二维材料结构的制造方法和二维材料器件技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体领域，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。
技术介绍
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。二维材料是目前被寄予厚望的新型材料。例如石墨烯(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。由于石墨烯在室温下具有超高的载流子迁移率，石墨烯晶体管较之传统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，也就是说石墨烯的费米(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，因此可以认为石墨烯是一个零带隙的半导体，即石墨烯本身不具有能隙，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。目前打开石墨烯能带的方法主要包括以下方法：1)石墨烯晶格改造；2)在双层石墨烯中施加垂直电场；3)利用应力引入带隙；4)将石 墨烯制备为纳米带。其中将石墨烯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。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，降低材料迁移率。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。
技术实现思路
本专利技术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。根据本专利技术的一个方面，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。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。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。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。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。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。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。优选地，所述载体FIN结构的材料与所述二维材料晶格匹配。根据本专利技术的另一个方面，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。本专利技术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。附图说明下面参考附图详细描述本专利技术的实施例，其中：图1a示出了在衬底上形成牺牲FIN结构的示意图；图1b示出了在牺牲FIN结构上填充电介质层的示意图；图1c示出了回蚀电介质层以暴露牺牲FIN结构的示意图；图1d示出了释放牺牲FIN结构之后的结构示意图；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；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；图2a示出了另一种载体FIN结构的示意图；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；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；以及图3示出了根据本专利技术实施例的二维材料纳米结构的制造方法的流程图。具体实施方式现在对本专利技术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。为解释本专利技术下述实施例将参考附图被描述。针对现有二维材料纳米级结构的制备问题，本专利技术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。下面以石墨烯二维材料为例来具体介绍根据本专利技术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。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。衬底材料A可以是Si、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。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、氮氧化硅、氧化铝、氧化铪等电介质材料。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气产本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：粟雅娟，贾昆鹏，赵超，战俊，曹合适，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11