本發(fā)明概念涉及在基材上形成目標(biāo)材料特征件的方法。

背景

在半導(dǎo)體器件制備中，經(jīng)常需要在基材上形成特征件，所述特征件的形狀和尺寸取決于要被制備的器件的類型。用于形成特征件的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)包括使用例如光刻和蝕刻的組合來圖案化材料層。不過該技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是蝕刻劑可與被圖案化的材料反應(yīng)，這樣會(huì)在所述特征件的邊緣(即在蝕刻過程中形成的所述特征件的邊界表面)對(duì)材料的電子特性造成負(fù)面影響。當(dāng)器件尺寸以及特征件的尺寸減小時(shí)，所述缺點(diǎn)可能更顯著。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述內(nèi)容，本發(fā)明概念的總體目的是提供另一種在基材上形成目標(biāo)材料特征件的技術(shù)，其不存在或至少減少了現(xiàn)有的圖案化技術(shù)中的缺點(diǎn)。可從下文中理解其它目的：

根據(jù)本發(fā)明概念的一個(gè)方面，提供了一種在基材上形成目標(biāo)材料特征件的方法，所述方法包括：

在基材上形成犧牲材料的特征件；以及

通過沉積工藝形成目標(biāo)材料的所述特征件,在該過程中通過用沉積工藝前體形成揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物來從所述基材上去除犧牲材料的特征件，其中所述犧牲材料被所述目標(biāo)材料替代，所述目標(biāo)材料選擇性地沉積在基材的被犧牲材料的特征件覆蓋的表面部分上，形成目標(biāo)材料的所述特征件。

通過所述發(fā)明方法，提供選擇性的沉積工藝，其中可將犧牲層的圖案轉(zhuǎn)移到目標(biāo)材料上。由此可以通過使用犧牲層作為中間體或模板將材料形成成具有期望幾何形狀的特征件，原本使用常規(guī)光刻和蝕刻處理所述材料可能具有挑戰(zhàn)性或不可能完成(例如，由于不與蝕刻劑形成揮發(fā)性化合物)。同樣，通過不依賴于蝕刻工藝，可避免目標(biāo)材料和蝕刻劑之間的反應(yīng)。

通常，可由可使用光刻來圖案化的材料形成犧牲層。

在下文中，犧牲材料的特征件和目標(biāo)材料的特征件也可分別稱為犧牲特征件和目標(biāo)特征件。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述犧牲材料包括在與沉積工藝的所述前體的反應(yīng)中作為共試劑的犧牲元素。

因此，犧牲材料的存在是與前體的反應(yīng)的一個(gè)條件，由此可知特別通過犧牲材料的特征件的尺寸決定的犧牲元素的量至少部分地控制目標(biāo)材料的特征件的最終尺寸。因此，犧牲層的圖案化影響目標(biāo)材料的特征件的位置以及縱向、橫向和厚度尺寸。例如，共試劑可用作還原劑或參與配體交換反應(yīng)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述前體包括用于形成目標(biāo)材料的目標(biāo)元素和反應(yīng)元素的化合物，犧牲材料包含在與所述前體的反應(yīng)中作為共試劑并與所述反應(yīng)元素形成揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物的犧牲元素，其中將所述目標(biāo)元素沉積在基材上。

因此，可形成由單一類型的化學(xué)元素組成的目標(biāo)材料。結(jié)合前述實(shí)施方式討論的優(yōu)點(diǎn)也適用于此實(shí)施方式。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，沉積工藝包括將基材暴露于第一前體和第二前體，

所述第一前體包括用于形成目標(biāo)材料的第一目標(biāo)元素和第一反應(yīng)元素的化合物，

所述犧牲層包含在與所述第一前體的反應(yīng)中作為共試劑并與所述第一反應(yīng)元素形成揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物的犧牲元素，其中將所述第一目標(biāo)元素沉積在基材上；以及

第二前體包含用于和第一目標(biāo)元素結(jié)合形成目標(biāo)材料的第二目標(biāo)元素的化合物，以及第二反應(yīng)元素，其中所述第二目標(biāo)元素與沉積在基材上的第一目標(biāo)元素反應(yīng)以形成目標(biāo)材料，并且所述第二反應(yīng)元素形成揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物。

因此，可形成由兩種類型的化學(xué)元素的組合組成的目標(biāo)材料。結(jié)合前述實(shí)施方式討論的優(yōu)點(diǎn)也適用于此實(shí)施方式。

在任何上述實(shí)施方式中的沉積工藝可以是化學(xué)氣相沉積工藝、脈沖化學(xué)氣相沉積工藝(pulsed chemical vapor deposition process)或原子層沉積工藝。

沉積工藝的一種前體或多種前體可以是氣態(tài)的。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，在基材上形成犧牲材料的特征件包括在基材上形成犧牲材料層并使用光刻和蝕刻工藝圖案化所述犧牲材料層。

因此，可使用常規(guī)且容易可得的圖案化工藝來圖案化所述犧牲層。優(yōu)選地，可形成的犧牲層的單層層數(shù)為1-10層。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，犧牲材料的特征件包括至少一個(gè)納米結(jié)構(gòu)。因此，可將目標(biāo)材料形成為納米結(jié)構(gòu)特征件。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述至少一個(gè)納米結(jié)構(gòu)包括沿所述基材延伸的至少一根納米線。因此，可將目標(biāo)材料形成成水平納米線特征件。形成納米線的納米結(jié)構(gòu)可理解為呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)形狀的納米結(jié)構(gòu)。所述納米線的寬度可為例如5-10nm。

也可以量子點(diǎn)的形狀形成所述納米結(jié)構(gòu)。本文中，量子點(diǎn)形狀應(yīng)理解為具有橫向延伸的特征件，所述橫向延伸不超過10nm，更優(yōu)選地不超過5nm。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述犧牲材料的特征件在基材的緩沖層上形成，該緩沖層對(duì)沉積工藝的前體是惰性的。因此，所述緩沖層可防止下方材料與沉積工藝的前體反應(yīng)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，犧牲層包含Si、Al、Ti、TiN、Hf、Sn、Zr或Ta。這些材料的每種都能形成同時(shí)含有氯化物基前體和氟化物基前體的揮發(fā)反應(yīng)產(chǎn)物。用于這些材料層的沉積和圖案化的工藝同樣是精確且可靠的。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，沉積工藝包括含有過渡金屬源的前體。從而可形成包含過渡金屬的目標(biāo)材料特征件。具體地，所述前體可包含過渡金屬和氟化物/氟離子或氯化物/氟離子的化合物。過渡金屬可為鎢(W)或鉬(Mo)。

通過將目標(biāo)材料特征件經(jīng)過硫化或硒化處理，可將過渡金屬材料的目標(biāo)材料特征件轉(zhuǎn)化為過渡金屬二硫?qū)倩?TMDC)材料的特征件。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，沉積工藝包括含有過渡金屬源的第一前體和含有硫?qū)僭卦吹牡诙绑w。

從而可形成包含過渡金屬二硫?qū)倩?TMDC)的目標(biāo)層。通過使用第一和第二前體形成TMDC，目標(biāo)材料特征件可以是TMDC單層的堆疊體。TMDC的單層(也可表示為MX₂)包含夾在兩層硫?qū)僭覺之間的一層過渡金屬原子M。

發(fā)明人意識(shí)到，本發(fā)明方法可優(yōu)選用于形成MX₂的圖案。通過常規(guī)光刻方法圖案化MX₂層可能在不同循環(huán)中由于MX₂的結(jié)構(gòu)而需要蝕刻劑的組合。此外，通過常規(guī)圖案化和蝕刻技術(shù)得到的MX₂層的納米結(jié)構(gòu)可能具有未鈍化的邊緣(不飽和的“懸空”金屬鍵，硫?qū)僭?空位)或含有來自蝕刻工藝的雜質(zhì)/殘留物。MX₂邊緣和邊緣末端的結(jié)構(gòu)以及邊緣原子的鈍化可改變MX₂納米簇的電子特性并使得它們易于被氧化。由于MX₂可被直接置于所需形狀的特征件中，本發(fā)明方法避免了這些問題。具體地，所述方法能形成TMDC大致“2D”的特征件(即二維的層或膜)。

第一前體的過渡金屬可為鎢(W)或鉬(Mo)。第一前體可以是過渡金屬和氟化物/氟離子或氯化物/氯離子的化合物。第二前體的硫?qū)僭乜梢允俏?Se)、硫(S)或碲(Te)。第二前體可以是硫?qū)僭睾蜌?H₂)的化合物。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述犧牲材料的特征件在Al₂O₃層、SiO₂層、Si₃N₄層、過渡金屬二硫?qū)倩飳印⑹踊蚪饘賹由闲纬?。這些材料在沉積工藝過程中基本對(duì)于與所述前體或它們的元素的反應(yīng)惰性。特別是它們對(duì)于過渡金屬基前體和氟化物(氟離子)/氯化物(氯離子)基前體惰性。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，沉積工藝包括第一前體和第二前體，其中第一前體選自下組：WF₆、MoCl₃、MoCl₄、MoCl₅、WCl₄、WCl₅、WCl₆、WO2Cl₂，其中第二前體選自下組：H₂S、H₂Se、H₂Te、H₂O、O₂等離子體、O₃、NH₃、基于C的化合物。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，在基材上形成至少一個(gè)離散犧牲材料特征件(例如通過在基材上形成犧牲材料層并圖案化所述犧牲材料層使其包含至少一個(gè)離散犧牲材料特征件)，其中在所述沉積工藝過程中，所述至少一個(gè)特征件的每個(gè)被包含過渡金屬二硫?qū)倩锊牧系囊粚踊蚨鄬訂螌拥哪繕?biāo)材料的各個(gè)特征件所替代，所述方法還包括：

在所述沉積工藝之后，通過進(jìn)行橫向沉積工藝在目標(biāo)材料的每個(gè)特征件的邊緣部分沉積所述過渡金屬二硫?qū)倩锊牧?，其中增加目?biāo)材料的每個(gè)特征件的橫向尺寸。

從而，可形成在基材的水平面上具有增加的延伸的TMDC目標(biāo)材料的大致“2D”的特征件?？蓛?yōu)選將犧牲層圖案化成包含在基材上空間分布的多個(gè)離散犧牲特征件。從而，在額外的沉積工藝中，在(第一)沉積工藝中形成的目標(biāo)材料的原始特征件作為成核中心。離散特征件的位置控制了最終得到的特征件的位置。橫向生長(zhǎng)過程控制了最終得到的特征件的橫向尺寸。

在本文中，特征件的邊緣部分應(yīng)理解為特征件的垂直延伸/橫向面對(duì)表面部分。

特征件的橫向尺寸應(yīng)理解為過渡金屬二硫?qū)倩锊牧显趯?晶體面上的尺寸或延伸。

根據(jù)上述實(shí)施方式，即可通過包括含有過渡金屬源的第一前體和含有硫?qū)僭卦吹牡诙绑w的沉積工藝來形成在(第一)沉積工藝中形成目標(biāo)特征件的過渡金屬二硫?qū)倩锊牧稀?/p>

橫向沉積工藝可以是化學(xué)氣相沉積工藝、脈沖化學(xué)氣相沉積工藝或原子層沉積工藝。橫向沉積工藝包括含有過渡金屬源的第一前體和含有硫?qū)僭卦吹牡诙绑w。過渡金屬源可包括鎢(W)或鉬(Mo)。硫?qū)僭卦纯砂ㄎ?Se)、硫(S)或碲(Te)。

優(yōu)選地，可形成犧牲材料的各個(gè)特征件，并且橫向延伸不超過10nm，更優(yōu)選不超過5nm。犧牲材料的各個(gè)特征件的厚度可對(duì)應(yīng)于要形成的MX₂目標(biāo)材料的1-10層單層的高度。因此，犧牲材料的各個(gè)特征件的橫向尺寸，以及因此得到的目標(biāo)材料的各個(gè)特征件的橫向尺寸可小于在使用常規(guī)方法得到的多晶MX₂膜中晶體的尺寸。這能形成MX₂的單晶特征件。通過橫向沉積工藝，可增加每個(gè)MX₂特征件的橫向延伸同時(shí)保持單晶性質(zhì)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，在基材的模板層上形成犧牲材料的特征件。模板層可在橫向沉積工藝過程中控制目標(biāo)材料的生長(zhǎng)前鋒的取向。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述方法還包括，在所述橫向沉積工藝之后，通過進(jìn)行另外的橫向沉積工藝而在目標(biāo)材料的所述特征件的邊緣部分上沉積另外的過渡金屬二硫?qū)倩?，其與目標(biāo)材料的過渡金屬二硫?qū)倩锊煌?。因此，可進(jìn)一步增加目標(biāo)材料的所述特征件的橫向尺寸，并可形成含有第一和第二過渡金屬二硫?qū)倩锏碾s體系(heterosystem)。通過離散的犧牲特征件的位置確定各個(gè)雜體系的位置。

另外的橫向沉積工藝可以是化學(xué)氣相沉積工藝、脈沖化學(xué)氣相沉積工藝或原子層沉積工藝。另外的沉積工藝可包括含有過渡金屬源的第一前體和含有硫?qū)僭卦吹牡诙绑w。過渡金屬源可包括鎢(W)或鉬(Mo)。硫?qū)僭卦纯砂ㄎ?Se)、硫(S)或碲(Te)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，在基材上形成至少一個(gè)離散犧牲材料特征件(例如通過在基材上形成犧牲材料層并將所述犧牲材料層圖案化成包括至少一個(gè)離散犧牲材料特征件)，所述方法還包括：

在基材上形成一組掩模部分，其是相互分開的，從而在每對(duì)相鄰掩模部分之間形成溝槽，并且所述至少一個(gè)離散犧牲特征件的每個(gè)在各個(gè)溝槽中形成，

其中，在所述沉積工藝過程中，每個(gè)離散犧牲材料特征件被目標(biāo)材料的各個(gè)特征件所替代，其中所述目標(biāo)材料包含一層或多層過渡金屬二硫?qū)倩锏膯螌樱?/p>

該方法還包括：

在所述沉積工藝之后，通過進(jìn)行橫向沉積工藝在目標(biāo)材料的所述至少一個(gè)特征件的每個(gè)的邊緣部分上沉積與目標(biāo)材料的過渡金屬二硫?qū)倩锊煌牧硗獾倪^渡金屬二硫?qū)倩锊牧希渲心繕?biāo)材料的每個(gè)特征件的橫向尺寸增加。

從而，可形成第一過渡金屬二硫?qū)倩锖偷诙^渡金屬二硫?qū)倩锏碾s體系。該方法可特別用于在過渡金屬二硫?qū)倩锊牧象w系中形成p-n結(jié)。

可在目標(biāo)材料的所述至少一個(gè)特征件的兩個(gè)相反邊緣部分上形成另外的(第二)過渡金屬二硫?qū)倩锊牧稀Ｒ虼?，第一過渡金屬二硫?qū)倩锊牧峡蓨A在兩個(gè)另外的(第二)過渡金屬二硫?qū)倩锊牧系奶卣骷g。

在其上沉積了另外的(第二)過渡金屬二硫?qū)倩锊牧系囊粋€(gè)邊緣部分或多個(gè)邊緣部分可以是不面朝掩模部分的一個(gè)邊緣部分或多個(gè)邊緣部分。也就是說，朝向沿著溝槽的邊緣部分。

根據(jù)上述實(shí)施方式，即可通過包括含有過渡金屬源的第一前體和含有硫?qū)僭卦吹牡诙绑w的沉積工藝來形成在(第一)沉積工藝過程中形成目標(biāo)特征件的過渡金屬二硫?qū)倩锊牧稀?/p>

橫向沉積工藝可以是化學(xué)氣相沉積工藝、脈沖化學(xué)氣相沉積工藝或原子層沉積工藝。沉積工藝可包括含有過渡金屬源的第一前體和含有硫?qū)僭卦吹牡诙绑w。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述方法還包括在所述另外的橫向沉積工藝之后去除所述掩模一些部分的集合。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，在基材上形成納米線形式的犧牲材料的至少一個(gè)犧牲特征件(例如通過在基材上形成犧牲材料層并將所述犧牲材料層圖案化成包括至少一根納米線)，所述方法還包括：

在基材上形成支撐特征件，形成的所述支撐特征件用以支撐至少一個(gè)目標(biāo)材料的所述特征件；并且

在形成目標(biāo)材料的所述至少一個(gè)特征件之后，去除在目標(biāo)材料的所述至少一個(gè)特征件之下的材料，其中目標(biāo)材料的所述至少一個(gè)特征件通過支撐特征件變?yōu)閼抑迷诨牡谋砻嫔戏健?/p>

這能形成目標(biāo)材料的懸置的納米線。納米線可理解為呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)形狀的納米結(jié)構(gòu)。所述納米線的寬度可為例如5-10nm。

可在形成目標(biāo)材料之前形成支撐特征件。

可形成各個(gè)支撐特征件以支撐目標(biāo)材料的至少一個(gè)所述特征件中的每一個(gè)。

可將支撐特征件形成成跨越所述至少一根納米線中的每一根?？蓪⒏鱾€(gè)支撐特征件形成成跨越所述至少一根納米線中的每一根。在沉積工藝過程中，由支撐特征件暴露的至少部分犧牲材料特征件可被目標(biāo)材料替代。

目標(biāo)材料可包含一層或多層過渡金屬二硫?qū)倩锊牧系膯螌?。根?jù)上述實(shí)施方式，即可通過包括含有過渡金屬源的第一前體和含有硫?qū)僭卦吹牡诙绑w的沉積工藝來形成形成目標(biāo)特征件的過渡金屬二硫?qū)倩锊牧稀３练e工藝可包括含有過渡金屬源的第一前體和含有硫?qū)僭卦吹牡诙绑w。

在去除目標(biāo)材料下方的材料之前可將支撐特征件連接至至少一個(gè)目標(biāo)材料特征件的至少一個(gè)末端部分。所述方法還可包括，在去除在目標(biāo)材料下方的材料之前，進(jìn)行退火處理，從而所述犧牲材料特征件變?yōu)榕c支撐特征件連接。

附圖說明

上文以及本發(fā)明概念的其他目的、特征件和優(yōu)點(diǎn)將通過以下說明和本發(fā)明概念的優(yōu)選實(shí)施方式的非限制性的詳細(xì)闡述，并參考附圖來更好地理解。在附圖中，除非另外說明相同的編號(hào)用于相同的元件。

圖1a-c示意性地說明了形成特征件的方法。

圖2a-c示意性地說明了形成懸置的特征件的方法。

圖3a-d示意性地說明了形成過渡金屬二硫?qū)倩锊牧系奶卣骷桶瑑煞N過渡金屬二硫?qū)倩锊牧系漠愘|(zhì)結(jié)特征件的方法。

圖4a-c示意性地說明了形成包含兩種過渡金屬二硫?qū)倩锊牧系漠愘|(zhì)結(jié)特征件的方法。

優(yōu)選實(shí)施方式的詳述

圖1a-c示意性地說明了在基材100上形成目標(biāo)材料的特征件110的方法。

圖1說明了以從下至上的方向堆疊的層，其包括基材層102、緩沖層104和犧牲材料層106。根據(jù)下文，基材層102和緩沖層104形成了基材100，在基材100上將形成特征件110。

應(yīng)注意，圖1a僅顯示了基材100的一部分，基材100可水平/橫向延伸到圖1a中所顯示的部分以外。

根據(jù)所述方法，將犧牲材料層106圖案化以形成圖1b所示的犧牲材料108的特征件。可通過使用光刻和蝕刻工藝圖案化犧牲材料層106來形成特征件108。特征件108也可使用原子層沉積(ALD)工藝直接在基材100上形成。

在圖1b中，特征件108形成了細(xì)長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)，例如納米線。不過其也可能形成與特征件108不同的，例如分布在基材100的水平延伸的表面平面上的兩根和更多根納米線。也可圖案化犧牲材料層106以得到例如納米點(diǎn)或納米點(diǎn)簇的其他納米結(jié)構(gòu)。

形成特征件108之后，進(jìn)行沉積工藝。沉積工藝將在下文中更詳細(xì)地公開，其包括對(duì)基材100和特征件108施加一種或多種前體，如圖1b中標(biāo)記符號(hào)P所示意性表示的。在沉積過程中，通過用沉積工藝的前體形成揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物將犧牲材料的特征件108從基材110上去除。從而，犧牲材料的特征件108被目標(biāo)材料替代，所述目標(biāo)材料選擇性地沉積在基材100的表面部分上，在沉積工藝P之前，基材100的表面部分被犧牲材料的特征件108覆蓋。

圖1c顯示了沉積工藝的結(jié)果，其中犧牲材料的特征件108被目標(biāo)材料的特征件110替代。

犧牲材料包含犧牲元素，其作為與沉積工藝P的前體一起使用的共試劑。所述犧牲元素可在與前體的反應(yīng)中用作還原劑。不過，根據(jù)犧牲元素和前體的類型，理論上犧牲元素也可能在與前體的反應(yīng)中用作氧化劑，或形成在配體交換反應(yīng)中的共試劑。

由于沉積工藝是這樣的：在基材100上形成目標(biāo)材料包括犧牲元素與前體之間的反應(yīng)，因此沉積工藝變?yōu)椤白韵拗啤钡?。換而言之，當(dāng)通過與前體反應(yīng)去除了犧牲材料的特征件108時(shí)，特征件110的形成將停止。因此，可形成的目標(biāo)材料的特征件110的尺寸基本對(duì)應(yīng)于犧牲材料的特征件108的原始尺寸。因此，特征件108的尺寸可“轉(zhuǎn)化”成特征件110的尺寸。例如，具有1-10層單層(犧牲元素)的厚度的特征件108可用于形成具有相應(yīng)厚度的目標(biāo)材料的特征件110。因此，特征件110可形成2D材料特征件。

結(jié)合圖1a-c闡述的方法可用于形成僅包含單一化學(xué)元素的目標(biāo)材料的特征件110。所述沉積工藝可包括將帶有在其上形成的特征件108的基材100暴露于單一前體P中，所述單一前體P包含目標(biāo)化學(xué)元素和反應(yīng)化學(xué)元素的化合物。目標(biāo)化學(xué)元素是前體的元素，其最終會(huì)形成目標(biāo)材料的特征件110。反應(yīng)化學(xué)元素是將與形成特征件108的犧牲材料的犧牲化學(xué)元素形成共試劑的前體的元素。犧牲化學(xué)元素與反應(yīng)化學(xué)元素反應(yīng)以形成揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物。因此，在與前體的反應(yīng)過程中將特征件108從基材100上去除，并用固體形式的目標(biāo)化學(xué)元素的特征件110替代特征件108。

結(jié)合圖1a-c闡述的方法也可用于形成包含第一和第二目標(biāo)化學(xué)元素的化合物的目標(biāo)材料的特征件110。所述沉積工藝可包括將具有在其上形成的特征件108的基材100暴露于含有第一前體和第二前體的前體P的組合。第一前體包含第一目標(biāo)化學(xué)元素和第一反應(yīng)化學(xué)元素的化合物。第二前體包含第二目標(biāo)化學(xué)元素和第二反應(yīng)化學(xué)元素的化合物。

第一目標(biāo)化學(xué)元素和第二目標(biāo)化學(xué)元素是最終會(huì)形成目標(biāo)材料化合物的元素。第一反應(yīng)化學(xué)元素是將與形成特征件108的犧牲材料的犧牲化學(xué)元素一起形成共試劑的第一前體的元素。

犧牲化學(xué)元素與第一反應(yīng)化學(xué)元素反應(yīng)以形成揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物。因此，在與第一前體的反應(yīng)過程中將犧牲化學(xué)元素從基材100上去除，并用固體形式的第一目標(biāo)化學(xué)元素替代犧牲化學(xué)元素。沉積在基材100上的第一目標(biāo)化學(xué)元素與第二前體反應(yīng)，形成第一和第二目標(biāo)化學(xué)元素的固體化合物，其中第二前體的第二反應(yīng)元素形成了揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物。應(yīng)理解，在與第一前體的反應(yīng)過程中犧牲化學(xué)元素的去除可以是循序漸進(jìn)的，這意味著在第一前體的每個(gè)循環(huán)中去除犧牲材料的特征件108的一部分。

如圖1a-c所說明的，基材100可包括緩沖層104，其形成在基材層102之上。緩沖層104包含對(duì)于沉積工藝的前體(P)惰性的材料。因此，緩沖層104可防止下方材料與沉積工藝的前體反應(yīng)。

基材層102可能有不同組成。例如，基材層102可以是硅基(Si)基材，例如絕緣體上硅(SOI)基材。基材層102可是砷化鎵基材、砷磷化鎵基材、砷化銦鎵基材、硅鍺基材、玻璃上硅基材、藍(lán)寶石上硅基材或絕緣體上鍺基材?？赏ㄟ^Al₂O₃層、SiO₂層、Si₃N₄層、過渡金屬二硫?qū)倩?TMDC)層、石墨烯層或金屬層形成緩沖層104。

結(jié)合圖1a-c闡述的方法可應(yīng)用于各種材料體系。

所述方法可用于形成包含過渡金屬的目標(biāo)材料的特征件110。所述沉積工藝可包括將具有在其上形成的特征件108的基材100暴露于含有過渡金屬源(即過渡金屬元素)的前體。

所述前體可包含過渡金屬元素和氟化物/氟離子或氯化物/氯離子的化合物。犧牲材料可由硅(Si)、鋁(Al)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、錫(Sn)或鋯(Zr)形成。這些材料的每一種都能用氯化物基前體或氟化物基前體形成揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物。犧牲材料可是無定形材料或晶體材料。沉積工藝可是(脈沖)化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝。

可通過使由Si、Al、Ti或TiN形成的特征件108在沉積工藝過程中經(jīng)受前體化合物WF₆來形成鎢(W)的特征件110。例如，可在100-500Pa的壓力下在反應(yīng)室中進(jìn)行CVD工藝。反應(yīng)室中的環(huán)境溫度可為100-550℃?？梢?0-700標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘(SCCM)的流速引入前體化合物。

或者W的特征件110可通過在沉積工藝中使特征件108經(jīng)受前體化合物WCl₄、WCl₅、WCl₆或WO₂Cl₂，來用Sn、Ti、Zr、Hf、Al或Ta形成。例如，可用與前述例子中相似的工藝參數(shù)進(jìn)行CVD工藝。

可通過在沉積工藝中使由Sn、Ti、Zr、Hf、Al或Ta形成的特征件108經(jīng)受前體化合物MoCl₃、MoCl₄或MoCl₅來形成鉬(Mo)的特征件110。例如，可用與前述例子中相似的工藝參數(shù)進(jìn)行CVD工藝。

可通過硫化或硒化處理將根據(jù)上文所述形成的過渡金屬(例如W或Mo)的特征件轉(zhuǎn)化成具有化學(xué)通式MX₂(例如WS₂、WSe₂、MoS₂或MoSe₂)的過渡金屬二硫?qū)倩?TMDC)的特征件。硫化和硒化處理是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，因此將不再在本文中詳細(xì)說明。不過，在本文中，為了獲得具有良好電性能的MX₂的特征件的目的，所述工藝可在至少450℃，優(yōu)選至少700℃，或更優(yōu)選在800-1000℃的溫度下進(jìn)行。

結(jié)合圖1a-c所述的方法也可直接用于形成包含MX₂的目標(biāo)材料的特征件110。

所述沉積工藝可包括將具有在其上形成的特征件108的基材100暴露于含有過渡金屬源/元素的第一前體和含有硫?qū)僭卦?元素的第二前體中。

第一前體可包含過渡金屬元素和氟化物/氟離子或氯化物/氯離子的化合物。第二前體可包含硫?qū)僭卦睾蜌銱₂的化合物。可由Si、Al、Ti、TiN、Hf、Sn、Zr或Ta形成犧牲材料。這些材料的每一種都能形成含有氯化物基前體或氟化物基前體的揮發(fā)反應(yīng)產(chǎn)物。犧牲材料可是無定形材料或晶體材料。沉積工藝可是ALD工藝或(脈沖)化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝。

可通過使由Si、Al、Ti、TiN或Hf形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物WF₆和第二前體化合物H₂S來形成WS₂的特征件110。在由Si形成的犧牲材料的情況中，WS₂材料以兩步法反應(yīng)過程形成：

(1)2WF₆^(g)+3Si^(s)->2W^(s)+3SiF₄^(g)

(2)W^(s)+2H₂S^(g)->WS₂^(s)+2H₂^(g)

在由Al、Ti、TiN或Hf形成的犧牲材料(即通過用Al、Ti、TiN或Hf替代反應(yīng)式中出現(xiàn)的Si)的情況下，可以以相應(yīng)的方式描述反應(yīng)過程。在任何情況下，反應(yīng)室中的溫度可大約為400-450℃。

也可通過使由Sn、Ti、Zr、Hf、Al或Ta形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物WCl₄、WCl₅、WCl₆或WO₂Cl₂和第二前體化合物H₂S來形成WS₂的特征件110。

可通過使由Si、Al、Ti、TiN或Hf形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物WF₆和第二前體化合物H₂Se來形成WSe₂的特征件110。

也可通過使由Sn、Ti、Zr、Hf、Al或Ta形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物WCl₄、WCl₅、WCl₆或WO₂Cl₂和第二前體化合物H₂Se來形成WSe₂的特征件110。

可通過使由Si、Al、Ti、TiN或Hf形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物WF₆和第二前體化合物H₂Te來形成WTe₂的特征件110。

也可通過使由Sn、Ti、Zr、Hf、Al或Ta形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物WCl₄、WCl₅、WCl₆或WO₂Cl₂和第二前體化合物H₂Te來形成WTe₂的特征件110。

可通過使由Sn、Ti、Zr、Hf、Al或Ta形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物MoCl₃、MoCl₄或MoCl₅和第二前體化合物H₂S來形成MoS₂的特征件110。

可通過使由Sn、Ti、Zr、Hf、Al或Ta形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物MoCl₃、MoCl₄或MoCl₅和第二前體化合物H₂Se來形成MoSe₂的特征件110。

可通過使由Sn、Ti、Zr、Hf、Al或Ta形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物MoCl₃、MoCl₄或MoCl₅和第二前體化合物H₂Te來形成MoTe₂的特征件110。

結(jié)合圖1a-c所述的方法也可用于形成包含非TMDC的其他類型化合物的目標(biāo)材料的特征件110：

可通過使由Si、Al、Ti、TiN或Hf形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物WF₆和第二前體化合物NH₃來形成氮化鎢(WN)的特征件110。

也可通過使由Sn、Ti、Zr、Hf、Al或Ta形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物WCl₄、WCl₅、WCl₆或WO₂Cl₂和第二前體化合物NH₃來形成WN的特征件110。

可通過使由Si、Al、Ti、TiN或Hf形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物WF₆和包含碳(C)的第二前體化合物來形成碳化鎢(WC)的特征件110。

也可通過使由Sn、Ti、Zr、Hf、Al或Ta形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物WCl₄、WCl₅、WCl₆或WO₂Cl₂和包含C的第二前體化合物來形成WC的特征件110。

可通過使由Si、Al、Ti、TiN或Hf形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物WF₆和第二前體化合物H₂O、O₃等離子體或O₂等離子體來形成鎢氧化物(WO_x)的特征件110。

可通過使由Sn、Ti、Zr、Hf、Al或Ta形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物MoCl₃、MoCl₄或MoCl₅和第二前體化合物H₂O、O₃等離子體或O₂等離子體來形成鉬氧化物(MoO_x)的特征件110。

可通過使由Sn、Ti、Zr、Hf、Al或Ta形成的特征件108經(jīng)受第一前體化合物MoCl₃、MoCl₄或MoCl₅和第二前體化合物NH₃來形成氮化鉬(MoN)的特征件110。

可通過使由Sn、Ti、Zr、Hf、Al或Ta形成的氯化物特征件108經(jīng)受第一前體化合物MoCl₃、MoCl₄或MoCl₅和含C的第二前體化合物來形成碳化鉬(MoC)的特征件110。

圖2a-c示意性地說明了將目標(biāo)材料的特征件110形成成懸置在基材110的水平表面上方的方法。該方法對(duì)上述討論的犧牲材料和目標(biāo)材料的各種組合具有一般適用性。不過，考慮到在制造功率高效的半導(dǎo)體器件方面它們具有有利的電性能，圖2a-c中的方法可特別優(yōu)選地用于形成MX₂材料的懸置特征件110。例如，可使用上文所公開的犧牲材料、目標(biāo)材料以及第一和第二前體的組合由WS₂、WSe₂、WTe₂、MoS₂、MoSe₂或MoTe₂形成特征件110。

圖2a說明了在基材100的緩沖層104上形成的犧牲材料的特征件108?？梢耘c上述結(jié)合圖1a-c討論的相同的方法形成特征件108。

在基材層102上形成支撐特征件112。在特征件108的末端部分形成支撐特征件112。或者，支撐特征件112可跨越特征件108。在這種情況中，特征件108可甚至延伸到支撐特征件112以外以在支撐特征件112的兩個(gè)相反邊上橫向突出。在任何情況中，可在特征件108的相反末端部分上形成對(duì)應(yīng)于支撐特征件112的第二支撐特征件(未在圖2中顯示)，其中將要形成的懸置特征件110可在其兩個(gè)末端被支撐。

與結(jié)合圖1a-c討論的方法類似，進(jìn)行沉積工藝，其中形成特征件108的犧牲材料被形成特征件110的目標(biāo)材料替代。在支撐特征件112跨越特征件108的情況中，被支撐特征件112覆蓋的支撐特征件108的犧牲材料可完全或部分被目標(biāo)材料替代。

圖2b顯示了在緩沖層104上形成的特征件110，其帶有在目標(biāo)特征件110的末端部分形成的支撐特征件112。將支撐特征件112形成成支撐特征件110。出于此目的，可在去除特征件110下方的基材100的材料之前，將支撐特征件112與特征件110的末端部分連接?？赏ㄟ^進(jìn)行退火處理，從而在特征件110和支撐特征件112之間的界面處形成化學(xué)鍵得到所述連接。形成特征件110之后，從基材層102上選擇性地去除緩沖層104。不過支撐特征件112支撐了特征件110，因此特征件110成為懸置在基材層102的水平表面上方。

可在蝕刻工藝中去除緩沖層104。通常，可在蝕刻工藝中去除緩沖層104，所述蝕刻工藝適用于以比蝕刻支撐特征件112的材料、特征件110的目標(biāo)材料和基材層102的材料更高的速率蝕刻緩沖層104。

可通過Al₂O₃層、SiO₂層、Si₃N₄層、TMDC層、石墨烯層或金屬層形成緩沖層104?？捎貌煌诰彌_層104的材料形成支撐特征件112，這使得選擇性地從基材層102上去除緩沖層104而不用去除支撐特征件112。如果由SiO₂形成緩沖層104(例如可用等離子體增強(qiáng)CVD工藝形成)，由具有足夠密度的結(jié)晶的Al₂O₃或Si₃N₄形成支撐特征件112，那么可使用HF基蝕刻劑從基材層102上選擇性地去除緩沖層104。

在基材100不包括緩沖層104的情況中，可直接在基材層102上形成特征件110。在該情況中，可在在其上形成特征件110之后通過去除在特征件110之下的基材層102的材料而減小基材層102的厚度來提供特征件110的懸置。例如可通過蝕刻基材層102直到所需的厚度來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，由此得到所述特征件與基材層102的表面之間所需的垂直間隔。

圖3a-c說明了形成具有增加的并原則上是任意的橫向延伸的目標(biāo)材料的特征件的方法。該方法對(duì)上述討論的犧牲材料和靶材料的各種組合具有一般適用性。不過，考慮到在制造功率高效的半導(dǎo)體器件方面它們具有有利的電性能，圖3a-c中的方法可特別優(yōu)選地用于形成MX₂材料的特征件110。例如，可使用上文所公開的犧牲材料、目標(biāo)材料以及第一和第二前體的組合由WS₂、WSe₂、WTe₂、MoS₂、MoSe₂或MoTe₂形成特征件110。

圖3a和3b分別以透視圖和俯視圖顯示了具有在其上形成的兩個(gè)相互在空間上分布的離散特征件110的基材100。不過該方法不限于兩個(gè)這樣的特征件110，也同樣適用于更少或更多數(shù)量的所述特征件110。

可使用結(jié)合圖1a-c所述的方法，例如通過將犧牲材料層106圖案化成包含所需數(shù)量的離散結(jié)構(gòu)(所述離散結(jié)構(gòu)隨后被目標(biāo)材料的各個(gè)特征件110所替代)來形成特征件110(其可表征為“納米點(diǎn)”)。

優(yōu)選地，可控制犧牲材料的每個(gè)特征件的尺寸，從而目標(biāo)材料的特征件的尺寸變得小于使用常規(guī)方法得到的多晶MX₂膜的晶體的尺寸。這能形成MX₂的單晶特征件。例如可將犧牲材料層106圖案化成包含所需數(shù)量特征件，每個(gè)特征件具有犧牲材料的1-10層單層的厚度和5-10nm的橫向延伸。從而犧牲材料的每個(gè)特征件可用于形成具有相應(yīng)尺寸的目標(biāo)材料的各個(gè)特征件。特征件110可表征為具有一層或多層單層MX₂的二維特征件。

可在模板層114上形成犧牲材料的特征件，其中也可在模板層114上形成特征件110。模板層114的功能是在下文所述的橫向側(cè)生長(zhǎng)過程中控制生長(zhǎng)前鋒的取向。形成模板層114從而在形成模板層114的材料的晶體結(jié)構(gòu)和特征件110的晶體結(jié)構(gòu)之間存在結(jié)晶關(guān)系。例如，可由與形成特征件110的材料不同的藍(lán)寶石、GaN、AlN、石墨烯或薄層MX₂材料形成模板層114。如果不需要控制生長(zhǎng)前鋒，可省略犧牲層114，其中特征件110可直接在基材層102上或在緩沖層104(如果存在)上形成。

在特征件110在基材100上形成的沉積工藝之后，在基材100上進(jìn)行橫向沉積工藝。橫向沉積工藝包括在特征件110的邊緣部分(即垂直表面部分)上沉積形成特征件110的MX₂材料。如圖3所述，橫向生長(zhǎng)工藝的結(jié)果是增加特征件110的橫向尺寸，以形成擴(kuò)大的MX₂特征件116。從而在第一沉積工藝過程中形成的原始特征件110可在橫向生長(zhǎng)過程中作為成核中心。在圖3c中，特征件116例如顯示為三角形形狀。不過更通常地，特征件116可根據(jù)特征件110的初始形狀和/或MX₂材料的晶體結(jié)構(gòu)表示其他形狀。隨著特征件110的橫向尺寸減少，后者的因素可以具有增加重量。

橫向生長(zhǎng)工藝包括含有過渡金屬源(M)的第一前體和含有硫?qū)僭卦?X)的第二前體。在橫向生長(zhǎng)工藝中使用的前體會(huì)導(dǎo)致MX₂材料的沉積，其基本限制了特征件110的垂直表面。換而言之，在特征件110上橫向生長(zhǎng)率會(huì)比垂直生長(zhǎng)率大。該選擇性的結(jié)果是，與MX₂的基面相比，晶體邊緣的反應(yīng)性更高。因此，限制過渡金屬源前體的部分壓力(以得到低的沉積速率)會(huì)導(dǎo)致在特征件110上MX₂材料的顯著橫向沉積。

例如，可在包括氣相前體MoO₃和S的沉積工藝中，在MoS₂的特征件110上橫向生長(zhǎng)MoS₂。反應(yīng)室中的環(huán)境溫度可為650℃。也可在包括前體Mo(CO)₆、(C₂H₅)₂S和H₂的CVD工藝中生長(zhǎng)MoS₂。反應(yīng)室中的環(huán)境溫度可為550℃?？稍诎ㄇ绑wW(CO)₆、(C₂H₅)₂S和H₂的CVD工藝中在WS₂的特征件110上橫向生長(zhǎng)WS₂。在該情況中，反應(yīng)室中的環(huán)境溫度也可為550℃。

圖3d說明了在圖3a-c中所示的工藝的擴(kuò)展。根據(jù)此擴(kuò)展，在特征件110的側(cè)邊上MX₂材料的橫向沉積工藝以形成擴(kuò)大的特征件116之后，通過進(jìn)行另外的橫向沉積工藝在特征件116的垂直表面部分上生長(zhǎng)另外的MX₂材料。如圖3d所述，另外的橫向生長(zhǎng)工藝的結(jié)果是增加特征件116的橫向尺寸，以形成擴(kuò)大的MX₂特征件118。

所述另外的橫向沉積工藝與第一橫向沉積工藝相似，區(qū)別在于沉積的MX₂材料與第一MX₂材料不同。形成特征件116的MX₂材料可表示為MX₂^A。形成特征件118的MX₂材料可表示為MX₂^B。因此，特征件118包括MX₂^A和MX₂^B的雜體系。

圖4a-c說明了形成雜體系的方法，其可用于形成雜結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件。該方法對(duì)上述討論的犧牲材料和靶材料的各種組合具有一般適用性。不過，考慮到在制造功率高效的半導(dǎo)體器件方面它們具有有利的電性能，圖4a-c中的方法可特別優(yōu)選地用于形成MX₂雜體系。例如，可由第一MX₂材料(其可表示為MX₂^A)形成特征件110，可由第二MX₂材料(其可表示為MX₂^B)形成特征件122，其中MX₂^A和MX₂^B可選自下組：WS₂、WSe₂、WTe₂、MoS₂、MoSe₂和MoTe₂。

圖4a是基材100的俯視圖，其中形成了一些犧牲材料的離散特征件108?？墒褂媒Y(jié)合圖1a所述的方法形成特征件108，包括將犧牲材料層106圖案化成包括所需數(shù)量的犧牲材料的特征件108。如結(jié)合圖3a所述的，可通過將犧牲材料層106圖案化成包含所需數(shù)量的特征件，每個(gè)特征件具有犧牲材料的1-10層單層的厚度以及5-10nm的橫向延伸，來形成特征件108(例如“納米簇”)。

與結(jié)合圖3a-c所述的方法相似，可任選地在模板層114上形成犧牲材料的特征件108。

所述方法還包括在基材100上形成一組掩模部分120，其相互隔開從而在每對(duì)相鄰的掩模部分之間形成溝槽。掩模部分120與特征件108對(duì)齊，從而每個(gè)特征件108排布在各個(gè)溝槽中?？衫缬葾l₂O₃、Si₃N₄、SiO₂、ZrO₂、HfO₂或hBN形成掩模部分120。

參見圖4b，與上述方法相似，隨后用目標(biāo)材料MX₂^A的特征件110替代特征件108。每個(gè)特征件110可表征為具有一層或多層單層MX₂^A的二維納米簇。

在特征件110在基材100上形成的沉積工藝之后，在基材100上進(jìn)行橫向生長(zhǎng)工藝。橫向生長(zhǎng)工藝包括在特征件110的垂直表面部分上生長(zhǎng)MX₂^B材料的層。由于掩模部分120，橫向生長(zhǎng)發(fā)生在每個(gè)暴露的(即沒有被掩模部分覆蓋的)特征件110的垂直表面部分上。

如圖4c中所示，橫向生長(zhǎng)工藝的結(jié)果是在掩模部分120之間的溝槽中，每組特征件122/110/122形成了MX₂^B/MX₂^A/MX₂^B的雜體系。

任選地，生長(zhǎng)MX₂^B特征件122之后可去除掩模部分120。可通過對(duì)掩模部分的選擇性蝕刻去除該掩模部分。例如，如果由無定形Al₂O₃形成掩模部分120，那么可使用HF基蝕刻劑或合適的液體溶劑來去除掩模部分120。

例如，可以與結(jié)合圖3c和3d所示的相同方法在特征件WS₂上生長(zhǎng)MoS₂的特征件122。

作為在犧牲特征件108之后且在MX₂^A特征件之前形成掩模部分120組的替代方式，可在形成MX₂^A特征件110之后且在形成MX₂^B特征件122之前形成掩模部分120。

作為另一替代，可在基材上形成犧牲材料層之前在基材100上形成掩模部分120組。因此可在被掩模部分120暴露的基材100的表面部分上形成犧牲材料層。隨后可通過在溝槽中圖案化所示犧牲材料層部分來形成特征件108。

在上文中，主要參考有限數(shù)量的實(shí)施例來闡述本發(fā)明概念。不過，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)容易地理解，除了上文中公開的實(shí)施例外的在本發(fā)明概念的范圍內(nèi)，如所附權(quán)利要求書所限定的其它實(shí)施例也是可能的。