半导体结构的形成方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种半导体结构的形成方法。

背景技术：

目前，基于硅材料的光子学已成为集成光学中的重要研究领域之一。基于硅材料的光子器件如光通信无源器件、调节器、探测器、光放大器及广元等发展已较为成熟。由于硅材料具有低电光系数、低光发射效率、非宽频带光学材料和高传播损耗等固有缺陷，且随着集成电路领域器件尺寸的不断减小，硅材料逐渐接近其加工极限。因此光通信和微纳光学器件领域发展迫切需要一种能够同时具有硅材料特性和宽频带光子特性的混合材料，为此半导体业界纷纷提出超越硅技术(Beyond Silicon)，其中具有较大开发潜力的石墨烯受到广泛关注。

石墨烯(Graphene)是一种单层蜂窝晶体点阵上的碳原子组成的二位晶体。实验证明，石墨烯不仅具有非常出色的力学性能和热稳定性，还具有出色的电学性能，例如亚微米级的弹道输运特性，高载流子迁移率，可调谐带隙，室温下的量子霍尔效应等等，并且，石墨烯由于本身特殊性能可以在其材料内部实现多功能信号的发射、传送、调制、探测等功能。

石墨烯优越的电学性能使发展石墨烯基的晶体管和集成电路成可能，并有可能取代硅称为新一代的主流半导体材料，石墨烯与硅波导(silicon waveguide)集成技术能够应用于新型光电和非线性光学器件，半导体业界对此显示了极大兴趣。石墨烯与硅波导集成的器件，也可称为硅上的石墨烯(GSi，Graphene on Silicon)器件，硅上的石墨烯器件具有硅上的石墨烯波导(GSi waveguide)。如何形成所述硅上的石墨烯器件，是半导体领域目前的研究重点之一。

然而，现有技术形成的硅上的石墨烯器件的性能仍有待提高。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种半导体结构的形成方法，提高形成的石墨烯层的位置精确性，从而改善形成的半导体结构的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供基底；在所述基底表面形成若干分立的半导体层；在所述半导体层侧壁表面形成隔离层；形成覆盖于所述半导体层顶部表面的含碳材料层；对所述含碳材料层以及半导体层进行退火处理，在所述半导体层顶部表面形成石墨烯层；在所述退火处理之后，去除所述含碳材料层。

可选的，所述含碳材料层还覆盖于所述隔离层表面。

可选的，采用旋转涂覆工艺形成所述含碳材料层。

可选的，所述含碳材料层的材料为聚甲基丙乙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛或聚四氟乙烯。

可选的，所述退火处理为激光退火、毫秒退火或快速热退火。

可选的，所述激光退火的退火温度为1400摄氏度至1500摄氏度。

可选的，所述毫秒退火的退火温度为1500摄氏度至1600摄氏度。

可选的，所述退火处理包括依次进行的升温过程、保温过程以及降温过程。

可选的，在所述升温过程以及保温过程中，碳原子从所述含碳材料层中分解出；在所述保温过程中，所述半导体层顶部表面处于熔融状态，所述处于熔融状态的半导体层顶部表面吸收所述分解出的碳原子；在所述降温过程中，所述碳原子从半导体层顶部表面析出，析出的碳原子在半导体层顶部表面凝聚成核，在所述半导体层顶部表面形成石墨烯层。

可选的，所述隔离层材料的熔点高于所述半导体层材料的熔点。

可选的，所述隔离层的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

可选的，所述隔离层的形成步骤包括：在所述半导体层的顶部表面和侧壁表面、基底表面形成隔离膜；回刻蚀所述隔离膜，去除位于半导体层顶部表面以及基底部分表面的隔离膜，形成覆盖于半导体层侧壁表面的隔离层。

可选的，所述回刻蚀采用的工艺为同步脉冲刻蚀。

可选的，所述同步脉冲刻蚀工艺的工艺参数为：刻蚀气体包括CF₄、CHF₃和CH₂F₂，其中，CF₄流量为50sccm至500sccm，CHF₃流量为0sccm至100sccm，CH₂F₂流量为0sccm至100sccm，刻蚀腔室压强为10毫托至200毫托，提供源功率200瓦至1000瓦，源功率的占空比为10％至90％，提供偏置功率0瓦至200瓦，偏置功率的占空比为10％至90％。

可选的，采用湿法刻蚀工艺，去除所述含碳材料层。

可选的，所述湿法刻蚀工艺的刻蚀液体为丙酮溶液。

可选的，所述半导体层的材料为硅、锗或锗化硅。

可选的，形成所述半导体层的工艺步骤包括：在所述基底表面形成半导体膜；在所述半导体膜表面形成图形化的掩膜层；以所述图形化的掩膜层为掩膜，刻蚀所述半导体膜直至暴露出基底表面，在所述基底表面形成若干分立的半导体层。

可选的，所述基底包括衬底以及位于衬底表面的绝缘层。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明提供的半导体结构的形成方法的技术方案中，首先在基底表面形成若干分立的半导体层；在半导体层侧壁表面形成隔离层；形成覆盖于半导体层顶部表面的含碳材料层；然后对含碳材料层以及半导体层进行退火处理，在所述半导体层顶部表面形成石墨烯层；在所述退火处理之后，去除所述含碳材料层。本发明在形成石墨烯层的过程中，由于半导体层侧壁表面形成有隔离层，所述隔离层能够防止在半导体层侧壁表面生长石墨烯，使得形成的石墨烯层均匀的覆盖于半导体层的顶部表面，使得石墨烯层侧壁和半导体层侧壁齐平；并且本发明形成的石墨烯层未经历干法刻蚀工艺，使得石墨烯层具有良好的质量。因此本发明形成的半导体结构的性能优良，避免了额外的光吸收损失和光反射损失。

进一步，本发明形成的含碳材料层还覆盖于隔离层表面，降低了形成含碳材料层的工艺难度。

进一步，本发明中隔离层的形成步骤包括：在所述半导体层的顶部表面和侧壁表面、基底表面形成隔离膜；回刻蚀所述隔离膜，去除位于半导体层顶部表面以及基底部分表面的隔离膜，形成覆盖于半导体层侧壁表面的隔离层，且回刻蚀采用的工艺为同步脉冲刻蚀。采用同步脉冲刻蚀工艺，可以提高回刻蚀工艺的各向异性特性，使得形成的隔离层顶角接近直角，即隔离层的顶部尺寸和底部尺寸一致，因此半导体层顶角附近的侧壁也被隔离层有效的保护，防止半导体层顶角附近的侧壁表面生长石墨烯，从而进一步提高形成的石墨烯层的位置精确度。

更进一步，本发明的退火处理为激光退火，且激光退火的退火温度为1400摄氏度至1500摄氏度，使得在保温过程中，碳原子在半导体层顶部表面具有较高的溶解度，因此在降温过程中，从半导体层顶部表面析出的碳原子含量也较多，有利于形成高质量的石墨烯层。

附图说明

图1至图2为本发明一实施例提供的半导体结构示意图；

图3至图11为本发明另一实施例提供的半导体结构形成过程的剖面结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术形成的包含有硅上的石墨烯波导的半导体结构的性能有待提高。

经研究发现，半导体结构的形成方法包括以下步骤，参考图1及图2，图2为图1沿切割线AA1的剖面结构示意图，步骤S1、提供基底100；步骤S2、在所述基底100表面形成绝缘层101；步骤S3、在所述绝缘层101表面形成若干分立的硅层102；步骤S4、在所述硅层102表面粘附石墨烯层103，所述硅层102以及石墨烯层103构成硅上的石墨烯波导。

上述方法中，在硅波导102表面粘附的石墨烯层103的位置精确度差，石墨烯层103与硅层102的侧壁难以精确的对准并且石墨烯层103还容易粘附在硅层102侧壁表面，导致半导体结构中硅上的石墨烯波导具有光吸收损失和光散射损失。

为此，提出一种新的半导体结构的形成方法，包括：提供基底；在所述基底表面形成绝缘层；在所述绝缘层表面形成硅膜，所述硅膜覆盖于绝缘层表面；在所述硅膜表面粘附石墨烯膜，所述石墨烯膜覆盖于硅膜表面；图形化所述石墨烯膜以及硅膜，直至暴露出绝缘层表面，在所述绝缘层表面形成若干分立的硅层，所述硅层表面形成有石墨烯层，所述硅层以及石墨烯层构成硅上的石墨烯波导。

其中，图形化所述石墨烯膜以及硅膜的方法为干法刻蚀，即石墨烯层经历了干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺会对石墨烯层造成一定程度的损伤，导致石墨烯层的质量变差、厚度均匀性变差，相应的也会造成半导体结构具有光吸收损失和光散射损失。

为此，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供基底；在基底表面形成若干分立的半导体层；在所述半导体层侧壁表面形成隔离层；形成覆盖于所述半导体层顶部表面的含碳材料层；对所述含碳材料层以及半导体层进行退火处理，在所述半导体层顶部表面形成石墨烯层；在所述退火处理之后，去除所述含碳材料层。本发明不仅能够使形成的石墨烯层定位精确，使得石墨烯层仅位于半导体层顶部表面，且形成的石墨烯层侧壁表面与半导体层的侧壁表面齐平，避免在半导体层侧壁表面生长石墨烯；同时，本发明形成的石墨烯层的质量较高。因此，本发明形成的半导体结构的性能优良，避免了光吸收损失以及光散射损失。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图3至图11为本发明另一实施例提供的半导体结构形成过程的剖面结构示意图。

参考图3，提供基底；在所述基底表面形成半导体膜203。

本实施例中，所述基底包括衬底201以及位于衬底201表面的绝缘层202。

所述衬底201的材料为硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或者镓化铟；所述衬底201还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗化硅衬底。所述衬底201内还可以形成有半导体器件，例如，PMOS晶体管、NMOS晶体管、 CMOS晶体管、电阻器、电容器或电感器。

本实施例中，所述衬底201为绝缘体上的硅衬底。

所述绝缘层202的材料为氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅。采用化学气相沉积、物理气相沉积或者原子层沉积工艺形成所述绝缘层202。所述绝缘层202的作用在于：在衬底201与后续形成的半导体层之间形成有绝缘层202，绝缘层202材料的折射率远小于衬底201材料的折射率，因此绝缘层202可以将后续形成的半导体层中传输的光波与衬底201完全隔离开，从而消除衬底201吸收光波的不良影响，可以认为绝缘层202取代了衬底201的光学作用，因此衬底201的掺杂与否不受后续形成的波导的限制。

本实施例中，所述绝缘层202的材料为氧化硅。

所述半导体膜203为后续形成半导体层提供工艺基础，后续对半导体膜203进行图形化，在绝缘层202表面形成若干分立的半导体层。所述半导体膜203的材料为硅、锗或锗化硅；采用化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积工艺形成所述半导体膜23。

本实施例中，所述半导体膜203的材料为硅，采用化学气相沉积工艺形成所述半导体膜203，所述半导体膜203的厚度为10埃至1000埃。

在其他实施例中，所述基底可以只包括衬底。

参考图4，在所述半导体膜203表面形成图形化的掩膜层204。

所述图形化的掩膜层204定义出后续形成的半导体层的位置和尺寸。

所述图形化的掩膜层204的材料与半导体膜203的材料不同；并且，所述图形化的掩膜层204的材料与绝缘层202的材料不同，从而使得同一刻蚀工艺对图形化的掩膜层204和绝缘层202具有较高的刻蚀选择比。这是由于：

后续在形成半导体层之后会刻蚀去除图形化的掩膜层，而由于相邻半导体层之间的绝缘层202表面被暴露出来，因此所述绝缘层202表面被暴露在刻蚀去除图形化的掩膜层的刻蚀环境中，为了使得所述刻蚀工艺对绝缘层202的刻蚀速率很小，要求刻蚀工艺对图形化的掩膜层204和绝缘层202具有较高的刻蚀选择比，因此所述图形化的掩膜层204的材料与绝缘层202的材料 不同。

在一个实施例中，所述图形化的掩膜层204的材料为光刻胶，通过涂覆光刻胶膜、曝光工艺以及显影工艺形成所述图形化的掩膜层204。

在另一实施例中，所述图形化的掩膜层204的材料为氮化钛、氮化钽、氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅。需要说明的是，为了保证后续去除图形化的掩膜层204的工艺对绝缘层201的影响小，所述图形化的掩膜层204的材料与绝缘层201的材料不同。

参考图5，以所述图形化的掩膜层204(参考图4)为掩膜，刻蚀所述半导体膜203(参考图4)直至暴露出基底表面，在所述基底表面形成若干分立的半导体层205。

本实施例中，采用干法刻蚀工艺，刻蚀所述半导体膜203直至暴露出绝缘层202表面，在绝缘层202表面形成若干分立的半导体层205。

所述半导体层205为波导(waveguide)，由于半导体层205与绝缘层202的自由载流子浓度不同，半导体层205与绝缘层202的材料折射率也不同，因此在平行于衬底201表面传播的光波被约束在半导体层205中，由此形成波导。

本实施例中，所述半导体层205的材料为硅，相应形成的波导为硅波导(silicon waveguide)。在其他实施例中，所述半导体层的材料也可以为锗或锗化硅。

本实施例中，所述半导体层205的厚度为100埃至50纳米。

参考图6，在所述半导体层205的顶部表面和侧壁表面、基底表面形成隔离膜206。

本实施例中，所述隔离膜206覆盖于绝缘层202表面。所述隔离膜206用于后续形成在半导体层205侧壁表面形成隔离层，从而避免在半导体层205侧壁表面生长石墨烯。

由于后续会对半导体层205进行退火处理，使得半导体层205顶部表面处于熔融状态，而位于半导体层205侧壁表面的隔离层仍需要保持固态，为 此，本实施例中，所述隔离膜206材料的熔点高于所述半导体层205材料的熔点。

所述隔离膜206的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；采用化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积工艺形成所述隔离膜206。

本实施例中，所述隔离膜206的材料与绝缘层202的材料不同，从而防止后续去除隔离层的工艺对绝缘层202造成损伤。在一个具体实施例中，所述绝缘层202的材料为氧化硅，所述隔离膜206的材料为氮化硅。

所述隔离膜206的厚度不宜过薄，否则后续形成的隔离层的厚度也将很薄，使得隔离层阻挡半导体层205侧壁表面生长石墨烯的能力有限；所述隔离膜206的厚度也不宜过厚，否则后续回刻蚀隔离膜206所需的时间较长，容易对半导体层205顶部表面造成刻蚀损伤。

为此，本实施例中，所述隔离膜206的厚度为10埃至500埃。

参考图7，回刻蚀所述隔离膜206(参考图6)，去除位于半导体层205顶部表面以及基底部分表面的隔离膜206，形成覆盖于半导体层205侧壁表面的隔离层207。

所述隔离层207的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。本实施例中，所述隔离层207的材料与绝缘层202的材料不同。

为了保证后续退火处理过程中，所述隔离层207始终处于固体状态，本实施例中，所述隔离层207材料的熔点高于所述半导体层205材料的熔点。

本实施例中，所述回刻蚀采用的工艺为同步脉冲刻蚀，去除位于半导体层205顶部表面以及绝缘层202部分表面的隔离膜206，形成所述隔离层207。

采用同步脉冲刻蚀工艺的好处在于：由于同步脉冲刻蚀工艺具有各向异性高、刻蚀速率大的特点，使得回刻蚀形成的隔离层207的顶部尺寸和底部尺寸趋于一致，因此半导体层205顶角附近的侧壁表面被较厚的隔离层207所覆盖，从而防止后续在半导体层205顶角附近的侧壁表面生长石墨烯，使得石墨烯在半导体层205顶部表面进行生长。

在一个具体实施例中，采用的同步脉冲刻蚀工艺的工艺参数为：刻蚀气 体包括CF₄、CHF₃和CH₂F₂，其中，CF₄流量为50sccm至500sccm，CHF₃流量为0sccm至100sccm，CH₂F₂流量为0sccm至100sccm，刻蚀腔室压强为10毫托至200毫托，提供源功率200瓦至1000瓦，源功率的占空比为10％至90％，提供偏置功率0瓦至200瓦，偏置功率的占空比为10％至90％。

采用上述工艺参数进行回刻蚀，形成的隔离层207顶部尺寸与底部尺寸相同，从而使得隔离层207有效的起到阻止在半导体层205侧壁生长石墨烯的作用，避免在半导体层205顶角附近的侧壁表面生长石墨烯。

本实施例中，所述隔离层207的宽度尺寸为10埃至500埃，其中，宽度尺寸指的是，沿相邻半导体层205排列方向上的剖面尺寸。

参考图8，形成覆盖于所述半导体层205顶部表面的含碳材料层208。

所述含碳材料层208还覆盖于所述隔离层207表面。

所述碳材料层208为后续形成石墨烯层提供碳原子。本实施例中，所述含碳材料层208的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Polymethyl Methacrylate)，采用旋转涂覆工艺形成所述含碳材料层208。

在其他实施例中，所述含碳材料层的材料也可以为聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛或聚四氟乙烯。在其他实施例中，还可以采用化学气相沉积工艺形成所述含碳材料层。

参考图9，对所述含碳材料层208以及半导体层205进行退火处理，在所述半导体层205顶部表面形成石墨烯层209。

本实施例中，所述石墨烯层209的厚度为3埃至50埃。

所述退火处理包括依次进行的升温过程、保温过程以及降温过程。

首先，对含碳材料层208以及半导体层205进行升温过程，在升温过程中，碳原子从所述含碳材料层208中分解出。

在温度升高至退火温度之后，接着对含碳材料层208以及半导体层205进行保温过程，在保温过程中，碳原子仍将从所述含碳材料层208中分解出，并且在保温过程中，半导体层205顶部表面将处于熔融状态，所述处于熔融状态的半导体层205顶部表面吸收所述分解出的碳原子，碳原子在半导体层 205顶部表面具有第一溶解度。

当半导体层205顶部表面吸收一定含量的碳原子之后，对含碳材料层208以及半导体层205进行降温过程中，碳原子在半导体层205顶部表面具有第二溶解度，所述第二溶解度远小于第一溶解度，因此碳原子从半导体层205顶部表面析出，所述析出的碳原子在半导体层205顶部表面凝聚成核，从而在半导体层205顶部表面形成石墨烯层209。

半导体层205顶部表面吸收的碳原子数量在一定程度上决定了形成的石墨烯层209的层数，因此当所需要形成的石墨烯层209的层数越多时，退火处理的保温时间越长，使得半导体层205顶部表面吸收的碳原子数量越多。

在退火处理过程中，半导体层205顶部表面达到熔融状态，而隔离层207始终保持固体状态，从而避免隔离层207吸收分解出的碳原子，进而避免在隔离层207表面生长石墨烯。为此，本实施例中，所述退火处理的退火温度大于半导体层205材料的熔点、且小于隔离层207材料的熔点。

所述退火处理为激光退火、毫秒退火或快速热退火。

本实施例中，所述退火处理为激光退火，激光退火的退火温度为1400摄氏度至1500摄氏度。在一个具体实施例中，碳原子和硅原子的低共熔点(eutectic point)为1404摄氏度，在1404摄氏度下，碳原子在硅中的溶解度为0.75％(原子百分比)。

所述石墨烯层209以及半导体层205构成硅上的石墨烯波导。由于在退火处理过程中，半导体层205侧壁表面被隔离层207所覆盖，因此半导体层205侧壁表面不会吸收碳原子，进而避免在半导体层205侧壁表面形成石墨烯。因此，本实施例中，形成的石墨烯层209仅位于半导体层205顶部表面，石墨烯层209均匀且完整的覆盖于半导体层205顶部表面，使得形成的石墨烯层209侧壁与半导体层205侧壁齐平；且形成的石墨烯层209未经历干法刻蚀工艺，因此位于半导体层205顶部表面的石墨烯层209具有较高的质量。基于上述优点，本实施例能够避免额外的光吸收损失和光损伤损失，从而改善半导体结构的性能。

若石墨烯层未覆盖半导体层整个顶部表面，或者位于半导体层顶部表面 的石墨烯层厚度均匀性差，或者半导体层侧壁表面形成有石墨烯，或者石墨烯层的质量差，均将导致硅上的石墨烯波导产生额外的光吸收和散射的损伤，进而影响形成的半导体结构的性能。

同时，本实施例中隔离层207顶部尺寸和底部尺寸一致，因此隔离层207有效的保护半导体层205顶角附近的侧壁表面，防止碳原子透过隔离层207进入所述顶角附近的侧壁表面，从而进一步防止在半导体层205侧壁表面生长石墨烯，进一步提高形成的石墨烯层209的位置精确性，进一步改善半导体结构的性能。

参考图10，在所述退火处理之后，去除所述含碳材料层208(参考图9)。

采用湿法刻蚀工艺去除所述含碳材料层208。

本实施例中，所述湿法刻蚀工艺的刻蚀液体为丙酮溶液，将含碳材料层208置于丙酮溶液中浸泡0.5小时至6小时，去除含碳材料层208之后向石墨烯层209表面喷洒去离子水进行清洗。

本实施例中，所述丙酮溶液中丙酮的质量浓度为10％至20％，浸泡时间为0.5小时至1小时，所述丙酮溶液的浓度较小，浸泡时间较短，可以避免对石墨烯层209造成腐蚀。

本实施形成的半导体结构能够应用于光器件中，例如，应用于能打开和关闭光的光调制器。当向石墨烯层209施加不同电压时，石墨烯层209中电子的能量会发生改变，而石墨烯层209是否吸收光线也会决定其费米能级。当向石墨烯层209施加充足的负电压时，电子被吸出而使得石墨烯层209不能再吸收光子，因此当光子通过石墨烯层209时，石墨烯层209为完全透明的，此时光被“打开”。当向石墨烯层209施加一定的正电压时，石墨烯层209也是透明的，但电子紧密的包裹在一起，使石墨烯层209无法吸收光子，从而有效的“关闭”光线。

由于本实施例形成的石墨烯层209与半导体层205侧壁齐平，所述石墨烯层209均匀的覆盖于半导体层205顶部表面，避免在半导体层205侧壁表面形成石墨烯，且形成的石墨烯层209质量较高，因此本实施例形成的半导体结构的性能良好，有效的避免了额外的光吸收损失和光散射损失。

参考图11，去除所述隔离层207(参考图10)。

本实施例中，采用湿法刻蚀工艺去除所述隔离层207。

在一个具体实施例中，隔离层207的材料为氮化硅，湿法刻蚀去除隔离层207的刻蚀液体为磷酸溶液，其中，磷酸的质量百分比为75％至85％，磷酸溶液温度为120摄氏度至200摄氏度。

本实施例中，由于石墨烯层209始终未暴露在干法刻蚀环境中，因此避免了干法刻蚀工艺对石墨烯层209造成刻蚀损伤，使得石墨烯层209始终保持较高质量，从而有利于提高形成的半导体结构的性能。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。