本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造，特別是涉及一種薄膜結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著硅晶體管的尺寸和性能接近其物理極限，需要尋找替代材料來(lái)支持更多的新興技術(shù)，其中一個(gè)具有希望的材料石墨烯。石墨烯由于其出色的電氣、機(jī)械和熱性能，使得它最有可能成為場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道材料。

2、電子器件通常由導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體等基本結(jié)構(gòu)構(gòu)建，對(duì)石墨烯器件而言，其絕緣層的構(gòu)建至關(guān)重要。以石墨烯晶體管(gfet)為例，制作頂柵時(shí)常在石墨烯上沉積一層絕緣氧化物層作為柵介質(zhì)層，制備技術(shù)有原子層沉積(atomic?layer?deposition，ald)、物理氣相沉積(pvd)、化學(xué)氣相沉積(cvd)等多種沉積工藝。隨著半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)不斷向更小的尺寸發(fā)展，如7nm、5nm甚至3nm以下，ald成為先進(jìn)制程中應(yīng)用的首選。

3、ald是一種精確控制薄膜厚度和成分的沉積技術(shù)，屬于cvd的特殊形式，通過(guò)分步驟反應(yīng)在基底表面上逐層生長(zhǎng)薄膜。ald的過(guò)程通常包括兩個(gè)或多個(gè)前驅(qū)體的交替曝露，每次曝露后用惰性氣體進(jìn)行清洗。由于每個(gè)反應(yīng)步驟都是自限的，沉積物僅在基底表面上進(jìn)行反應(yīng)，從而確保了單原子層級(jí)的生長(zhǎng)控制。

4、但是在ald沉積過(guò)程中，薄膜的粘附性問(wèn)題會(huì)影響薄膜質(zhì)量和器件可靠性。主要制約因素包括基底表面化學(xué)性質(zhì)不足、前驅(qū)體反應(yīng)性差、沉積溫度不合適、材料內(nèi)在粘附性差、應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)差異，以及界面層的形成。這些問(wèn)題可能導(dǎo)致薄膜附著不良、界面缺陷和剝落。

5、目前緩解原子層沉積(ald)粘附性問(wèn)題的方法有：1、表面前處理，如清潔、功能化或等離子體處理，提高基底的表面反應(yīng)性，該方式增加了額外的處理步驟，可能需要多種設(shè)備和化學(xué)試劑，工藝復(fù)雜性提高。同時(shí)可能造成表面損傷的風(fēng)險(xiǎn)，如等離子體處理可能導(dǎo)致基底表面損傷，影響后續(xù)薄膜質(zhì)量，清潔效果也有限，某些污染物可能難以完全去除，仍可能影響薄膜的附著力；2、優(yōu)化前驅(qū)體和沉積條件，選擇更適合的前驅(qū)體和溫度，提升薄膜質(zhì)量，但目前可用的前驅(qū)體種類有限，并且某些高反應(yīng)性的前驅(qū)體可能成本高或處理難度大，沉積溫度窗口窄，為了避免薄膜質(zhì)量問(wèn)題，沉積溫度的調(diào)節(jié)范圍有限，限制工藝靈活性，且并非所有材料都能通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝優(yōu)化來(lái)解決粘附性問(wèn)題；3、多層或漸變層沉積，提高界面的穩(wěn)定性和附著力，多層結(jié)構(gòu)或漸變層的沉積過(guò)程更加復(fù)雜，工藝控制的難度提高，厚度控制難，保持每層的厚度均勻性和精確性較為困難，可能影響薄膜的整體性能，還有應(yīng)力累積問(wèn)題，盡管采用多層結(jié)構(gòu)，薄膜應(yīng)力問(wèn)題仍可能存在，甚至由于多層堆疊導(dǎo)致應(yīng)力累積；4、調(diào)整工藝條件降低薄膜應(yīng)力。所以現(xiàn)在使用的這些方法在解決粘附性問(wèn)題的同時(shí)，可能會(huì)帶來(lái)工藝復(fù)雜性增加、成本上升以及薄膜性能的其他限制。

6、應(yīng)該注意，上面對(duì)技術(shù)背景的介紹只是為了方便對(duì)本申請(qǐng)的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的說(shuō)明，并方便本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解而闡述的。不能僅僅因?yàn)檫@些方案在本申請(qǐng)的背景技術(shù)部分進(jìn)行了闡述而認(rèn)為上述技術(shù)方案為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種薄膜結(jié)構(gòu)及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中不同材料薄膜層沉積過(guò)程中由于粘附性較差以及熱失配導(dǎo)致剝落、起皮、裂紋，影響薄膜結(jié)構(gòu)性能的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，所述制備方法包括：

3、提供基底，所述基底表面上形成有第一材料層；

4、于所述第一材料層表面沉積第一氧化石墨烯粘附層；

5、于所述第一氧化石墨烯粘附層表面沉積第二材料層。

6、可選地，所述第一材料層為氧化硅層，所述第二材料層為石墨烯層；或所述第一材料層為石墨烯層，所述第二材料層為高k介質(zhì)層；或所述第一材料層為高k介質(zhì)層，所述第二材料層為金屬層。

7、可選地，所述薄膜結(jié)構(gòu)為頂柵型gfet薄膜結(jié)構(gòu)，所述基底為硅基底，所述第一材料層為氧化硅層，所述第二材料層為石墨烯溝道層，所述制備方法還包括：

8、于所述第二材料層表面沉積第二氧化石墨烯粘附層；

9、于所述第二氧化石墨烯粘附層表面沉積高k柵介質(zhì)層；

10、于所述高k柵介質(zhì)層表面沉積第三氧化石墨烯粘附層；

11、于所述第三氧化石墨烯粘附層表面沉積柵金屬層。

12、可選地，所述薄膜結(jié)構(gòu)為背柵型gfet薄膜結(jié)構(gòu)，所述基底為硅基底，所述第一材料層為氧化硅層，所述第二材料層為石墨烯溝道層，所述制備方法還包括：

13、于所述基底的背面沉積第四氧化石墨烯粘附層；

14、于所述第四氧化石墨烯粘附層表面沉積背柵金屬層。

15、可選地，所述薄膜結(jié)構(gòu)為全柵型gfet薄膜結(jié)構(gòu)，所述基底為硅基底，所述第一材料層為氧化硅層，所述第二材料層為石墨烯溝道層，所述制備方法還包括：

16、于所述第二材料層表面沉積第二氧化石墨烯粘附層；

17、于所述第二氧化石墨烯粘附層表面沉積高k柵介質(zhì)層；

18、于所述高k柵介質(zhì)層表面沉積第三氧化石墨烯粘附層；

19、于所述第三氧化石墨烯粘附層表面沉積柵金屬層；

20、于所述基底的背面沉積第四氧化石墨烯粘附層；

21、于所述第四氧化石墨烯粘附層表面沉積背柵金屬層。

22、進(jìn)一步地，調(diào)整與所述第二材料層接觸的氧化石墨烯粘附層中c元素的含量，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的石墨烯粘附層所需的導(dǎo)電性能，原則為c元素含量越多導(dǎo)電性能越好。

23、進(jìn)一步地，采用ald工藝沉積相應(yīng)的氧化石墨烯粘附層。

24、進(jìn)一步地，采用ald工藝沉積相應(yīng)的氧化石墨烯粘附層的參數(shù)為：溫度為50℃～200℃；前驅(qū)體脈沖時(shí)間0.1s～1s；泵抽時(shí)間為5s～30s；惰性氣體流量為10sccm～200sccm；反應(yīng)室壓力為0.1torr～1torr。

25、可選地，相應(yīng)的氧化石墨烯粘附層的厚度為2nm～5nm。

26、可選地，形成所述薄膜結(jié)構(gòu)后還包括200℃～300℃的低溫退火步驟。

27、本發(fā)明還提供一種薄膜結(jié)構(gòu)，采用如上任意一項(xiàng)所述的薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法制備得到。

28、如上所述，本發(fā)明的薄膜結(jié)構(gòu)制備方法及薄膜結(jié)構(gòu)，通過(guò)在兩層材料層之間形成氧化石墨烯粘附層(即第一氧化石墨烯粘附層)，可以有效提高該兩層材料層之間的粘附性以及緩解兩層材料層之間的應(yīng)力，降低該兩層材料層薄膜剝離和開裂的風(fēng)險(xiǎn)。氧化石墨烯材料富含氧官能團(tuán)，易于與其他材料之間形成強(qiáng)的化學(xué)鍵，從而顯著增加氧化石墨烯與其接觸材料層之間的粘附性，因此可將氧化石墨烯材料作為兩層材料層之間的附著連接層，尤其對(duì)于兩層材料層中至少有一層材料層的材料內(nèi)在粘附性較差時(shí)，該氧化石墨烯材料的附著性能對(duì)該兩層材料層之間粘附性能的提升尤為明顯；另外，氧化石墨烯材料還具備優(yōu)異的機(jī)械性能，能夠有效緩沖薄膜結(jié)構(gòu)沉積和處理過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，降低薄膜剝離和開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：所述第一材料層為氧化硅層，所述第二材料層為石墨烯層；或所述第一材料層為石墨烯層，所述第二材料層為高k介質(zhì)層；或所述第一材料層為高k介質(zhì)層，所述第二材料層為金屬層。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述薄膜結(jié)構(gòu)為頂柵型gfet薄膜結(jié)構(gòu)，所述基底為硅基底，所述第一材料層為氧化硅層，所述第二材料層為石墨烯溝道層，所述制備方法還包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：所述薄膜結(jié)構(gòu)為背柵型gfet薄膜結(jié)構(gòu)，所述基底為硅基底，所述第一材料層為氧化硅層，所述第二材料層為石墨烯溝道層，所述制備方法還包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：所述薄膜結(jié)構(gòu)為全柵型gfet薄膜結(jié)構(gòu)，所述基底為硅基底，所述第一材料層為氧化硅層，所述第二材料層為石墨烯溝道層，所述制備方法還包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任意一項(xiàng)所述的薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：調(diào)整與所述第二材料層接觸的氧化石墨烯粘附層中c元素的含量，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的石墨烯粘附層所需的導(dǎo)電性能，原則為c元素含量越多導(dǎo)電性能越好。

7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：采用ald工藝沉積相應(yīng)的氧化石墨烯粘附層。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，采用ald工藝沉積相應(yīng)的氧化石墨烯粘附層的參數(shù)為：溫度為50℃～200℃；前驅(qū)體脈沖時(shí)間0.1s～1s；泵抽時(shí)間為5s～30s；惰性氣體流量為10sccm～200sccm；反應(yīng)室壓力為0.1torr～1torr。

9.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：相應(yīng)的氧化石墨烯粘附層的厚度為2nm～5nm。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：形成所述薄膜結(jié)構(gòu)后還包括200℃～300℃的低溫退火步驟。

11.一種薄膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，采用如權(quán)利要求1～10中任意一項(xiàng)所述的薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法制備得到。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種薄膜結(jié)構(gòu)制備方法及薄膜結(jié)構(gòu)，通過(guò)在兩層材料層之間形成氧化石墨烯粘附層，可以有效提高該兩層材料層之間的粘附性以及緩解兩層材料層之間的應(yīng)力，降低該兩層材料層薄膜剝離和開裂的風(fēng)險(xiǎn)。氧化石墨烯材料富含氧官能團(tuán)，易于與其他材料之間形成強(qiáng)的化學(xué)鍵，從而顯著增加氧化石墨烯與其接觸材料層之間的粘附性，因此可將氧化石墨烯材料作為兩層材料層之間的附著連接層；另外，氧化石墨烯材料還具備優(yōu)異的機(jī)械性能，能夠有效緩沖薄膜結(jié)構(gòu)沉積和處理過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，降低薄膜剝離和開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：劉良文,閆曉暉,拉海忠
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海積塔半導(dǎo)體有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/22