半導(dǎo)體器件制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件制造方法。一種石墨烯器件的制造方法，基于側(cè)墻的雙重圖形化的工藝，利用傳統(tǒng)晶體管中制作側(cè)墻的工藝制作硬掩膜圖形，具有工藝簡單、線條寬度窄、邊緣平滑、與CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，利用先進(jìn)的淀積技術(shù)，可以將石墨烯制作成寬度10nm甚至5nm以下的邊緣平滑的石墨烯納米帶，以產(chǎn)生足夠的能隙以使石墨烯器件在室溫下有足夠的開關(guān)比。
【專利說明】半導(dǎo)體器件制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制造方法領(lǐng)域，特別地，涉及一種基于側(cè)墻雙重圖形化的石墨烯納米帶器件的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自第一個(gè)晶體管誕生以來，集成電路在一系列的創(chuàng)新性工作的推動(dòng)下一直以驚人的速度發(fā)展。如今娃基集成電路的特征尺寸已經(jīng)降到22nm, 16nm、14nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)也取得了很多進(jìn)展。然而，如何繼續(xù)以一個(gè)高速的發(fā)展模式推動(dòng)集成電路發(fā)展已經(jīng)成為一個(gè)不得不去思考的問題。近年來新材料、新工藝、新器件不斷的涌現(xiàn)，尤其是新型材料得到了更加廣泛的關(guān)注，何種材料能在后硅時(shí)代占領(lǐng)新的高地已經(jīng)成為各國科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。
[0003]石墨烯作為一種二維的新型材料自2004年被制備出來以后就獲得了廣泛的關(guān)注，迅速成為了研究熱點(diǎn)。其中，最引人注目的是把石墨烯作為溝道材料制作晶體管。由于石墨烯在室溫下具有超高的載流子遷移率，因而石墨烯晶體管將具有更好的性能。然而，石墨烯本身不具有能隙，因此石墨烯晶體管不能有高的開關(guān)比，不能被用于需求高開關(guān)比的應(yīng)用中。如何打開石墨稀的能隙提聞石墨稀器件的開關(guān)比成為擺在眾多石墨稀研究人員面前的一個(gè)難題。
[0004]目前，打開石墨烯能帶的方法主要有三種:一、將石墨烯制作成納米帶；二、對(duì)石墨烯施加應(yīng)力；三、在雙層石墨烯中施加垂直電場(chǎng)。其中，第一種方法是最為方便也是受到最多研究的一種方法。然而如何制備可以打開足夠能隙的石墨烯納米帶，對(duì)目前的工藝手段提出了更高的要求。
[0005]為了利用當(dāng)前的工藝手段制備出石墨烯納米帶，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)都提出了一些有特色的辦法，其中有:電子束曝光技術(shù)、化學(xué)方法的可向異性刻蝕、聲化學(xué)方法、碳納米管裁剪法、碳化硅基外延、有機(jī)合成、金屬模板直接生長等。但是，這些方法中只有個(gè)別的可以提供大規(guī)模集成使用，但是卻不能提供足夠窄的納米條帶和足夠平滑的邊緣。
[0006]因此，需要提供一種新的制造方法，在現(xiàn)有集成電路工藝的基礎(chǔ)上，大規(guī)模地提供所需求的石墨烯納米條帶器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)目前石墨烯納米帶制備存在的問題，例如納米帶寬度無法縮窄、邊緣粗糙、無法大規(guī)模集成等，本發(fā)明提出了一種使用基于側(cè)墻雙重圖形化的石墨烯納米帶器件的結(jié)構(gòu)和制造工藝。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件制造方法，其中，包括如下步驟:
[0009]提供襯底；
[0010]在所述襯底上形成石墨烯層；
[0011 ] 在所述石墨烯層上形成第一介質(zhì)層；[0012]各向異性地刻蝕所述第一介質(zhì)層，以在所述第一介質(zhì)層中形成突塊結(jié)構(gòu)；
[0013]在所述第一介質(zhì)層上各向同性地沉積第二介質(zhì)層；
[0014]各向異性地刻蝕所述第二介質(zhì)層，以使所述第二介質(zhì)層僅留存于所述突塊結(jié)構(gòu)的側(cè)面上，留存的所述第二介質(zhì)層成為掩模側(cè)墻；
[0015]以所述掩模側(cè)墻為掩模，各向異性地刻蝕所述第一介質(zhì)層和所述石墨烯層，從而獲得所需的石墨烯納米帶。
[0016]在本發(fā)明的方法中，所述第二介質(zhì)層的材料為二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化鋁、氧化鉿或氮化鈦，沉積工藝為CVD或ALD，厚度為l-10nm。
[0017]在本發(fā)明的方法中，所述石墨烯層的層數(shù)為1-3層，所述石墨烯層采用CVD直接生長或采用物理轉(zhuǎn)移方式移至所述襯底上。
[0018]在本發(fā)明的方法中，所述第二介質(zhì)層材料與第一介質(zhì)層材料不同。
[0019]在本發(fā)明的方法中，在各向異性地刻蝕所述第一介質(zhì)層和所述石墨烯層，獲得所需的石墨烯納米帶之后，去除所述掩模側(cè)墻和剩余的所述第一介質(zhì)層。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件，其包括根據(jù)本發(fā)明方法制造的石墨烯納米帶，其包括:
[0021]襯底，位于所述襯底內(nèi)的阱區(qū)；
[0022]柵極和柵介質(zhì)層；
[0023]所述柵介質(zhì)層將所述石墨烯納米帶與所述柵極隔離；
[0024]與所述石墨烯納米帶接觸的金屬接觸。
[0025]在本發(fā)明的器件中，所述器件為背柵結(jié)構(gòu)或頂柵結(jié)構(gòu)。
[0026]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:基于側(cè)墻的雙重圖形化的工藝?yán)脗鹘y(tǒng)晶體管中制作側(cè)墻的工藝制作硬掩膜圖形，具有工藝簡單、線條寬度窄、邊緣平滑、與CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，利用先進(jìn)的淀積技術(shù)，可以將石墨烯制作成寬度IOnm甚至5nm —下的邊緣平滑的石墨烯納米帶，以產(chǎn)生足夠的能隙以使石墨烯器件在室溫下有足夠的開關(guān)比。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1-6本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法流程及其結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖7-8根據(jù)本發(fā)明制造的半導(dǎo)體器件示例。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下，通過附圖中示出的具體實(shí)施例來描述本發(fā)明。但是應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。
[0030]首先，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件制造方法，利用側(cè)墻雙重圖形化的掩模技術(shù)形成石墨烯納米帶，其制造流程參見附圖1-6。
[0031]首先，參見附圖1，提供襯底I。本發(fā)明中的襯底I可以是經(jīng)過了至少一步工藝加工的襯底，可以是體硅，鍺硅，玻璃等，具體材料的選擇視所要制造的器件結(jié)構(gòu)和類型而定。接著，在襯底I上形成石墨烯層2。石墨烯層2的形成工藝包括但不限于CVD直接生長或采用物理轉(zhuǎn)移方式移至襯底I上。石墨烯層2可以包含一層或者多層石墨烯，層數(shù)可以根據(jù)器件具體需求而定，通常其層數(shù)為1-3層。
[0032]接著，參見附圖2，在石墨烯層2上形成第一介質(zhì)層3。其中，第一介質(zhì)層3的材料通常采用絕緣材料，包括但不限于二氧化硅，氮化硅。第一介質(zhì)層3的形成工藝包括CVD、ALD，其厚度不做具體限定，需要根據(jù)隨后的側(cè)墻形成來選擇合適的厚度。
[0033]接著，參見附圖3，各向異性地刻蝕第一介質(zhì)層3，以在第一介質(zhì)層3中形成突塊結(jié)構(gòu)31。具體包括:在第一介質(zhì)層3上涂覆光刻膠并曝光，使得突塊結(jié)構(gòu)31所在的位置之上有光刻膠保護(hù)，然后各向異性地刻蝕第一介質(zhì)層3，即可在第一介質(zhì)層3中獲得突塊結(jié)構(gòu)31。為了不損傷第一介質(zhì)層3之下的石墨烯層2,未被光刻膠覆蓋的第一介質(zhì)層3僅被刻蝕部分厚度，而并不被完全刻蝕。由于采用了各向異性刻蝕技術(shù)，突塊結(jié)構(gòu)31具有基本上垂直的側(cè)面。
[0034]接著，參見附圖4，在第一介質(zhì)層3上各向同性地沉積第二介質(zhì)層4。由于第二介質(zhì)層4的材料在隨后的工藝中會(huì)被形成為刻蝕第一介質(zhì)層3和石墨烯層2的掩模，因此，第二介質(zhì)層4的材料應(yīng)與第一介質(zhì)層3具有較大的刻蝕差異性，也即，在對(duì)第一介質(zhì)層3和石墨烯層2進(jìn)行刻蝕時(shí)，第二介質(zhì)層4的材料很少損失。第二介質(zhì)層4的材料通常為絕緣材料，例如二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，另外，也可使用金屬及金屬氮化物、金屬氧化物材料，例如氮化鈦、鎢、氧化鋁、氧化鉿等等，其中，基于前述的刻蝕差異性的考慮，第二介質(zhì)層4的材料與第一介質(zhì)層3的材料不同。第二介質(zhì)層4的形成工藝采用保形性良好的沉積工藝，例如CVD、ALD，使得第二介質(zhì)層4可以完全覆蓋第一介質(zhì)層3中突塊結(jié)構(gòu)31的側(cè)面。同時(shí)，第二介質(zhì)層4的厚度還決定了隨后形成的掩模的寬度，優(yōu)選地，第二介質(zhì)層4的厚度為
I?IOnm0
[0035]接著，參見附圖5，各向異性地刻蝕第二介質(zhì)層4，以使第二介質(zhì)層4僅留存于突塊結(jié)構(gòu)31的側(cè)面上，留存的第二介質(zhì)層4成為掩模側(cè)墻5。該步各向異性刻蝕通常為回刻蝕工藝，具體包括反應(yīng)離子刻蝕、離子束刻蝕等等。
[0036]接著，參見附圖6，以掩模側(cè)墻5為掩模，各向異性地刻蝕第一介質(zhì)層3和石墨烯層2，剩余的石墨烯層2即為所需的石墨烯納米帶21。在此步驟中，各向異性刻蝕為垂直于襯底表面方向的刻蝕，例如反應(yīng)離子刻蝕、離子束刻蝕等，被掩模側(cè)墻5保護(hù)的部分第一介質(zhì)層3和石墨烯層2不會(huì)受到刻蝕。該步驟刻蝕可以分兩步，先后刻蝕去除第一介質(zhì)層3和石墨烯層2，也可以在同一步驟中同時(shí)去除第一介質(zhì)層3和石墨烯層2。所形成的石墨烯納米帶21的寬度由掩模側(cè)墻5的寬度限定，而掩模側(cè)墻5的寬度由第二介質(zhì)層4的厚度限定。根據(jù)本發(fā)明的側(cè)墻掩模技術(shù)，由于第二介質(zhì)層4的厚度在1-1Onm范圍，所以，獲得的石墨烯納米帶21的寬度可以在IOnm以內(nèi)，更加優(yōu)選地可以控制在5nm以內(nèi)，并且，由于工藝的特點(diǎn)，所獲得的石墨烯納米帶21具有光滑的邊緣。
[0037]在隨后的步驟中，可以視具體需求去除或保留掩模側(cè)墻5以及剩余的第一介質(zhì)層3。
[0038]至此，已經(jīng)詳細(xì)介紹了本發(fā)明基于側(cè)墻雙重圖形化(即第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層的圖形化)的工藝形成石墨烯納米帶的工藝。根據(jù)本發(fā)明的方法，可以在多種晶體管結(jié)構(gòu)中形成石墨烯納米帶。參見附圖7和附圖8，圖示了一種根據(jù)本發(fā)明方法制造的采用石墨烯納米帶作為溝道材料的晶體管結(jié)構(gòu)。其中，圖7為截面圖，圖8為俯視圖，圖7是沿圖8中AA線方向的截面圖。[0039]在圖7和圖8中的晶體管，包括襯底10，阱區(qū)11 (N阱或P阱)，柵極注入?yún)^(qū)12 (P+或N+)，柵介質(zhì)層13，石墨烯納米帶14，金屬接觸15。圖8中的柵極注入?yún)^(qū)12以虛線圖示，意味著其位于下層，同時(shí)，為了更好地示意下層結(jié)構(gòu)，圖8中未顯示圖7中的柵介質(zhì)層13。當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明制造的器件結(jié)構(gòu)不限于此，可以形成其它的背柵或頂柵器件。
[0040]在本發(fā)明的方法中，對(duì)第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層進(jìn)行圖案化，形成可以精確控制寬度的側(cè)墻，并且，以此側(cè)墻作為掩模，可以制備出寬度低于IOnm甚至低于5nm的石墨烯納米帶，并且，除了納米帶之外，根據(jù)本發(fā)明的方法，同樣可以形成其它各種納米結(jié)構(gòu)，依掩模的圖形而定。根據(jù)本發(fā)明方法獲得的石墨烯納米帶，具有平滑的邊緣，可以使石墨烯器件在室溫下具有高開關(guān)比，擴(kuò)展了石墨烯器件的使用范圍。同時(shí)，本發(fā)明的工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，可以大規(guī)模集成，為此后石墨烯在大規(guī)模集成電路上的應(yīng)用提供了方便。
[0041]以上參照本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明予以了說明。但是，這些實(shí)施例僅僅是為了說明的目的，而并非為了限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等價(jià)物限定。不脫離本發(fā)明的范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出多種替換和修改，這些替換和修改都應(yīng)落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件制造方法，用于制造石墨烯器件，其中，包括如下步驟: 提供襯底； 在所述襯底上形成石墨烯層； 在所述石墨烯層上形成第一介質(zhì)層； 各向異性地刻蝕所述第一介質(zhì)層，以在所述第一介質(zhì)層中形成突塊結(jié)構(gòu)； 在所述第一介質(zhì)層上各向同性地沉積第二介質(zhì)層； 各向異性地刻蝕所述第二介質(zhì)層，以使所述第二介質(zhì)層僅留存于所述突塊結(jié)構(gòu)的側(cè)面上，留存的所述第二介質(zhì)層成為掩模側(cè)墻； 以所述掩模側(cè)墻為掩模，各向異性地刻蝕所述第一介質(zhì)層和所述石墨烯層，從而獲得所需的石墨烯納米帶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二介質(zhì)層的材料為二氧化硅、氮化娃、氮氧化娃、氧化招、氧化鉿或氮化鈦，沉積工藝為CVD或ALD,厚度為l-10nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述石墨烯層的層數(shù)為I?3層，所述石墨烯層采用直接CVD生長或采用物理轉(zhuǎn)移方式移至所述襯底上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二介質(zhì)層材料與第一介質(zhì)層材料不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在各向異性地刻蝕所述第一介質(zhì)層和所述石墨烯層并獲得所需的石墨烯納米帶之后，去除所述掩模側(cè)墻和剩余的所述第一介質(zhì)層。
6.一種半導(dǎo)體器件，包括根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的方法制造的石墨烯納米帶，其特征在于包括: 襯底，位于所述襯底內(nèi)的阱區(qū)； 柵極和柵介質(zhì)層； 所述柵介質(zhì)層將所述石墨烯納米帶與所述柵極隔離； 與所述石墨烯納米帶接觸的金屬接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其特征在于，所述器件為背柵結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述器件為頂柵結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H01L21/336GK103972087SQ201310031147
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月28日
【發(fā)明者】賈昆鵬, 朱慧瓏 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子研究所