插入絕緣層的方法及制造半導(dǎo)體器件的方法
【專利摘要】一種插入絕緣層的方法包括：在金屬層上生長石墨烯層；通過在第一壓力和第一溫度下加熱第一材料而在金屬層和石墨烯層之間插入第一材料；以及通過在不同于第一壓力的第二壓力和不同于第一溫度的第二溫度下加熱第二材料而在金屬層和石墨烯層之間插入第二材料。因此，第一材料和第二材料彼此化學(xué)地鍵合以形成絕緣層，該絕緣層可以在金屬層和石墨烯層之間。
【專利說明】
插入絕緣層的方法及制造半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 示例實(shí)施方式涉及在金屬和石墨烯層之間插入絕緣層的方法，更具體地，涉及在 金屬和直接生長在金屬上的石墨烯層之間插入絕緣層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯是具有由碳原子制成的單原子厚度的二維(2D)平面片的材料。由于石墨烯 具有穩(wěn)定且所期望的電學(xué)/機(jī)械/化學(xué)性能并具有所期望的導(dǎo)電率，所以石墨烯已經(jīng)作為下 一代材料受到關(guān)注。具體地，已經(jīng)進(jìn)行了通過使用石墨烯代替硅半導(dǎo)體制造電子器件的方 法的研究。例如，已經(jīng)發(fā)展了通過結(jié)合石墨烯與另一種2D材料或結(jié)合石墨烯與典型半導(dǎo)體 材料來將石墨烯用作溝道層的晶體管。
[0003] 通常，石墨烯可以通過使用化學(xué)氣相沉積法（CVD)直接生長在金屬的表面上。因 此，為了在半導(dǎo)體器件或顯示裝置中使用石墨烯，將生長在金屬襯底上的石墨烯轉(zhuǎn)移到另 一材料例如非導(dǎo)體的表面上會是必要的。轉(zhuǎn)移石墨烯的一般方法的示例包括在金屬襯底被 溶解在液體溶劑中之后將剩余的石墨烯移動到另一材料的表面的方法以及通過使用具有 粘著力的貼片(stamp)從金屬襯底分離石墨稀并將附著于該貼片的石墨稀貼附到另一材料 的表面的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 示例實(shí)施方式提供了在金屬和直接生長在該金屬上的石墨烯層之間插入絕緣層 的方法。
[0005] 示例實(shí)施方式提供了通過使用該插入法制造半導(dǎo)體器件的方法。
[0006] 附加的方面將在隨后的描述中部分地闡述，并且部分地由該描述而明顯，或可以 通過實(shí)踐示例實(shí)施方式而習(xí)之。
[0007] 根據(jù)示例實(shí)施方式，一種插入絕緣層的方法包括:在金屬層上生長石墨烯層;在石 墨烯層的表面上沉積第一材料;通過在第一壓力和第一溫度下加熱第一材料而在石墨烯層 和金屬層之間插入第一材料;在石墨烯層的表面上方沉積第二材料;和通過在不同于第一 壓力的第二壓力和不同于第一溫度的第二溫度下加熱第二材料而在石墨烯層和金屬層之 間插入第二材料，從而在金屬層和石墨烯層之間形成第一絕緣層，第一材料和第二材料彼 此化學(xué)地鍵合。
[0008] 第一材料可以包括硅(Si)、鋁(Al)、鉿(Hf)、鋯(Zr)和鑭(La)中至少一個。
[0009] 第二材料可以包括氧(0)和氮(N)中至少一個，第一絕緣層可以包括氧化物絕緣體 和氮化物絕緣體之一。
[0010] 絕緣層可以包括氧化物絕緣體晶體和氮化物絕緣體晶體之一。
[0011]第一壓力可以低于第二壓力，第一溫度可以高于第二溫度。
[0012] 第一壓力可以等于或低于HT9托，第一溫度可以在大約500°C至大約550°C的范圍， 第二壓力可以在2 X HT7托至8 X HT7托的范圍，第二溫度可以在大約340°C至大約400°C的 范圍。
[0013] 插入第一材料和插入第二材料可以被順序且重復(fù)地執(zhí)行。
[0014] 在連續(xù)且重復(fù)地插入第一材料至少兩次之后，插入第二材料可以被連續(xù)且重復(fù)地 執(zhí)行至少兩次。
[0015] 在插入第一材料之后，所述方法可以還包括:在石墨烯層的表面上沉積第三材料， 該第三材料不同于第一材料和第二材料;在沉積第二材料之前，通過在第一壓力和第一溫 度下加熱第三材料而在石墨烯層和金屬層之間插入第三材料；以及在插入第二材料之后， 在金屬層和石墨烯層之間形成第二絕緣層，第三材料和第二材料彼此化學(xué)地鍵合。
[0016] 第三材料可以包括3丨、六1、!^、24卩1^中至少一個。
[0017]在插入第二材料之后，所述方法可以還包括:在石墨烯層的表面上沉積第三材料， 該第三材料不同于第一材料和第二材料；以及通過在第一壓力和第一溫度下加熱第三材料 而在石墨烯層和金屬層之間插入第三材料，從而在金屬層和石墨烯層之間形成第二絕緣 層，第三材料和第二材料彼此化學(xué)地鍵合。
[0018] 所述方法可以還包括在生長石墨烯層之后圖案化石墨烯層。
[0019] 例如，金屬層可以包括以下之中的至少一個:銅(Cu)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈷(Co)、釕 (Ru)、鋁(Al)、鐵(Fe)、金(Au)、鎂(Mg)、鉻(Cr)、錳(Mn)、銠(Rh)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、銥（Ir)、鈾 (U)、釩(V)和鎢(W)。
[0020] 根據(jù)示例實(shí)施方式，一種制造晶體管的方法包括:在金屬層上生長石墨烯層；圖案 化石墨烯層;在石墨烯層的表面上沉積第一材料;通過在第一壓力和第一溫度下加熱第一 材料而在石墨烯層和金屬層之間插入第一材料;在石墨烯層的表面上方沉積第二材料;通 過在不同于第一壓力的第二壓力和不同于第一溫度的第二溫度下加熱第二材料而在石墨 烯層和金屬層之間插入第二材料，從而在金屬層和石墨烯層之間形成絕緣層，第一材料和 第二材料彼此化學(xué)地鍵合；以及形成接觸石墨烯層的一側(cè)的第一電極和接觸石墨烯層的另 一側(cè)的第二電極。
[0021 ]根據(jù)示例實(shí)施方式，一種層疊結(jié)構(gòu)包括:在金屬層上的晶體絕緣層，所述晶體絕緣 層包括第一材料和不同于第一材料的第二材料，第一材料和第二材料彼此化學(xué)地鍵合，第 二材料包括氧(〇)和氮(N)中至少一個;和在絕緣層上的石墨烯層。
[0022]所述層疊結(jié)構(gòu)可以還包括在金屬層和晶體絕緣層之間的化合物層，該化合物層包 括第一材料與金屬層的金屬的反應(yīng)產(chǎn)物。
[0023] 第一材料可以包括硅(Si)、鋁(Al)、鉿(Hf)、鋯(Zr)和鑭(La)中至少一個。
[0024] 金屬層可以包括以下之中的至少一個:銅(Cu)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈷(Co)、釕(Ru)、 鋁(Al)、鐵(Fe)、金(Au)、鎂(Mg)、鉻(Cr)、錳(Mn)、銠(Rh)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、銥（Ir)、鈾(U)、 釩(V)和鎢(W)。
【附圖說明】
[0025] 通過下文結(jié)合附圖對示例實(shí)施方式的描述，這些和/或其他方面將變得明顯且更 易于理解，附圖中：
[0026] 圖IA至IF是用于解釋根據(jù)示例實(shí)施方式的在金屬襯底和石墨烯層之間插入絕緣 層的工藝的截面圖；
[0027]圖2A和2B是用于解釋在絕緣層插入金屬襯底和石墨烯層之間之后在石墨烯層上 另外形成絕緣層的工藝的截面圖；
[0028]圖3A至3C是用于解釋根據(jù)示例實(shí)施方式的在金屬襯底和石墨烯層之間另外插入 絕緣層的工藝的截面圖；
[0029]圖4A至4C是用于解釋根據(jù)示例實(shí)施方式的在金屬襯底和石墨烯層之間插入絕緣 層的工藝的截面圖；
[0030] 圖5A至5C是用于解釋根據(jù)示例實(shí)施方式的在金屬襯底和石墨烯層之間進(jìn)一步插 入額外的絕緣層的工藝的截面圖；
[0031] 圖6A至6C是用于解釋根據(jù)示例實(shí)施方式的在金屬襯底和石墨烯層之間進(jìn)一步插 入額外的絕緣層的工藝的截面圖；和
[0032] 圖7是示出通過利用層疊結(jié)構(gòu)制造的晶體管的結(jié)構(gòu)的截面圖，該層疊結(jié)構(gòu)通過使 用圖IA至IF的方法形成。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 現(xiàn)在將參考附圖更充分地描述示例實(shí)施方式，在附圖中示出發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施 方式。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記指示相同的元件，為了清楚，部件的尺寸可以被夸大。發(fā)明 構(gòu)思可具有不同的形式而不應(yīng)該理解為限于在此闡述的示例實(shí)施方式。例如，將理解的是， 當(dāng)層被稱為在另一層"上"時(shí)，它可以直接在另一層上，或者也可以在其間存在中間層。如這 里所用，術(shù)語"和/或"包括相關(guān)列舉項(xiàng)目的一種或多種的任意和所有組合。當(dāng)諸如的至 少一個"的表述在一串元件之后時(shí)，修飾整個串的元件而不修飾該串元件中的單個元件。 [0034]應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)元件或?qū)颖环Q為在另一元件或?qū)?上"、"連接到"或"聯(lián)接到"另 一元件或?qū)訒r(shí)，它可以直接在另一個元件或?qū)由?，直接連接或聯(lián)接到另一元件或?qū)?，或者?以存在中間元件或?qū)?。相反，?dāng)元件被稱為"直接在"另一元件或?qū)?上"，"直接連接到"或 "直接聯(lián)接到"另一元件或?qū)訒r(shí)，不存在中間元件或?qū)?。相同的參考?shù)字通篇指代相同的元 件。如這里所用，術(shù)語"和/或"包括相關(guān)列舉項(xiàng)目的一種或多種的任意和所有組合。
[0035]可以理解雖然術(shù)語第一、第二、第三、第四等可以用于此來描述各種元件、部件、區(qū) 域、層和/或部分，這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分應(yīng)不受這些術(shù)語限制。這些術(shù)語只用 于區(qū)分一個元件、部件、區(qū)域、層或部分與其他區(qū)域、層或部分。因此，以下討論的第一元件、 部件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分，而不背離本發(fā)明構(gòu)思的 教導(dǎo)。
[0036] 在這里為了描述的方便，可以使用空間相對術(shù)語，諸如"下面"、"下方"、"下"、"上 方"、"上"等，來描述一個元件或特征和其他元件或特征如圖中所示的關(guān)系。可以理解空間 相對術(shù)語旨在包含除了在圖中所繪的方向之外的裝置在使用或操作中的不同方向。例如， 如果在圖中的裝置被翻轉(zhuǎn)，被描述為在其他元件或特征的"下方"或"下面"的元件則應(yīng)取向 在所述其他元件或特征的"上方"。因此，示范性術(shù)語"下方"可以包含下方和上方兩個方向。 裝置也可以有其它取向（旋轉(zhuǎn)90度或其它取向）且相應(yīng)地解釋這里所使用的空間相對描述 語。
[0037] 這里所使用的術(shù)語是只為了描述特定的示例實(shí)施方式的目的且不旨在限制本發(fā) 明。如這里所用，單數(shù)形式"一"和"該"也旨在包括復(fù)數(shù)形式，除非內(nèi)容清楚地指示另外的意 思?？梢赃M(jìn)一步理解當(dāng)在此說明書中使用時(shí)術(shù)語"包括"和/或"包含"說明所述特征、整體、 步驟、操作、元件和/或組分的存在，但是不排除存在或添加一個或更多其他特征、整體、步 驟、操作、元件、組分和/或其組。
[0038] 參考橫截面圖示在這里描述了示例實(shí)施方式，該圖示是本發(fā)明的理想示例實(shí)施方 式(和中間結(jié)構(gòu)）的示意圖。因此，可以預(yù)期由于例如制造技術(shù)和/或公差引起的圖示的形狀 的變化。因此，示例實(shí)施方式不應(yīng)解釋為限于這里所示的特定的區(qū)域形狀，而是包括例如由 制造引起的形狀的偏離。例如，被示為矩形的注入?yún)^(qū)在其邊緣將通常具有修圓或彎曲的特 征和/或具有注入濃度的梯度而不是從注入?yún)^(qū)到非注入?yún)^(qū)的二元變化。相似地，由注入形成 的埋入?yún)^(qū)可以引起在埋入?yún)^(qū)和通過其進(jìn)行注入的表面之間的區(qū)域中的某些注入。因此，圖 中示出的區(qū)域本質(zhì)上是示意性的且它們的形狀不旨在示出器件的區(qū)域的真實(shí)形狀且不旨 在限制本發(fā)明構(gòu)思的范圍。
[0039] 除非另有界定，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有本發(fā)明構(gòu)思 所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員共同理解的相同的意思。還可以理解諸如那些在通用字典中定義 的術(shù)語應(yīng)解釋為一種與在相關(guān)技術(shù)的背景中的它們的涵義一致的涵義，而不應(yīng)解釋為理想 化或過度形式化的意義，除非在這里明確地如此界定。
[0040] 如上所述，石墨烯層可以通過使用化學(xué)氣相沉積法(CVD)生長在金屬襯底的表面 上。在生長的石墨烯層中的碳原子強(qiáng)有力地SP 2鍵合到彼此，然而石墨烯層和金屬襯底僅通 過范德華力相對弱地鍵合到彼此。因此，能夠在適當(dāng)?shù)臈l件下在石墨烯層和金屬襯底之間 插入材料。在石墨烯層和金屬襯底之間另外插入另一材料的方法被稱為插入法?，F(xiàn)在，已經(jīng) 報(bào)道了在各種材料上執(zhí)行的插入法。然而，插入法被大量使用以減小金屬襯底對石墨烯層 的影響并使石墨烯層能表現(xiàn)得像獨(dú)立層一樣。
[0041] 圖IA至IF是用于解釋根據(jù)示例實(shí)施方式的通過使用插入法在金屬襯底100和石墨 烯層101之間插入絕緣層的工藝的截面圖。
[0042] 參考圖1A，石墨烯層101生長在金屬襯底100上。如上所述，石墨烯層101可以通過 使用CVD生長。金屬襯底100可包括以下當(dāng)中的至少一種金屬：例如，銅（Cu)、鎳(Ni)、鉑 (Pt)、鈷(Co)、釕(Ru)、鋁(Al)、鐵(Fe)、金(Au)、鎂(Mg)、鉻(Cr)、錳(Mn)、銠(Rh)、鉭(Ta)Ji; (Ti)、銥（Ir)、鈾(U)、釩(V)和鎢(W)或其合金。此外，為了更容易地生長具有六方結(jié)構(gòu)的石 墨烯層101，金屬襯底100可具有例如（111)或(0001)晶向。
[0043] 參考圖1B，形成在金屬襯底100上的石墨烯層101可以被圖案化成具有期望的形 狀。例如，石墨烯層101可以被蝕刻成具有適合于將要制造的器件的形狀。然而，圖案化石墨 烯層101不是必需的，可以根據(jù)需要被省略。替換地，石墨烯層101被圖案化的順序可以改 變。例如，完成了圖IF的工藝，然后可以圖案化石墨稀層101。
[0044] 參考圖1C，第一材料102可以均勻地沉積在金屬襯底100和石墨烯層101的表面上。 第一材料102,即用于形成絕緣層的材料，可以是以下當(dāng)中的至少一個：例如，硅（Si)、鋁 (Al )、鉿(Hf )、鋯(Zr)和鑭(La)。第一材料102可以通過使用CVD或物理氣相沉積(PVD)而沉 積成大約一個原子層厚度。在此情況下，為了防止或阻止第一材料102化學(xué)地鍵合到另一元 素，第一材料102可以在具有等于或低于KT 9托(Torr)壓力的超高真空(UHV)條件下被沉積。 在沉積第一材料102之后，第一材料102可以在UHV環(huán)境中在從大約500°C到大約550°C范圍 的溫度下被加熱。
[0045]由于金屬襯底100和石墨稀層101之間的范德華力在大約30meV至大約50meV范圍 并且在室溫下的熱能為大約26meV，所以當(dāng)?shù)谝徊牧?02在上述溫度條件下被加熱時(shí)，可以 更容易地進(jìn)行插入。插入可以進(jìn)行為使得第一材料102從石墨烯層101的邊緣部分穿過金屬 襯底100和石墨烯層101之間。當(dāng)經(jīng)過足夠長的時(shí)間時(shí)，第一材料102可穿透到石墨烯層101 的中心部。雖然結(jié)果可根據(jù)石墨烯層101的寬度而改變，但是如果第一材料102被加熱例如 大約10分鐘，則第一材料102可穿透到石墨烯層101的中心部。因此，如圖ID所示，第一材料 102可以設(shè)置在金屬襯底100和石墨烯層101之間。
[0046] 參考圖1E，第二材料105可以沉積在石墨烯層101的表面上方。第二材料105,即用 于通過化學(xué)地鍵合到第一材料102而形成絕緣層的材料，可包括例如氧(0)和氮(N)中的至 少一個。雖然圖IE中示出了處于氣態(tài)的氧分子(O 2)，但是可以設(shè)置氮分子(N2)。
[0047] 第二材料105可以通過在溫度低于圖IC中的溫度且壓力高于圖IC中的壓力的環(huán)境 中加熱第二材料105而被插入金屬襯底100和石墨稀層101之間。當(dāng)在比第一材料102被插入 時(shí)的溫度高的溫度下進(jìn)行加熱時(shí)，插入的第一材料102可以被去除或者石墨烯層101可以被 蝕刻。因此，在第一材料102和第二材料105之中在較高溫度下進(jìn)行插入的材料可以被首先 插入，在較低溫度下進(jìn)行插入的另一材料可以被隨后插入。例如，第二材料105可以在大約 340°C至大約400°C范圍的溫度、在大約2X HT7托至大約8X HT7托范圍的真空條件下被加 熱大約10分鐘。
[0048] 通常，第一材料102和第二材料105化學(xué)地鍵合到彼此時(shí)的能量低于第一材料102 和第二材料105沒有化學(xué)地鍵合到彼此并獨(dú)立地存在于金屬襯底100和石墨烯層101之間時(shí) 的能量。因此，當(dāng)?shù)诙牧?05插入金屬襯底100和石墨烯層101之間時(shí)，第一材料102和第二 材料105可以自然地彼此化學(xué)鍵合。例如，當(dāng)假定第一材料102是Si，第二材料105是0,金屬 襯底100是具有（111)晶向的Pt時(shí)，一個Si原子和一個0原子在金屬襯底100和石墨烯層101 之間鍵合到彼此時(shí)的能量比Si和0分子獨(dú)立存在時(shí)的能量低大約1.27eV。同樣，一個Si原子 和兩個0原子鍵合到彼此時(shí)的能量比Si和0分子獨(dú)立存在時(shí)的能量低大約1.73eV。
[0049] 然后，參考圖IF，隨著第一材料102和第二材料105化學(xué)地鍵合到彼此，絕緣層103 可以形成在金屬襯底100和石墨烯層101之間。例如，當(dāng)?shù)谝徊牧?02是Si且第二材料105是0 時(shí)，絕緣層103可以由SiO 2形成。同樣，當(dāng)?shù)谝徊牧?02是Si且第二材料105是N時(shí)，絕緣層103 可以由SiNx成。即，絕緣層103可包括氧化物絕緣體或氮化物絕緣體?？梢孕纬蓪盈B結(jié)構(gòu)150 即金屬/絕緣層/石墨烯層疊結(jié)構(gòu)。
[0050] 當(dāng)?shù)谝徊牧?02插入金屬襯底100和石墨烯層101之間時(shí)，第一材料102與金屬襯底 100的表面可彼此反應(yīng)。結(jié)果，由于第一材料102和金屬襯底100彼此反應(yīng)而獲得的第一材 料-金屬化合物層IOla可以形成在金屬襯底100的表面上。例如，當(dāng)?shù)谝徊牧?02是Si時(shí)，第 一材料-金屬化合物層IOla可以由硅化物形成。同樣，通過插入第二材料105形成的絕緣層 103可以是晶體。即，絕緣層103可包括氧化物絕緣體晶體或氮化物絕緣體晶體。因此，通過 使用示例實(shí)施方式的方法形成的層疊結(jié)構(gòu)150,即金屬/絕緣層/石墨烯層疊結(jié)構(gòu)，與通過使 用轉(zhuǎn)移法形成的現(xiàn)有層疊結(jié)構(gòu)的不用之處可以在于:層疊結(jié)構(gòu)150包括第一材料-金屬化合 物層10 Ia并且絕緣層103是晶體。
[0051 ]根據(jù)示例實(shí)施方式，在石墨稀層101生長在金屬襯底100上之后，石墨稀層101不需 要與金屬襯底100分開。因此，可以防止或阻止在石墨烯層101與金屬襯底100分開并轉(zhuǎn)移到 另一材料的表面時(shí)會發(fā)生的對石墨烯層101的損壞或雜質(zhì)的滲入。因此，當(dāng)半導(dǎo)體器件或顯 示裝置通過使用石墨烯層101制造時(shí)，制造工藝可以簡化并且產(chǎn)量可增大。此外，由于可保 持石墨烯層101的電性能，所以最終制造的半導(dǎo)體器件或顯示裝置的性能可提高。
[0052]圖2A和2B是用于解釋在絕緣層103插入金屬襯底100和石墨烯層101之間之后在石 墨烯層101上另外形成絕緣層104的工藝的截面圖。
[0053]參考圖2A，在通過化學(xué)鍵合第一材料102到第二材料105形成絕緣層103之后，第一 材料102的沒有插入金屬襯底100和石墨烯層101之間的部分可部分地保留在石墨烯層101 上。第一材料102的部分地保留在石墨烯層101上的部分可在第二材料105被插入時(shí)化學(xué)地 鍵合到第二材料105。因此，當(dāng)絕緣層103形成在金屬襯底100和石墨烯層101之間時(shí)，額外的 絕緣層104'可局部地形成在石墨烯層101的表面上。雖然局部地形成在石墨烯層101的表面 上的額外的絕緣層104'可以被去除，但是絕緣層104'可用作保護(hù)石墨烯層101的保護(hù)層。 [0054]為此，第一材料102可以通過使用CVD或PVD進(jìn)一步沉積在石墨烯層101的表面的其 上沒有形成額外的絕緣層104'的部分上。不需要插入，在石墨烯層101上的第一材料102可 以化學(xué)地鍵合到第二材料105。即，可以省略在圖IC和IE的UHV條件下的加熱工藝，并且在石 墨烯層101上的第一材料102可以暴露于第二材料105的氣氛。因此，如圖2B所示，絕緣層104 可以進(jìn)一步形成在石墨烯層101上。形成在石墨烯層101上的絕緣層104可防止或阻止當(dāng)金 屬襯底100在溶劑中被溶解和去除以及形成絕緣層/石墨烯/絕緣層結(jié)構(gòu)時(shí)石墨烯層101被 污染和損壞。
[0055]圖3A至3C是用于解釋根據(jù)示例實(shí)施方式的在金屬襯底100和石墨稀層101之間另 外插入絕緣層103的工藝的截面圖。通過使用圖IA至IF的工藝形成的絕緣層103可以是一個 原子層厚度(例如，幾 A)。為了進(jìn)一步增大絕緣層1〇3的厚度，可以重復(fù)進(jìn)行圖IE至IF的插 入法。
[0056] 例如，在完成圖IF的工藝之后，如圖3A所示，第一材料102可以通過使用PVD或CVD 進(jìn)一步設(shè)置在絕緣層103和石墨烯層101的表面上。如上所述，第一材料102可以是例如Si、 Al、Hf、Zr和La當(dāng)中的至少一個。第一材料102可以沉積為大約一個原子層厚度。當(dāng)?shù)谝徊牧?102在大約500 °C至大約550 °C范圍的溫度下在具有等于或低于KT9托壓力的UHV環(huán)境中被加 熱時(shí)，第一材料102可以插入在絕緣層103和石墨烯層101之間。
[0057] 如圖3B所示，第二材料105可以設(shè)置在石墨烯層101上方，并可以在大約340 °C至大 約400°C范圍的溫度、在大約2X HT7托至大約8X HT7托范圍的真空條件下被加熱。如上所 述，第二材料105可包括0和N中的至少一個。
[0058]因此，隨著第二材料105插入在絕緣層103和石墨烯層101之間，第一材料102和第 二材料105彼此化學(xué)鍵合。結(jié)果，如圖3C所示，絕緣層103可以另外形成在金屬襯底100和石 墨烯層101之間。絕緣層103可以是大約兩個原子層厚度。當(dāng)順序且重復(fù)地進(jìn)行圖3A至3C的 工藝時(shí)，可以連續(xù)地增大在金屬襯底100和石墨烯層101之間形成的絕緣層103的厚度。 [0059]圖4A至4C是用于解釋根據(jù)示例實(shí)施方式的在金屬襯底100和石墨烯層101之間插 入絕緣層103的工藝的截面圖。在圖3A至3C中，為了增大絕緣層103的厚度，插入第一材料 102的工藝和插入第二材料105的工藝一個接一個地交替進(jìn)行。然而，可以通過插入第一材 料102至少兩次然后插入第二材料105至少兩次而形成具有增大的厚度的絕緣層103。
[0060]如圖4A所示，第一材料102通過使用PVD或CVD沉積在石墨烯層101的表面上大約一 個原子層厚度。通過在大約500°C至大約550°C范圍的溫度下在具有等于或低于HT9托壓力 的UHV環(huán)境中加熱第一材料102,第一材料102插入在金屬襯底100和石墨烯層101之間。第一 材料102通過使用PVD或CVD再次沉積在石墨烯層101的表面上大約一個原子層厚度，沉積在 石墨烯層101上的第一材料102在大約500°C至大約550°C范圍的溫度下在具有等于或低于 10- 9托壓力的UHV環(huán)境中被加熱。因此，沉積在石墨烯層101上的第一材料102可以另外插入 在金屬襯底100和石墨烯層101之間。結(jié)果，第一材料102可以布置為在金屬襯底100和石墨 烯層101之間的兩個原子層。
[0061]參考圖4Β，第二材料105可以沉積在石墨烯層101上方，第二材料105可以在大約 340°C至大約400°C范圍的溫度、在大約2Χ HT7托至大約8Χ HT7托范圍的真空條件下被加 熱。因此，由于第二材料105可插入在絕緣層103和石墨烯層101之間，第一材料102和第二材 料105可彼此化學(xué)鍵合。插入第二材料105的兩個工藝可執(zhí)行為一個連續(xù)工藝。例如，在圖3B 中第二材料105可被加熱大約10分鐘，而在圖4B中第二材料105可被加熱大約20分鐘。
[0062]結(jié)果，如圖4C所示，大約兩個原子層厚度的絕緣層103可形成在金屬襯底100和石 墨烯層101之間。雖然在圖4A至4C中第一材料102和第二材料105每個被插入兩次，但示例實(shí) 施方式不限于此。例如，可通過插入第一材料102三次然后插入第二材料105三次而形成大 約三個原子層厚度的絕緣層103。
[0063]圖5A至5C是用于解釋根據(jù)示例實(shí)施方式的在金屬襯底100和石墨烯層101之間進(jìn) 一步插入額外的絕緣層107的工藝的截面圖。雖然在上述示例實(shí)施方式中具有單組分的絕 緣層103形成在金屬襯底100和石墨烯層101之間，但可形成具有不同成分或組分的多個絕 緣層例如絕緣層103和額外的絕緣層107，如圖5A至5C所示。
[0064]例如，在完成圖IF的工藝之后，第三材料106可進(jìn)一步沉積在絕緣層103和石墨烯 層101的表面上，如圖5A所示。第三材料106可以是例如Si、Al、Hf、Zr和La當(dāng)中的至少一個， 并可不同于第一材料102。例如，Si可被選擇為第一材料102，A1可被選擇為第三材料106。第 三材料106可以通過使用CVD或PVD沉積成大約一個原子層厚度。當(dāng)?shù)谌牧?06在大約500 °C至大約550°C范圍的溫度下在具有等于或低于HT 9托壓力的UHV環(huán)境中被加熱時(shí)，第三材 料106可插入在絕緣層103和石墨烯層101之間。然而，在上述溫度范圍內(nèi)，第三材料106的加 熱溫度可低于第一材料102的加熱溫度。
[0065]如圖5B所示，第二材料105可以沉積在石墨烯層101上方，并可以在大約340 °C至大 約400°C范圍的溫度、在大約2X HT7托至大約8X HT7托范圍的真空狀態(tài)下被加熱。如上所 述，第二材料105可包括0和N中的至少一個。
[0066]因此，由于第二材料105可插入在絕緣層103和石墨烯層101之間，第三材料106和 第二材料105可彼此化學(xué)鍵合。結(jié)果，如圖5C所示，由第三材料106形成的額外的絕緣層107 可形成在石墨烯層101和由第一材料102形成的絕緣層103之間。額外的絕緣層107可以是大 約一個原子層厚度。例如，當(dāng)Si被選為第一材料102且Al被選為第三材料106時(shí)，絕緣層103 即下部絕緣層可以由SiO 2形成且額外的絕緣層107即上部絕緣層可以由Al2O3形成。同樣，在 圖IE中0可以被選為第二材料105,而在圖5B中N可以被選為第二材料105。在此情況下，當(dāng)?shù)?一材料102是Si且第三材料106是Al時(shí)，絕緣層103即下部絕緣層可以由SiO 2形成且額外的 絕緣層107即上部絕緣層可以由AlN形成。當(dāng)圖5A至5C的工藝被順序地重復(fù)執(zhí)行時(shí)，兩個不 同的絕緣層，即，絕緣層103和額外的絕緣層107,可以交替地形成在金屬襯底100和石墨烯 層101之間。
[0067] 圖6A至6C是用于解釋根據(jù)示例實(shí)施方式的在金屬襯底100和石墨烯層101之間進(jìn) 一步插入額外的絕緣層107的工藝的截面圖。絕緣層103即下部絕緣層被完全形成，然后額 外的絕緣層107即上部絕緣層被形成，如參考圖5A至5C所描述的。然而，兩個絕緣層，即，絕 緣層103和額外的絕緣層107,可以通過順序插入第一材料102和第三材料106然后插入第二 材料105而一次形成。
[0068] 例如，如圖6A所示，第一材料102通過使用PVD或CVD沉積在石墨烯層101的表面上 大約一個原子層厚度。通過在大約500°C至大約550Γ范圍的溫度下在具有等于或低于HT 9 托壓力的UHV環(huán)境中加熱第一材料102,第一材料102插入在金屬襯底100和石墨烯層101之 間。第三材料106可以通過使用PVD或CVD再次沉積在石墨烯層101的表面上大約一個原子層 厚度，并可以在大約500°C至大約550 °C范圍的溫度下在具有等于或低于HT9托壓力的UHV環(huán) 境中被加熱。然而，在溫度范圍內(nèi)，第三材料106的加熱溫度可低于第一材料102的加熱溫 度。因此，第三材料106可以進(jìn)一步插入在第一材料102和石墨烯層101之間。
[0069] 參考圖6B，第二材料105可以沉積在石墨烯層101上方，并可以在大約340°C至大約 400°C范圍的溫度、在大約2 X HT7托至大約8 X HT7托范圍的真空條件下被加熱。因此，第二 材料105可以進(jìn)一步插入在金屬襯底100和石墨烯層101之間。在此情況下，第二材料105可 以化學(xué)地鍵合到第一材料102和第三材料106的每個。第二材料105可以被加熱足夠長的時(shí) 間使得第二材料105被完全鍵合到第一材料102和第三材料106。例如，在圖IE中第二材料 105可被加熱大約10分鐘，而在圖6B中第二材料105可被加熱大約20分鐘。
[0070] 結(jié)果，如圖6C所示，其中第二材料105和第一材料102化學(xué)地鍵合到彼此的絕緣層 103,和其中第二材料105和第三材料106化學(xué)地鍵合到彼此的額外的絕緣層107可以同時(shí)形 成在金屬襯底100和石墨烯層101之間。絕緣層103和額外的絕緣層107每個可以是大約一個 原子層厚度。然而，示例實(shí)施方式不限于此。例如，在圖6A中，通過插入第一材料102和第三 材料106的每個至少兩次可以增大絕緣層103和額外的絕緣層107的厚度。
[0071] 如上所述，由于絕緣層103和額外的絕緣層107可以通過使用示例實(shí)施方式的方法 被插入在金屬襯底100和石墨稀層101之間，可以省略轉(zhuǎn)移石墨稀層101以便制造器件的工 藝。即，在執(zhí)行了示例實(shí)施方式的方法之后即可制造器件而不用轉(zhuǎn)移石墨烯層101。例如，圖 7是示出通過利用層疊結(jié)構(gòu)150制造的晶體管200的結(jié)構(gòu)的截面圖，該層疊結(jié)構(gòu)150通過使用 圖IA至IF的方法形成。
[0072]參考圖7,晶體管200可包括圖IF的層疊結(jié)構(gòu)150以及設(shè)置在層疊結(jié)構(gòu)150的石墨烯 層101兩側(cè)上的第一電極111及第二電極112。金屬襯底100可用作柵電極，插入在金屬襯底 100和石墨烯層101之間的絕緣層103可用作柵絕緣膜，石墨烯層101可用作溝道。第一電極 111和第二電極112可以分別是源電極和漏電極。因此，根據(jù)示例實(shí)施方式，可以通過使用相 對簡單的工藝制造使用石墨烯層101作為溝道的晶體管200。
[0073] 雖然已經(jīng)通過使用專用術(shù)語參考發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施方式具體地示出和描述了 發(fā)明構(gòu)思，但是示例實(shí)施方式和術(shù)語僅用來解釋發(fā)明構(gòu)思而不應(yīng)理解為限制由權(quán)利要求書 限定的發(fā)明構(gòu)思的范圍。示范實(shí)施方式應(yīng)當(dāng)僅以描述的意思理解，而不為限制的目的。因 此，發(fā)明構(gòu)思的范圍不由詳細(xì)說明限定而通過權(quán)利要求限定，在該范圍內(nèi)的所有差異將理 解為被包括在發(fā)明構(gòu)思中。
[0074] 本申請要求于2015年2月24日向韓國專利局提交的韓國專利申請No. 10-2015- 0025908的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種插入絕緣層的方法，包括： 在金屬層上生長石墨烯層； 在所述石墨烯層的表面上沉積第一材料； 通過在第一壓力和第一溫度下加熱所述第一材料而在所述石墨烯層和所述金屬層之 間插入所述第一材料； 在所述石墨烯層的所述表面上方沉積第二材料;和 通過在不同于所述第一壓力的第二壓力和不同于所述第一溫度的第二溫度下加熱所 述第二材料而在所述石墨烯層和所述金屬層之間插入所述第二材料，從而在所述金屬層和 所述石墨烯層之間形成第一絕緣層，所述第一材料和所述第二材料彼此化學(xué)地鍵合。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中沉積所述第一材料包括沉積包含硅(Si)、鋁(Al)、鉿 (Hf )、錯(Zr)和鑭(La)中至少一個的所述第一材料。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中 沉積所述第二材料包括沉積包含氧(O)和氮(N)中至少一個的所述第二材料，和 插入所述第二材料形成包括氧化物絕緣體和氮化物絕緣體之一的所述第一絕緣層。4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中插入所述第二材料形成包括氧化物絕緣體晶體和氮 化物絕緣體晶體之一的所述第一絕緣層。5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述第一壓力低于所述第二壓力，和 所述第一溫度高于所述第二溫度。6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中 所述第一壓力等于或低于1〇_9托，所述第一溫度在500°C至550°C的范圍，和 所述第二壓力在2 X KT7托至8 X 10_7托的范圍，所述第二溫度在340°C至400°C的范圍。7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中插入所述第一材料和插入所述第二材料被順序且重 復(fù)地執(zhí)行。8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中在插入所述第一材料被連續(xù)且重復(fù)地執(zhí)行至少兩次 之后，插入所述第二材料被連續(xù)且重復(fù)地執(zhí)行至少兩次。9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中在插入所述第一材料之后，所述方法還包括： 在所述石墨烯層的表面上沉積第三材料，所述第三材料不同于所述第一材料和所述第 二材料； 在插入所述第一材料之后并在沉積所述第二材料之前，通過在所述第一壓力和所述第 一溫度下加熱所述第三材料而在所述石墨烯層和所述金屬層之間插入所述第三材料;和 在插入所述第二材料之后，在所述金屬層和所述石墨烯層之間形成第二絕緣層，所述 第三材料和所述第二材料彼此化學(xué)鍵合。10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中沉積所述第三材料包括沉積包含Si、A1、Hf、Zr和La 中至少一個的所述第三材料。11. 如權(quán)利要求1所述的方法，在插入所述第二材料之后，所述方法還包括： 在所述石墨烯層的所述表面上沉積第三材料，所述第三材料不同于所述第一材料和所 述第二材料;和 通過在所述第一壓力和所述第一溫度下加熱所述第三材料而在所述石墨烯層和所述 金屬層之間插入所述第三材料，從而在所述金屬層和所述石墨烯層之間形成第二絕緣層， 所述第三材料和所述第二材料彼此化學(xué)地鍵合。12. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括： 在所述生長之后圖案化所述石墨烯層。13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬層包括以下之中的至少一個:銅（Cu)、鎳 (Ni)、鉑(Pt)、鈷(Co)、釕(Ru)、鋁(Al)、鐵(Fe)、金(Au)、鎂(Mg)、鉻(Cr)、錳(Mn)、銠(Rh)、鉭 (Ta)、，i；(Ti)i(Ir)、_(U)、fL(VWP^(W)。14. 一種制造晶體管的方法，該方法包括： 在金屬層上生長石墨烯層； 圖案化所述石墨烯層； 在所述石墨烯層的表面上沉積第一材料； 通過在第一壓力和第一溫度下加熱所述第一材料而在所述石墨烯層和所述金屬層之 間插入所述第一材料； 在所述石墨烯層的所述表面上方沉積第二材料； 通過在不同于所述第一壓力的第二壓力和不同于所述第一溫度的第二溫度下加熱所 述第二材料而在所述石墨烯層和所述金屬層之間插入所述第二材料，從而在所述金屬層和 所述石墨烯層之間形成絕緣層，所述第一材料和所述第二材料彼此化學(xué)地鍵合;和 形成接觸所述石墨烯層的一側(cè)的第一電極和接觸所述石墨烯層的另一側(cè)的第二電極。15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中沉積所述第一材料包括沉積包含硅(Si)、鋁(Al)、 鉿(Hf )、錯(Zr)和鑭(La)中至少一個的所述第一材料。16. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中 沉積所述第二材料包括沉積包含氧(〇)和氮(N)中至少一個的所述第二材料，和 插入所述第二材料形成包括氧化物絕緣體和氮化物絕緣體之一的所述絕緣層。17. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中 所述第一壓力低于所述第二壓力，和 所述第一溫度高于所述第二溫度。18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中 所述第一壓力等于或低于1〇_9托，所述第一溫度在500°C至550°C的范圍，和 所述第二壓力在2 X KT7托至8 X 10_7托的范圍，所述第二溫度在340°C至400°C的范圍。19. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中插入所述第二材料形成包括氧化物絕緣體晶體和 氮化物絕緣體晶體之一的所述絕緣層。20. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中插入所述第一材料和插入所述第二材料被順序且 重復(fù)地執(zhí)行。21. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中在插入所述第一材料被連續(xù)且重復(fù)地執(zhí)行至少兩 次之后，插入所述第二材料被連續(xù)且重復(fù)地執(zhí)行至少兩次。22. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述金屬層包括以下之中的至少一個:銅(Cu)、鎳 (Ni)、鉑(Pt)、鈷(Co)、釕(Ru)、鋁(Al)、鐵(Fe)、金(Au)、鎂(Mg)、鉻(Cr)、錳(Mn)、銠(Rh)、鉭 (Ta)、，i；(Ti)i(Ir)、_(U)、fL(VWP^(W)。23. -種層疊結(jié)構(gòu)，包括： 在金屬層上的晶體絕緣層，所述晶體絕緣層包括第一材料和不同于所述第一材料的第 二材料，所述第一材料和所述第二材料彼此化學(xué)地鍵合，所述第二材料包括氧(O)和氮(N) 中至少一個;和 在所述晶體絕緣層上的石墨烯層。24. 如權(quán)利要求23所述的層疊結(jié)構(gòu)，還包括： 在所述金屬層和所述晶體絕緣層之間的化合物層，該化合物層包括所述第一材料與所 述金屬層的金屬的反應(yīng)產(chǎn)物。25. 如權(quán)利要求23所述的層疊結(jié)構(gòu)，其中所述第一材料包括硅(Si)、鋁(A1)、鉿(Hf )、鋯 (Zr)和鑭(La)中至少一個。26. 如權(quán)利要求23所述的層疊結(jié)構(gòu)，其中所述金屬層包括以下之中的至少一個：銅 (Cu)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈷(Co)、釕(Ru)、鋁(Al)、鐵(Fe)、金(Au)、鎂(Mg)、鉻(Cr)、錳(Mn)、銠 (Rh)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、銥(Ir)、鈾(U)、釩(V)和鎢(W)。
【文檔編號】H01L21/04GK105914129SQ201610098970
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月23日
【發(fā)明人】田仁秀, 丘知娟, 金孝媛
【申請人】三星電子株式會社