烯而不是诸如石墨的其他潜在的副产品。也可以通过调节第一金属层103的厚度来调整碳层205的厚度。例如，在第一金属层103的厚度在约0.5nm和约10nm之间(诸如约2nm)的一个实施例中，碳层205的厚度可以在约1个单层和约10个单层之间，诸如约2个单层。在单层的厚度可以为约0.5nm的一个实施例中，碳层205的厚度可以在约0.5nm和约5nm之间，诸如约1nm。
[0050] 图3示出了可以在已经形成碳层205之后实施的任选的第二退火(在图3中通过标记为301的线表示)。在一个实施例中，可以实施第二退火301以固化碳层205和帮助修复在形成期间在碳层205的晶格中形成的任意不均匀性。可以通过将具有碳层205的第一衬底101置于非反应性环境中并且将第一衬底101和碳层205加热到约500℃和约1100℃之间的温度(诸如850℃)来实施第二退火301。可以作为峰值退火来实施第二退火301，但是可以可选地使用任意其他合适类型的退火，并且可以在约0.1s和约5min之间的时间周期的时间段内(诸如约小于1分钟)来实施该第二退火。在第二退火301是峰值退火的一个实施例中，可以在小于1秒的时间周期的时间段内实施第二退火301。
[0051] 通过用上述的硅化工艺形成碳层205，可以获得很高质量的碳层205。此外，可以容易地将这样的工艺集成到现有的制造工艺中。同样地，可以获得高质量、高效率的制造碳层205的方法。
[0052] 图4示出了一旦已经形成和/或可选地固化碳层205，就可以在碳层205上形成转移层401，以开始将碳层205转移至第二衬底601(在图4中未示出，但下文关于图6进行说明和进一步讨论)的工艺。在一个实施例中，转移层401可以是在从碳层205去除硅化物层203期间用于固定和保护碳层205的材料，同时一旦已经转移碳层205，也允许容易地去除转移层401。例如，转移层401可以是聚甲基丙烯酸酯(PMMA)，但是可以可选地使用任意其他合适的材料，诸如甲基丙烯酸树脂或者酚醛树脂等。
[0053] 在转移层401是PMMA的实施例中，可以例如使用旋涂工艺将转移层401置于碳层205上，但是也可以使用任意其他合适的沉积工艺。一旦在PMMA处于适当的位置，就可以固化和凝固PMMA。这种凝固的PMMA可以保护碳层205并且还允许通过转移层401移动和控制碳层205。
[0054] 图5示出了一旦转移层401位于碳层205上方的适当位置，就可以去除第一衬底101和硅化物层203以暴露碳层205的背面。在一个实施例中，可以使用对第一衬底101和硅化物层203具有选择性的诸如湿蚀刻的一种或者多种蚀刻工艺来去除第一衬底101和硅化物层203。同样地，虽然使用的精确蚀刻剂至少部分可以取决于第一衬底101和硅化物层203的材料，但是在第一衬底101是碳化硅而硅化物层203是硅化镍的实施例中，可以用诸如KOH的蚀刻剂去除第一衬底101而可以用诸如HF、HNO3/HCL的蚀刻剂单独去除硅化物层203。然而，可以可选地使用蚀刻剂和工艺步骤的任意合适组合以从碳层205的背面去除第一衬底101和硅化物层203。
[0055] 图6示出了碳层205可以转移至其上的第二衬底601(在图6中未示出该转移，但下文关于图7进行说明和讨论)。第二衬底601可以包括半导体衬底603与绝缘衬底605。半导体衬底603可以是诸如硅、锗、金刚石等的半导体材料。可选地，也可以使用具有其他晶体定向的化合物材料，诸如硅锗、碳化硅、砷化镓、砷化铟、磷化铟、锗硅碳化物、磷化镓砷、磷化铟镓、它们的组合等。半导体衬底603可以掺杂有诸如硼、铝、镓等的p-型掺杂剂，但是该衬底可以可选地掺杂有本领域公知的n-型掺杂剂。
[0056] 绝缘衬底605可以由诸如氧化物的绝缘材料形成。在一个实施例中，可以通过在包括氧化物、H2O、NO或者它们的组合的环境中的诸如半导体衬底603的湿或者干热氧化的任意氧化工艺，或者通过使用四乙基正硅酸盐(TEOS)和氧气作为前体的化学汽相沉积(CVD)技术来形成绝缘衬底605。在一个实施例中，绝缘衬底605的厚度可以在约20nm至约500nm之间，诸如厚度为约100nm。
[0057] 可以在位于第二衬底601上方的介电层607中形成栅电极609。在一个实施例中，介电层607可以是诸如氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化物、含氮氧化物、氧化铝、氧化镧、氧化铪、氧化锆、氮氧化铪或者它们的组合的介电材料，并且可以使用诸如CVD、PVD、ALD等工艺来形成该介电层。介电层607可以形成为约1μm的厚度，但是可以可选地使用任意其他合适的厚度。
[0058] 一旦在第二衬底601上方形成介电层607，栅电极609就可以内嵌在介电层607。在一个实施例中，栅电极609可以是诸如铝、钨、多晶硅、其他导电材料、它们的组合等的导电材料，并且可以使用镶嵌工艺来形成栅电极609。例如，在已经形成介电层607之后，例如，可以使用光刻掩模和蚀刻工艺来图案化介电层607，以在期望栅电极609的位置处形成开口。一旦已经形成开口，就可以使用诸如CVD、PVD等工艺将用于栅电极609的材料(例如，铝)沉积在开口中，并且例如，可以通过化学机械抛光工艺来平坦化栅电极609和介电层607，使得栅电极609保持内嵌在介电层607中。
[0059] 一旦已经形成栅电极，就可以在栅电极609和介电层607上方形成栅极介电层611。栅极介电层611可以包括诸如六角氮化硼(h-BN)、氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)的介电材料或者其他合适的介电材料。在使用六角氮化硼的实施例中，六角氮化硼可以进行机械转移并置于栅电极609和介电层607上方，然而，如果使用氧化铪，则可以使用诸如ALD的沉积工艺以在栅电极609和介电层607上方沉积栅极介电层611。栅极介电层611的厚度可以为约
10nm。
10nm。
[0060] 图7示出了一旦已经从碳层205去除第一衬底101和硅化物层203，就可以使用转移层401以将碳层205置于第二衬底601上方并且与栅极介电层611接触。可以通过控制转移层401(具有附接的碳层205)和使用转移层401将碳层205与栅极介电层611对齐来实施碳层
205的放置。
205的放置。
[0061] 图8示出了一旦碳层205已经置于栅极介电层611上方就去除转移层401。可以使用从碳层205去除转移层401的材料的剥离或者蚀刻工艺来去除转移层401。同样地，虽然用于去除转移层401的材料至少部分可以取决于选择用于转移层401的材料，但是在转移层401是PMMA的实施例中，可以通过将溶解PMMA的丙酮施加给PMMA来去除转移层401。
[0062] 然而，本领域普通技术人员应该意识到，用于转移层401的PMMA的使用和转移层401的使用通常并不旨在限定本实施例。相反，可以使用转移碳层205并且将碳层205集成在制造工艺流程中的任意合适的方法。例如，可以在第一衬底101和硅化物层203仍附接至碳层205的同时转移碳层205。一旦碳层205位于适当的位置，就可以去除第一衬底101和硅化物层203，从而避免需要转移层401。用于转移碳层205的这种方法和任意其他合适的方法都旨在完全包括在本实施例的范围内。
[0063] 图8还示出了碳层205的图案化。在一个实施例中，实施图案化将碳层205变成用于诸如晶体管900(在图8中未示出，但下文关于图9进行说明和讨论)的各种器件的独立的沟道区和接触点。在一个实施例中，可以使用光刻掩模和蚀刻工艺实施图案化。例如，可以将感光材料应用于碳层205，暴露在诸如光的图案化能量源中，并且进行显影以形成位于碳层205上方的掩模。然后，掩模可以用于蚀刻或以其他方式去除碳层205的通过掩模曝光的那些部分以图案化碳层205。一旦已经图案化碳层205，就可以去除掩模，从而保留图案化的碳层205。
[0064] 图9示出了到达碳层205的接触件901的形成，以形成晶体管900。使用接触件901调节碳层205的功函，其中，接触件901与碳层205接触，从而在碳层205内形成源极区和漏极区。在一个实施例中，接触件901可以由诸如镍、铂、钯、它们的组合等的导电材料形成，并且可以通过诸如CVD、PVD、ALD、它们的组合等的沉积工艺来形成该接触件。接触件901可以形成为约10nm至100nm的厚度。
[0065] 然而，本领域普通技术人员应该意识到，上面描述的具有碳层205和内嵌栅电极609的晶体管仅仅是可以使用碳层205的晶体管的一种类型。例如，栅电极609可以不内嵌在介电层607中，但是相反，可以在将碳层205附接至第二衬底601之后并且在碳层205上方已经形成栅极介电层611之后，在碳层205上方形成该栅电极。在这种实施例中，可以可选地避免介电层607，并且碳层205可以直接附接至绝缘层605。
[0066] 此外，碳层205不仅限于置于半导体衬底上以及该碳层用作用于晶体管的沟道区。而且，碳层205可以被转移至任意合适的衬底并且可以以任意合适的方式来使用该碳层。例如，碳层205可以用作用于显示器的堆叠的部件。用于碳层205及其转移层的这种和任意其他合适的使用都旨在完全包括在本实施例的范围内。
[0067] 根据一个实施例，提供制造沟道材料的方法，该方法包括将第一金属层沉积在衬底上，该衬底包括碳。在衬底上外延生长硅化物，外延生长硅化物也在硅化物上方形成碳层。
[0068] 根据另一个实施例，提供制造半导体器件的方法，该方法包括在含碳衬底上方形成第一金属层。对第一金属层和含碳衬底进行退火以形成第一硅化物区和位于第一硅化物区上方的碳层，其中，对第一金属层和含碳衬底进行退火导致外延生长第一硅化物区。
[0069] 根据又一个实施例，提供制造半导体器件的方法，该方法包括提供包括碳的衬底，衬底具有第一晶格常数。沉积与衬底接触的第一金属层，以及在衬底上方形成碳层，形成碳层包括在衬底上方生长单晶硅化物，单晶硅化物具有与第一晶格常数相同的第二晶格常数。
[0070] 尽管已经详细地描述了本实施例及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明的主旨和范围的情况下，做各种不同的改变、替换和更改。例如，可以更改金属层的厚度以调整碳层，以及可以更改在上述实施例中所说明的工艺步骤的精确顺序，而仍然在本实施例的范围内。
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