[发明专利]半导体结构及其形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种半导体结构及其形成方法。

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。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种半导体结构及其形成方法，改善半导体结构的性能。

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半导体膜；在所述半导体膜顶部表面形成石墨烯膜；在所述石墨烯膜顶部表面形成黑磷膜；在所述黑磷膜顶部表面形成图形化的掩膜层；以所述图形化的掩膜层为掩膜，图形化所述黑磷膜、石墨烯膜以及半导体膜，在所述基底表面形成若干分立的半导体层、位于半导体层顶部表面的石墨烯层以及位于石墨烯层顶部表面的黑磷层。

可选的，形成所述石墨烯膜的方法包括：在所述半导体膜表面形成含碳材料膜；对所述含碳材料膜以及半导体膜进行第一退火处理，在所述半导体膜顶部表面形成石墨烯膜；在所述第一退火处理之后，去除所述含碳材料膜。

可选的，所述含碳材料膜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，所述第一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，所述第一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膜中分解出；在所述保温过程中，所述半导体膜顶部表面处于熔融状态，所述处于熔融状态的半导体膜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膜顶部表面析出，析出的碳原子在半导体膜顶部表面凝聚成核，在所述半导体膜顶部表面形成石墨烯膜。

可选的，所述石墨烯层的厚度为1埃至100埃；所述黑磷层的厚度为1埃至100埃。

可选的，形成所述黑磷膜的工艺步骤包括：在所述石墨烯膜顶部表面沉积红磷膜；对所述红磷膜进行第二退火处理，将所述红磷膜转化为黑磷膜。

可选的，采用化学气相沉积工艺形成所述红磷膜。

可选的，所述第二退火包括依次进行的激光退火过程以及降温过程。

可选的，所述第二退火包括若干次循环依次进行的激光退火过程以及降温过程。

可选的，所述激光退火过程的退火温度为800摄氏度至1500摄氏度，所述降温过程的降温速率为50摄氏度每小时至200摄氏度每小时。

可选的，在形成所述图形化的掩膜层之前，还包括步骤：对所述黑磷膜进行刻蚀处理，调整所述黑磷膜的原子层层数。

可选的，所述刻蚀处理的工艺参数为：腔室压强为5毫托至200毫托，O₂流量为5sccm至200sccm，Ar流量为50sccm至500sccm，源功率为50瓦至500瓦，偏置功率为0瓦至200瓦。