二维材料结构的制造方法和二维材料器件的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种二维材料结构的制造方法和二维材料器件。所述二维材料结构的制造方法包括：在衬底上形成牺牲FIN结构；释放所述牺牲FIN结构；在释放所述FIN结构的位置处形成载体FIN结构；以及以所述载体FIN结构为基底，自限制地生长二维材料纳米结构。通过使用牺牲Fin结构来实现二维材料纳米结构的自限制生长，具有精度高、边缘粗糙度低、通量大、工艺偏差小等特点，同时与现有硅基CMOS大规模集成电路工艺高度兼容，适用于二维材料以及相关器件的大规模生产。
【专利说明】
二维材料结构的制造方法和二维材料器件
技术领域
[0001]本发明涉及半导体领域，具体地涉及一种二维材料结构的制造方法和二维材料器件，更具体地涉及一种可以控制形貌和尺寸的二维材料结构的制造方法和二维材料器件。
【背景技术】
[0002]以硅工艺为基础的集成电路沿摩尔定律经历了50多年的超高速发展，特征尺寸已经减小至目前的216/14纳米乃至更小。随着集成电路技术进入纳米尺度，工艺难度及工艺成本激增，关键技术正在逼近量子效应主导的物理极限，集成电路的可持续发展正面临前所未有的挑战。近年来不断涌现出新材料、新工艺和新器件，以克服目前纳米尺寸CMOS技术所遭遇的瓶颈。
[0003]二维材料是目前被寄予厚望的新型材料。例如石墨稀(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，具有非常优异和新颖的物理化学性质，在诸多领域均可广泛应用。在集成电路领域最值得关注的是把石墨烯作为沟道材料制作晶体管。由于石墨稀在室温下具有超尚的载流子迁移率，石墨稀晶体管$父之传统CMOS晶体管将具有更好的性能。然而由于石墨烯的价带刚好填满同时导带全空，也就是说石墨稀的费米(Fermi)面刚好处在导带和价带之间。由于导带底和价带顶刚好交于K点，Fermi面应穿过K点，因此可以认为石墨稀是一个零带隙的半导体，即石墨稀本身不具有能隙，因此石墨烯晶体管开关比很低，不能被用于逻辑电路等对器件有高开关比需求的应用中。面向逻辑电路应用的石墨烯场效应晶体管需要解决的首要问题是对带隙进行调控，否则高增益和低功耗的目标无从实现。
[0004]目前打开石墨烯能带的方法主要包括以下方法:I)石墨烯晶格改造;2)在双层石墨稀中施加垂直电场;3)利用应力引入带隙；4)将石墨稀制备为纳米带。其中将石墨稀制备为纳米来打开石墨烯能带是最为方便也是受到最多研究的一种方法。然而如何制备出可以打开足够能隙的石墨烯纳米带对目前的工艺手段提出了更高的要求。
[0005]为了利用当前的工艺手段制备出石墨烯纳米带，各个研究组都提出了一些有特色的办法，包括:电子束曝光技术、化学方法的可向异性刻蚀、声化学方法、碳纳米管裁剪法、碳化硅基外延、有机合成、金属模板直接生长等。但是这些方法中只有个别的方法可以提供大规模集成使用，但是却不能提供足够窄的纳米条带和足够平滑的边缘。上述方法都在不同程度上实现了带隙的调制，提高了增益，其不足在于均需要借助腐蚀工艺，会造成材料边缘不整齐乃至引入缺陷，降低材料迀移率。并且大部分方法都不属于原位的自限制生长，需要配合石墨烯的转移工艺来实现。因此，上述工艺稳定性较差，工艺偏差很难控制，无法供大规模集成使用。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种二维材料结构的制造方法和由此得到的二维材料器件，尤其是用于二维材料纳米器件。
[0007]根据本发明的一个方面，提出了一种二维材料结构的制造方法，包括:在衬底上形成牺牲FIN结构；用电介质覆盖所述牺牲FIN结构;释放所述牺牲FIN结构;在释放所述FIN结构的位置处形成载体FIN结构；以及以所述载体FIN结构为基底，自限制地生长二维材料结构。
[0008]优选地，所述二维材料可以是石墨烯，并且所述二维材料也可以是其他适用的二维材料，例如过渡金属硫化物(TMD)或黑磷(Blac k Phospuorus)等等二维材料。
[0009]优选地，释放所述牺牲FIN结构包括:对电介质层进行回蚀，直到露出所述牺牲FIN结构；以及以所述电介质层为掩模回蚀掉所述牺牲FIN结构。
[0010]优选地，在释放所述FIN结构的位置处形成载体FIN结构之后，所述方法还包括:对所述电介质层进行刻蚀以暴露出所述载体FIN结构的顶端、侧面或者两者。
[0011]优选地，所述方法还包括:以所述载体FIN结构为基底，在所暴露的载体FIN结构上自限制地生长二维材料纳米结构。
[0012]优选地，在以所述载体FIN结构为基底自限制地生长二维材料纳米结构之后还包括释放所述载体FIN结构以形成悬空的二维材料沟道。
[0013]优选地，所述二维材料结构是二维材料纳米结构。所述二维材料纳米结构可以是二维材料纳米带等等。
[0014]优选地，所述载体FIN结构的材料与所述二维材料晶格匹配。
[0015]根据本发明的另一个方面，还提出了一种二维材料器件，其中采用根据前述二维材料结构的制造方法来制备所述二维材料器件。
[0016]本发明针对现有二维材料纳米级结构的制备问题，提出了一种可控制二维材料生长形貌的方法，通过使用基底材料的高精度工艺实现载体材料的Fin结构，进而实现二维材料纳米结构的原位自限制生长，可以精确且廉价地控制二维材料纳米结构的尺寸和均一性，可以实现大规模生产和高密度集成。
【附图说明】
[0017]下面参考附图详细描述本发明的实施例，其中:
[0018]图1a示出了在衬底上形成牺牲FIN结构的示意图；
[0019]图1b示出了在牺牲FIN结构上填充电介质层的示意图；
[0020]图1c示出了回蚀电介质层以暴露牺牲FIN结构的示意图；
[0021 ]图1d示出了释放牺牲FIN结构之后的结构示意图；
[0022]图1e示出了在释放牺牲Fin结构之后留下的位置处外延生长出载体Fin结构的示意图；
[0023]图1f示出了以载体Fin结构为基底在载体FIN结构顶部自限制生长二维材料纳米结构的示意图；
[0024]图2&不出了另一种载体FIN结构的不意图；
[0025]图2b示出了载体Fin结构为基底在载体FIN结构顶部和侧面自限制地生长二维材料纳米结构的示意图；
[0026]图2c示出了载体Fin结构为基底只在载体FIN的侧面自限制生长二维材料纳米结构的不意图；以及
[0027]图3示出了根据本发明实施例的二维材料纳米结构的制造方法的流程图。
【具体实施方式】
[0028]现在对本发明的实施例提供详细参考，其范例在附图中说明，图中相同的数字全部代表相同的元件。为解释本发明下述实施例将参考附图被描述。
[0029]针对现有二维材料纳米级结构的制备问题，本发明提出了一种可控制形貌和尺寸的二维材料结构的制造方法，通过使用Fin结构来实现二维材料纳米结构的自限制生长。该方法精度高、边缘粗糙度低、可以做到纳米量级结构，同时具有通量大，工艺偏差小的特点，可以适应大规模生产。
[0030]下面以石墨烯二维材料为例来具体介绍根据本发明实施例的二维材料制造方法。应该理解的是所述二维材料可以是石墨烯，并且所述二维材料也可以是其他适用的二维材料，例如过渡金属硫化物(TMD)或黑磷(Black Phospuorus)等等二维材料。
[0031]图1a示出了在衬底上形成牺牲FIN结构的示意图。首先如图1a所示，在准备好的衬底100上形成衬底材料A的牺牲FIN结构101。
[0032]衬底材料A可以是S1、SiC等。由于衬底材料A是半导体领域的成熟材料，因此利用半导体材料制造的牺牲FIN结构101工艺成熟并且精度较高，生产成本较低。
[0033]接下来如图1b所示，填充介质层102以覆盖所形成的牺牲FIN结构101。图1b示出了在牺牲FIN结构上填充电介质层的示意图。填充电介质层102可以采用沉积或者ALD工艺，包括但不限于PECVD、LPCVD、ALD等)。具体地，电介质材料可以是但不局限于氧化硅、氮化硅、氣氧化娃、氧化招、氧化給等电介质材料。
[0034]然后对填充的电介质层102进行回蚀，直到露出牺牲FIN结构101的顶端为止，如图1c所示。图1c示出了回蚀电介质层以暴露牺牲FIN结构的示意图。回蚀的程度依赖于随后将要在所述载体FIN结构形成的二维材料的载体材料的大小。如图1c所示，回蚀之后剩余的电介质层表示为102’。具体地，回蚀可以采用干法刻蚀或者湿法刻蚀的形式。为了更好地控制刻蚀形貌，干法刻蚀是优选方案，并且干法刻蚀的典型方法为利用Ar气产生的等离子体对介质层进行轰击减薄。干法刻蚀的其他备选方案为ICP或者RIE刻蚀。图1d示出了释放牺牲FIN结构之后的结构示意图。如图1d所示，通过利用衬底材料的刻蚀剂刻蚀掉衬底材料的牺牲FIN结构101，从而释放掉所述牺牲FIN结构101，留下前述牺牲FIN结构101的形貌所限定的沟槽。
[0035]图1e示出了在释放牺牲Fin结构之后留下的位置处外延生长出载体Fin结构的示意图。如图1e所示，在牺牲Fin结构释放之后留下的位置处外延生长出载体材料B的Fin结构
103。载体材料B是二维材料纳米结构可以依附于其上继续生长的材料。具体地，载体材料B可以是锗、砸等半导体材料。之所以选用材料B作为载体，是因为载体材料B由于晶格匹配等原因，更有利于在其上直接制备出高质量的二维材料。其次，载体材料B相对硅材料价格昂贵，如果直接用常规的刻蚀工艺制造载体材料B的FIN结构，将会造成载体材料B的巨大浪费，从而增加生产成本。本发明的实施例通过利用价格低廉的硅材料精确地限定出FIN结构，然后释放所述FIN结构并且用载体材料B进行填充从而形成载体材料B的FIN结构，大大节省了载体材料B的消耗量;并且由于基底材料B的工艺成熟稳定，与现有的半导体技术工艺兼容，从而降低了工艺难度和工艺成本。
[0036]如上所述，本发明的实施例实际上利用基底材料A的光刻、刻蚀、填充等技术手段，得到了载体材料B的FIN结构。在得到了载体材料B的FIN结构之后，可以以所述载体材料B的FIN结构为基底，自组织地生长二维材料的纳米结构。例如，可以根据所需二维材料纳米结构的不同，控制Fin结构的形状来实现对二维材料纳米结构形貌的控制。
[0037]下面结合附图描述在上述载体材料B上外延生长得到的二维材料结构。图1f示出了以载体Fin结构为基底在载体FIN结构顶部自限制生长二维材料纳米结构的示意图。如图1f所示，示出了以载体材料B的载体Fin结构103为基底，自限制生长二维材料纳米结构104。如上所述，二维材料纳米结构的材料可以是石墨稀，也就是说以载体材料B的FIN结构1 3为基底，在所述载体FIN结构103上自限制地生长得到了石墨稀材料的二维材料纳米结构
104。由于可以通过基底材料A的光刻、刻蚀容易地形成不同形状和大小的基底材料的牺牲FIN结构，可以控制载体FIN结构的形状和大小，进而可以控制自限制生长的二维材料纳米结构的形状和大小。这里的自限制生长也可以理解为自组装生长，指的是需要生长的二维纳米结构材料只能以载体材料为基底进行生长，在不存在载体材料B的位置不会生长二维材料纳米结构。
[0038I图2a示出了另一种二维材料生长的示意图。如图2a所示，在图1d所示的工艺之后，在Fin释放后留下的位置处外延生长出载体材料B的Fin结构103，得到如图1e所示的FIN结构103。然后继续刻蚀电介质层，直到露出载体材料B的FIN结构103，剩余的电介质层表示为102’AIN结构103的露出程度(S卩，电介质层102的刻蚀程度)依赖于将要需要形成二维材料FIN结构的要求。
[0039]接下来，可以以载体材料B的Fin结构103为基底，通过控制载体材料B的不同晶向，从而可以在Fin结构103上上生长出两种不同形貌的二维材料覆盖层。图2b示出了载体Fin结构为基底在载体FIN结构顶部和侧面自限制地生长二维材料纳米结构的示意图。具体地，如图2b所示，以载体材料B的Fin结构103为基底，自限制生长包裹载体Fin结构103的二维材料层104。图2c示出了载体Fin结构为基底只在载体FIN的侧面自限制生长二维材料纳米结构的示意图。还可以如图2c所示，以载体材料B的载体Fin结构103为基底，仅在载体Fin结构103的侧面上自限制地生长二维材料层104。具体地，通过对FIN结构的不同晶向的选取，可以有选择性地控制只在FIN结构的侧面生长二维材料层，由此可以获得不同形貌的二维材料层104。利用这些不同形貌的二维材料层104可以制备器件。
[0040]可以通过上述的二维材料层104直接制备器件。
[0041]另外，也可以在形成二维材料层104之后释放上述载体材料B的FIN结构103，形成悬空的二维材料沟道，然后制备包括上述悬空的二维材料沟道的半导体器件。
[0042]此外，还可以在上述二维材料层104上继续制备电介质层、沉积金属并且释放所述载体材料B的载体FIN结构103，形成悬空的二维材料沟道，然后制备包括上述悬空的二维材料沟道的半导体器件。
[0043]Fin结构载体材料层不限于某种特定材料，可以是任何能够外延生长二维材料纳米结构的半导体材料。
[0044]介质层可以为任何介质，不局限于氧化硅、氮化硅等。
[0045]二维材料的生长方式可以是各种方法(常压、高压、低压、等离子体增强等)。
[0046]图3示出了根据本发明实施例的二维材料纳米结构的制造方法的流程图。如图3所示，所述方法包括:在衬底上形成牺牲FIN结构(S301);用电介质覆盖所述牺牲FIN结构(S302);释放所述牺牲FIN结构(S303);在释放所述FIN结构的位置处生长载体FIN结构(S304);以及以所述载体FIN结构为基底，自限制地生长二维材料纳米结构(S305)。通过使用牺牲Fin结构来实现二维材料纳米结构的自限制生长，具有精度高、边缘粗糙度低、通量大、工艺偏差小等特点，适用于二维材料的大规模生产。
[0047]所述二维材料可以是石墨烯，并且所述二维材料也可以是其他适用的二维材料，例如过渡金属硫化物(TMD)或黑磷(Black Phospuorus)等等二维材料。
[0048]其中释放牺牲FIN结构包括:对电介质层进行回蚀，直到露出所述牺牲FIN结构；以及以所述电介质层为掩模回蚀掉所述牺牲FIN结构。
[0049]其中，在所述在释放所述FIN结构的位置处生长载体FIN结构之后，所述方法还包括:对所述电介质层进行刻蚀以暴露出所述载体FIN结构的顶端、侧面或者两者。
[0050]其中以所述载体FIN结构为基底，在上述暴露的载体FIN结构上自限制地生长二维材料纳米结构。
[0051]在以所述载体FIN结构为基底自限制地生长二维材料纳米结构之后还包括释放所述载体FIN结构以形成悬空的二维材料沟道。
[0052]根据本发明的另一个方面，还提出了一种二维材料器件，其中采用根据前述二维材料制造方法来制备所述二维材料器件。
[0053]本发明针对现有二维材料纳米级结构的制备问题，提出了一种可控制二维材料生长形貌的方法，通过使用基底材料的高精度工艺实现载体材料的Fin结构，进而实现二维材料纳米结构的自限制生长，可以精确且廉价地控制二维材料纳米结构的尺寸和均一性，可以实现大规模生产和高密度集成。
[0054]该方法主要具有如下优点:能实现二维材料纳米结构的自限制生长，能通过半导体器件制造领域的成熟精确工艺有效地控制二维材料的形貌和尺度，边缘粗糙度低;避免了对二维材料的转移及刻蚀等后续加工工艺，能有效提升二维材料表面洁净度，减小表面态，并且可以实现二维材料器件的原位制备;与现有大规模集成电路制造工艺兼容，适用于工业化大生产;本发明方法精度高并且工艺偏差小。
[0055]尽管已经参考本发明的典型实施例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改变。
【主权项】
1.一种二维材料结构的制造方法，包括: 在衬底上形成牺牲FIN结构； 用电介质覆盖所述牺牲FIN结构； 释放所述牺牲FIN结构； 在释放所述FIN结构的位置处形成载体FIN结构；以及 以所述载体FIN结构为基底，自限制地生长二维材料结构。2.根据权利要求1所述的二维材料结构的制造方法，其中所述二维材料是石墨烯、过渡金属硫化物(TMD)或黑磷。3.根据权利要求1所述的二维材料结构的制造方法，其中释放所述牺牲FIN结构包括: 对电介质层进行回蚀，直到露出所述牺牲FIN结构；以及 以所述电介质层为掩模回蚀掉所述牺牲FIN结构。4.根据权利要求3所述的二维材料结构的制造方法，其中所述回蚀是干法刻蚀或湿法刻蚀。5.根据权利要求1所述的二维材料结构的制造方法，在释放所述FIN结构的位置处形成载体FIN结构之后还包括:对所述电介质层进行刻蚀以暴露出所述载体FIN结构的顶端、侧面或者两者。6.根据权利要求5所述的二维材料结构的制造方法，其中以所述载体FIN结构为基底，在所暴露的载体FIN结构上自限制地生长二维材料结构。7.根据权利要求1所述的二维材料结构的制造方法，在以所述载体FIN结构为基底自限制地生长二维材料结构之后还包括释放所述载体FIN结构以形成悬空的二维材料沟道。8.根据权利要求1至7中任一项所述的二维材料结构的制造方法，其中所述二维材料结构是二维材料纳米结构。9.根据权利要求1至8中任一项所述的二维材料结构的制造方法，其中所述载体FIN结构的材料与所述二维材料晶格匹配。10.—种二维材料器件，其中采用根据前述权利要求1至9中任一项所述的二维材料结构的制造方法来制备所述二维材料器件。
【文档编号】H01L29/78GK105895530SQ201610140337
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月11日
【发明人】粟雅娟, 贾昆鹏, 赵超, 战俊, 曹合适
【申请人】中国科学院微电子研究所