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      石墨烯器件及其制造方法

      文檔序號(hào):7164764閱讀:295來(lái)源:國(guó)知局
      專利名稱:石墨烯器件及其制造方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù),更具體地說(shuō),涉及一種石墨烯器件及其制造方法。
      背景技術(shù)
      當(dāng)前,針對(duì)前瞻性先導(dǎo)研究,國(guó)際上最關(guān)心的是llnm-16nm技術(shù)代以后,CMOS器件是否還能像現(xiàn)在這樣仍基于硅半導(dǎo)體襯底。一個(gè)研究熱點(diǎn)是開(kāi)發(fā)新的具有更高載流子遷移率的材料體系和新的技術(shù)手段來(lái)進(jìn)一步延展摩爾定律和超越硅CMOS (Beyond S1-CMOS),推進(jìn)集成電路技術(shù)的發(fā)展。石墨烯材料以其優(yōu)異的物理性質(zhì)得到了廣泛的關(guān)注,比如其高的載流子遷移率、高導(dǎo)電性能以及高導(dǎo)熱性能等,是被人們很看好的一種碳基材料。雖然石墨烯材料展現(xiàn)出了很多優(yōu)異的物理特性,但使其作為高遷移率溝道材料在CMOS器件中的應(yīng)用并不成熟。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明解決的問(wèn)題是提供一種石墨烯器件及其制造方法,自對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)背柵結(jié)構(gòu)的石墨烯器件。為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明實(shí)施例提供了如下技術(shù)方案:一種石墨烯器件的制造方法,包括:提供襯底,所述襯底包括絕緣層以及其上的半導(dǎo)體層;在所述半導(dǎo)體層中形成背柵極,以及在背柵極上形成柵介質(zhì)層、在柵介質(zhì)層上形成石墨烯層,以及在所述背柵極兩側(cè)形成與背柵極電連接的背柵接觸層;在所述背柵接觸層上形成背柵接觸塞,以及在所述背柵極上形成源漏接觸塞。可選地,在所述半導(dǎo)體層中形成背柵極,以及在背柵極上形成柵介質(zhì)層、在柵介質(zhì)層上形成石墨烯層,以及在所述背柵極兩側(cè)形成與背柵極電連接的接觸層的步驟包括:在所述半導(dǎo)體層上依次覆蓋柵介質(zhì)材料和石墨烯材料;進(jìn)行圖案化,依次刻蝕石墨烯材料、柵介質(zhì)材料以及部分厚度的半導(dǎo)體層,以分別形成石墨烯層、柵介質(zhì)層及背柵極,其中,所述背柵極兩側(cè)的半導(dǎo)體層為與背柵極電連接的背柵接觸層??蛇x地,在形成石墨烯層、柵介質(zhì)層及背柵極后,還包括步驟:在所述背柵極兩側(cè)半導(dǎo)體層中以及背柵極的側(cè)壁上形成金屬硅化物層,所述背柵極兩側(cè)的金屬硅化物層為背柵接觸層??蛇x地,所述石墨烯層與柵介質(zhì)層間具有BN層??蛇x地,所述襯底為SOI襯底,所述半導(dǎo)體層為SOI襯底的頂層硅,所述絕緣層為SOI襯底的埋氧層。此外,本發(fā)明還提供了上述方法形成的石墨烯器件,包括:背柵極;背柵極上柵介質(zhì)層,以及柵介質(zhì)層上的石墨烯層;
      位于背柵極兩側(cè)與背柵極電連接的背柵接觸層;背柵接觸層上的背柵接觸塞,以及背柵極上的源漏接觸塞??蛇x地,所述背柵接觸層為與背柵極一體的半導(dǎo)體層??蛇x地,還包括:在所述背柵極的側(cè)壁上的連接層,所述背柵接觸層與所述連接層為連接一體的金屬硅化物層??蛇x地,還包括:位于所述石墨烯層與柵介質(zhì)層間的BN層。與現(xiàn)有技術(shù)相比,上述技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明實(shí)施例的石墨烯器件及其制造方法,利用襯底中的半導(dǎo)體層形成背柵極,從而實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)地形成背柵結(jié)構(gòu)的石墨烯器件,其制造方法簡(jiǎn)單,具有同現(xiàn)有CMOS工藝較好的兼容性。


      通過(guò)附圖所示,本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖,重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。圖1為根據(jù)本發(fā)明的石墨烯器件的制造方法流程圖;圖2-圖8為本發(fā)明實(shí)施例一公開(kāi)的石墨烯器件制造方法的剖面圖;圖9-15為本發(fā)明實(shí)施例二公開(kāi)的石墨烯器件制造方法的剖面圖。
      具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂,下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
      做詳細(xì)的說(shuō)明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明,但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣,因此本發(fā)明不受下面公開(kāi)的具體實(shí)施例的限制。其次,本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述,在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí),為便于說(shuō)明,表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大,而且所述示意圖只是示例,其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外,在實(shí)際制作中應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。正如背景技術(shù)中所述的,石墨烯材料雖然具有眾多優(yōu)異的物理性能,但在CMOS器件中的應(yīng)用還并不成熟,為此,本發(fā)明提出了一種石墨烯器件的制造方法,通過(guò)在襯底中的半導(dǎo)體層形成背柵極,從而實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)地形成背柵結(jié)構(gòu)的石墨烯器件,其制造方法簡(jiǎn)單,具有同現(xiàn)有CMOS工藝較好的兼容性。所述石墨烯器件的制造方法包括:提供襯底,所述襯底包括絕緣層以及其上的半導(dǎo)體層;在所述半導(dǎo)體層中形成背柵極,以及在背柵極上形成柵介質(zhì)層、在柵介質(zhì)層上形成石墨烯層,以及在所述背柵極兩側(cè)形成與背柵極電連接的背柵接觸層;在所述背柵接觸層上形成背柵接觸塞,以及在所述背柵極上形成源漏接觸塞。以上為本發(fā)明的石墨烯器件的制造方法,通過(guò)在襯底中的半導(dǎo)體層形成背柵極,從而實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)地形成背柵結(jié)構(gòu)的石墨烯器件。
      為了更好地理解本發(fā)明,以下將結(jié)合本發(fā)明半導(dǎo)體器件的制造方法流程圖和具體實(shí)施例的制造過(guò)程剖面圖,對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。實(shí)施例一參考圖1,圖1為本發(fā)明石墨烯器件的制造方法流程圖。在步驟S01,提供襯底200,所述襯底200包括絕緣層200_2以及其上的半導(dǎo)體層200-1,參考圖2所示。在本發(fā)明中,所述襯底可以為具有絕緣層和絕緣層上的半導(dǎo)體層的復(fù)合襯底,所述半導(dǎo)體層用來(lái)形成石墨烯器件的背柵極。在本實(shí)施例中,所述襯底可以是SOI襯底200,如圖2所示,所述SOI襯底200包括頂層硅200-1、埋氧化層200-2以及背襯底200-3,所述埋氧化層200-2即為襯底的絕緣層,所述頂層硅200-1即為襯底的半導(dǎo)體層。在步驟S02,在所述半導(dǎo)體層中形成背柵極208,以及在背柵極208上形成柵介質(zhì)層202、在柵介質(zhì)層202上形成石墨烯層206,以及在所述背柵極兩側(cè)形成與背柵極208電連接的背柵接觸層210,參考圖4(俯視圖)和圖5(圖4的AA’向視圖)所示。在本實(shí)施例中,具體地,首先,在所述半導(dǎo)體層200-1上依次覆蓋柵介質(zhì)材料202和石墨烯材料206,如圖3所示。其中,可以通過(guò)熱生長(zhǎng)或淀積形成柵介質(zhì)材料,所述柵介質(zhì)材料202可以為二氧化硅、氮氧化硅或高k介質(zhì)材料(相對(duì)于二氧化硅具有高的介電常數(shù)),高k介質(zhì)材料例如鉿基氧化物,HF02、HfSiO, HfSiON, HfTaO, HfTiO等,厚度可以為10 100A??梢岳肅VD、熱分解法、微機(jī)械剝離法,以及他們的鍵合轉(zhuǎn)移法或其他合適的方法來(lái)形成單層或多層的石墨烯材料,所述石墨烯材料206的厚度可以為2 20A,優(yōu)選地,可以依次淀積柵介質(zhì)材料202、BN層204和石墨烯層206,在柵介質(zhì)材料和石墨烯層之間形成BN(氮化硼)層204,所述BN層可以為單層或多層晶體結(jié)構(gòu),厚度可以為2 40A,由于BN層為T(mén)K邊形晶格結(jié)構(gòu),具有同石墨稀材料206基本匹配的晶格結(jié)構(gòu),從而減小由柵介質(zhì)材導(dǎo)致的石墨烯的遷移率的降低。而后,進(jìn)行圖案化,例如采用RIE(反應(yīng)離子刻蝕)的方法,依次刻蝕石墨烯材料206、柵介質(zhì)材料202以及部分厚度的半導(dǎo)體層200-1,如圖5所示,以分別形成石墨烯層206、柵介質(zhì)層202及背柵極208,其中,所述背柵極208兩側(cè)的半導(dǎo)體層200-1為與背柵極電連接的背柵接觸層210。在更優(yōu)的實(shí)施例中,可以依次刻蝕石墨烯材料206、BN層204、柵介質(zhì)材料202以及部分厚度的半導(dǎo)體層200-1,以分別形成石墨烯層206、BN層204、柵介質(zhì)層202及背柵極208。在本實(shí)施例中,利用襯底200中的半導(dǎo)體層200-1形成了背柵極208,并且由于只部分刻蝕了半導(dǎo)體層200-1,保留了背柵極208下以及兩側(cè)的半導(dǎo)體層200-1,如圖5所示,背柵極208兩側(cè)的半導(dǎo)體層200-1作為背柵接觸層210,也就是說(shuō),該背柵接觸層210與背柵極208是電連接在一起的,這樣,當(dāng)在其上形成接觸塞以后,可以通過(guò)該背柵極208兩側(cè)的半導(dǎo)體層200-1實(shí)現(xiàn)背柵極的電導(dǎo)通。在步驟S03,在所述背柵接觸層上形成背柵接觸塞,以及在所述背柵極上形成源漏接觸塞,參考圖6(俯視圖)、圖7(圖6的BB’向視圖)和圖8(圖6的AA’向視圖)所示。在本實(shí)施例中,具體來(lái)說(shuō),首先,形成覆蓋上述器件的層間介質(zhì)層212,可以通過(guò)在所述器件上沉積介質(zhì)材料,例如SiO2,而后將其平坦化,例如CMP (化學(xué)機(jī)械拋光)的方法,形成層間介質(zhì)層212,參考圖7所示,所述層間介質(zhì)層212可以是但不限于例如未摻雜的氧化硅(SiO2)、摻雜的氧化硅(如硼硅玻璃、硼磷硅玻璃等)和氮化硅(Si3N4)15而后,通過(guò)掩膜刻蝕所述層間介質(zhì)層212,暴露所述石墨烯層206以及背柵接觸層210以形成接觸孔(圖未示出),而后,用金屬材料,例如W、Cu等,填充所述接觸孔以形成背柵接觸塞214及源漏接觸塞216,如圖7、圖8所示。至此,形成了本實(shí)施例的石墨烯器件,通過(guò)刻蝕部分厚度的半導(dǎo)體層,在襯底中的半導(dǎo)體層中形成了背柵極,且背柵極兩側(cè)的半導(dǎo)體層可以作為背柵接觸層,實(shí)現(xiàn)對(duì)背柵極的電連接,工藝簡(jiǎn)單易行。實(shí)施例二以上對(duì)實(shí)施例一的石墨烯器件的制造方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述,下面將僅就實(shí)施例二區(qū)別于實(shí)施例一的方面進(jìn)行闡述。未描述的部分應(yīng)當(dāng)認(rèn)為與實(shí)施例一采用了相同的步驟、方法或者工藝來(lái)進(jìn)行,因此在此不再贅述。在步驟SOI’,提供襯底200,所述襯底200包括絕緣層200_2以及其上的半導(dǎo)體層200_1,參考圖2所示。同實(shí)施例一的步驟S01。在步驟S02’,在所述半導(dǎo)體層中形成背柵極208,以及在背柵極208上形成柵介質(zhì)層202、在柵介質(zhì)層202上形成石墨烯層206,以及在所述背柵極兩側(cè)形成與背柵極208電連接的背柵接觸層220,參考圖11(俯視圖)和圖12 (圖11的AA’向視圖)所示。在本實(shí)施例中,具體地,首先,在所述半導(dǎo)體層200-1上依次覆蓋柵介質(zhì)材料202和石墨烯材料206,如圖3所示。而后,進(jìn)行圖案化,例如采用RIE(反應(yīng)離子刻蝕)的方法,依次刻蝕石墨烯材料206、柵介質(zhì)材料202以及部分厚度的半導(dǎo)體層200-1,如圖5所示,以分別形成石墨烯層206、柵介質(zhì)層202及背柵極208,或者,更優(yōu)地,還在石墨烯層206與柵介質(zhì)層202之間形成BN層204,這些步驟都同實(shí)施例一中S02中的步驟。不同的是,在形成石墨烯層206、柵介質(zhì)層202及背柵極208之后,在所述背柵極208兩側(cè)半導(dǎo)體層中以及背柵極208的側(cè)壁上形成金屬硅化物層220,參考圖15所示??梢酝ㄟ^(guò)自對(duì)準(zhǔn)金屬硅化的方法形成所述金屬硅化物層,即,如圖9 (俯視圖)、圖10(圖9的AA’向視圖)所示,在上述器件上覆蓋金屬材料218,例如Co、Pt、Ni等,金屬材料218同與其接觸的背柵極208兩側(cè)的半導(dǎo)體層200-1及背柵極的側(cè)壁反應(yīng),在背柵極208兩側(cè)的半導(dǎo)體層200-1中以及背柵極的側(cè)壁形成了金屬硅化物層,背柵極208兩側(cè)的半導(dǎo)體層200-1足夠薄時(shí),金屬材料與其完全反應(yīng),背柵極208兩側(cè)全部轉(zhuǎn)化為金屬硅化物層220,如圖11(俯視圖)、圖12(圖11的AA’向視圖)所示。所述背柵極208兩側(cè)的金屬硅化物層220為背柵接觸層,背柵極208側(cè)壁的金屬硅化物層220為連接層,該背柵接觸層通過(guò)背柵極208側(cè)壁的金屬硅化物層220將其同背柵極220是電連接在一起的,這樣,當(dāng)在背柵極208兩側(cè)的金屬硅化物層220上形成接觸塞以后,可以通過(guò)該金屬硅化物層220實(shí)現(xiàn)背柵極的電導(dǎo)通,同時(shí),減小柵電極的電阻以及接觸電阻。在步驟S03’,在所述背柵接觸層上形成背柵接觸塞,以及在所述背柵極上形成源漏接觸塞,參考圖13(俯視圖)、圖14 (圖13的BB’向視圖)和圖15 (圖13的AA’向視圖)所示。
      同實(shí)施例一的步驟S03。以上對(duì)本發(fā)明的石墨烯器件的制造方法及實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的描述,此外,本發(fā)明還提供了上述方法制造的石墨烯器件,參考圖6-8、13-15所示,所述石墨烯器件包括:背柵極208 ;背柵極208上柵介質(zhì)層202,以及柵介質(zhì)層202上的石墨烯層206 ;位于背柵極208兩側(cè)與背柵極208電連接的背柵接觸層210、220 ;背柵接觸層210、220上的背柵接觸塞214,以及背柵極208上的源漏接觸塞216。其中,所述背柵接觸層210可以為與背柵極208 —體的半導(dǎo)體層200_1,即,通過(guò)與背柵極208 —體的半導(dǎo)體層200-1實(shí)現(xiàn)與背柵極的電連接,如圖8所示。此外,所述器件還可以包括背柵極208側(cè)壁上的連接層,所述背柵接觸層與所述連接層為連接一體的金屬硅化物層220,即,所述背柵接觸層與所述連接層為相同材料且在同一步驟同時(shí)形成的金屬硅化物層,以實(shí)現(xiàn)同背柵極的電連接。如圖15所示。此外,還可以包括:位于所述石墨烯層與柵介質(zhì)層間的BN層。以上所述,僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上,然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下,都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾,或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此,凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容,依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
      權(quán)利要求
      1.一種石墨烯器件的制造方法,其特征在于,包括: 提供襯底,所述襯底包括絕緣層以及其上的半導(dǎo)體層; 在所述半導(dǎo)體層中形成背柵極,以及在背柵極上形成柵介質(zhì)層、在柵介質(zhì)層上形成石墨烯層,以及在所述背柵極兩側(cè)形成與背柵極電連接的背柵接觸層; 在所述背柵接觸層上形成背柵接觸塞,以及在所述背柵極上形成源漏接觸塞。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法,其特征在于,在所述半導(dǎo)體層中形成背柵極,以及在背柵極上形成柵介質(zhì)層、在柵介質(zhì)層上形成石墨烯層,以及在所述背柵極兩側(cè)形成與背柵極電連接的接觸層的步驟包括: 在所述半導(dǎo)體層上依次覆蓋柵介質(zhì)材料和石墨烯材料; 進(jìn)行圖案化,依次刻蝕石墨烯材料、柵介質(zhì)材料以及部分厚度的半導(dǎo)體層,以分別形成石墨烯層、柵介質(zhì)層及背柵極,其中,所述背柵極兩側(cè)的半導(dǎo)體層為與背柵極電連接的背柵接觸層。
      3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法,其特征在于,在形成石墨烯層、柵介質(zhì)層及背柵極后,還包括步驟:在所述背柵極兩側(cè)半導(dǎo)體層中以及背柵極的側(cè)壁上形成金屬硅化物層,所述背柵極兩側(cè)的金屬硅化物層為背柵接觸層。
      4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述石墨烯層與柵介質(zhì)層間具有BN層。
      5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的制造方法,其特征在于,所述襯底為SOI襯底,所述半導(dǎo)體層為SOI襯底的頂層硅,所述絕緣層為SOI襯底的埋氧層。
      6.一種石墨烯器件,其特征在于,包括: 背柵極; 背柵極上柵介質(zhì)層,以及柵介質(zhì)層上的石墨烯層; 位于背柵極兩側(cè)與背柵極電連接的背柵接觸層; 背柵接觸層上的背柵接觸塞,以及背柵極上的源漏接觸塞。
      7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件,其特征在于,所述背柵接觸層為與背柵極一體的半導(dǎo)體層。
      8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件,其特征在于,還包括:在所述背柵極的側(cè)壁上的連接層,所述背柵接觸層與所述連接層為連接一體的金屬硅化物層。
      9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件,其特征在于,還包括:位于所述石墨烯層與柵介質(zhì)層間的BN層。
      全文摘要
      本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種石墨烯器件的制造方法,包括提供襯底,所述襯底包括絕緣層以及其上的半導(dǎo)體層;在所述半導(dǎo)體層中形成背柵極,以及在背柵極上形成柵介質(zhì)層、在柵介質(zhì)層上形成石墨烯層,以及在所述背柵極兩側(cè)形成與背柵極電連接的背柵接觸層;在所述背柵接觸層上形成背柵接觸塞,以及在所述背柵極上形成源漏接觸塞。通過(guò)利用襯底中的半導(dǎo)體層形成背柵極,從而實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)地形成背柵結(jié)構(gòu)的石墨烯器件,其制造方法簡(jiǎn)單,具有同現(xiàn)有CMOS工藝較好的兼容性。
      文檔編號(hào)H01L29/423GK103107077SQ201110360220
      公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
      發(fā)明者梁擎擎, 金智, 鐘匯才, 朱慧瓏, 劉新宇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所
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