自對準(zhǔn)二維晶體材料場效應(yīng)半導(dǎo)體器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及自對準(zhǔn)的基于二維晶體材料的場效應(yīng)半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在摩爾定律的驅(qū)動下，基于單晶硅材料的半導(dǎo)體器件的尺寸越來越小，集成電路的密度越來越高，功耗越來越低，芯片的性能越來越強(qiáng)，成本越來越低。然而隨著半導(dǎo)體工藝關(guān)鍵尺寸的逐漸減小，半導(dǎo)體工藝制程越來越接近半導(dǎo)體的物理極限，很難繼續(xù)縮小下去。
[0003]摩爾定律即將走向終結(jié)，然而信息技術(shù)前進(jìn)的步伐不會減慢。世界各國科研人員積極探索各種新材料及新器件結(jié)構(gòu)，以期取代現(xiàn)有的硅半導(dǎo)體器件。一種可預(yù)期的解決方案是使用二維晶體材料制備半導(dǎo)體器件及半導(dǎo)體集成電路。
[0004]二維晶體材料是由單個(gè)原子層或多個(gè)原子層構(gòu)成的二維的晶體材料，相比三維的塊材而言，二維晶體材料具有十分優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)及機(jī)械特性。目前，世界各國科研人員對二維晶體材料及其器件的研究具有高漲的熱情。二維晶體材料主要包括石墨烯、黑磷、硅稀、錯(cuò)稀、錫稀、一.硫化鑰等等。
[0005]石墨烯是最先發(fā)現(xiàn)的典型的具有一個(gè)原子層厚度的二維晶體材料。2004年英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科研人員首次從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)了二維晶體材料可以單獨(dú)存在，兩人因此獲得了 2010年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯性能十分優(yōu)越，低溫情況下其電子迀移率可以達(dá)到200000cm2/Vs，是單晶硅材料的100倍;石墨烯是世界上最強(qiáng)韌的材料，其強(qiáng)度為鋼材的200倍;另外，石墨烯具有良好的光學(xué)特性，只吸收2.3%的光，因此幾乎完全透明。石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，其中一個(gè)典型應(yīng)用是射頻場效應(yīng)晶體管，2012年基于石墨烯的射頻場效應(yīng)晶體管的截止頻率就已達(dá)到了 427GHz。
[0006]石墨烯材料性能極其優(yōu)越，但依然存在一些缺陷。石墨烯的主要問題是禁帶寬度為零，基于石墨烯材料的半導(dǎo)體器件的開關(guān)比比較低，在集成電路方面的應(yīng)用具有較大困難。然而，石墨烯打開了科學(xué)家的視野，指引科學(xué)家們積極探索與石墨烯類似，但卻具有比石墨稀更強(qiáng)光電特性的新型一■維晶體材料，例如黑憐、娃稀、錯(cuò)稀、錫稀、一■硫化鑰等等。
[0007]包括石墨烯在內(nèi)的所有二維晶體材料的最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，用來研制新一代半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體集成電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種自對準(zhǔn)的基于二維晶體材料的場效應(yīng)半導(dǎo)體器件及其制備方法。
[0009]本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，自對準(zhǔn)二維晶體材料場效應(yīng)半導(dǎo)體器件，包括柵電極區(qū)、源電極區(qū)和漏電極區(qū)，其特征在于，還包括二維晶體材料層，所述二維晶體材料層連接源電極和漏電極，且跨過柵電極區(qū)的局部，二維晶體材料層和其下方的柵電極區(qū)之間為柵介質(zhì)氧化層。
[0010]所述二維晶體材料為石墨烯、黑磷、硅烯、鍺烯、錫烯或者二硫化鉬。
[0011 ]本發(fā)明還提供自對準(zhǔn)二維晶體材料場效應(yīng)半導(dǎo)體器件制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0012](I)選用絕緣襯底上的帶有埋氧化層的硅晶片為基底，按預(yù)設(shè)的掩膜圖形對硅晶片的頂層硅進(jìn)行圖形化刻蝕，直至露出硅晶片中的埋氧化層，形成源電極溝槽和漏電極溝槽，并以頂層硅作為柵電極；
[0013](2)在源電極溝槽的側(cè)面和漏電極溝槽的側(cè)面形成二氧化硅介質(zhì)層；
[0014](3)在源電極溝槽和漏電極溝槽內(nèi)填充金屬；
[0015](4)對器件表面進(jìn)行平坦化；
[0016](5)在器件上表面設(shè)置二維晶體材料，二維晶體材料和柵電極之間以二氧化硅介質(zhì)層隔離，并對二維晶體材料進(jìn)行圖形化，使其連接源電極和漏電極且保留柵電極孔位置；
[0017](6)刻蝕形成柵電極孔，并在柵電極孔內(nèi)設(shè)置柵電極導(dǎo)體；
[0018](7)在器件表面形成鈍化層并進(jìn)行刻蝕，露出器件的柵、源、漏電極。
[0019]所述柵電極導(dǎo)體為金屬或金屬硅化物。
[0020]所述步驟(3)中，沉積金屬直至完全填滿溝槽。
[0021]所述步驟(2)中，頂層硅的頂面也形成有二氧化硅介質(zhì)層;所述步驟(4)中，平坦化至暴露出頂層娃頂面的二氧化娃介質(zhì)層。
[0022]或者，所述步驟(2)中，頂層硅的頂面也形成有二氧化硅介質(zhì)層;所述步驟(4)中，平坦化至暴露出頂層硅的頂面，然后在頂層硅的頂面形成二氧化硅介質(zhì)層。
[0023]本發(fā)明提出的自對準(zhǔn)二維晶體材料場效應(yīng)半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了器件的柵電極與源和漏電極的自對準(zhǔn)。設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的場效應(yīng)半導(dǎo)體器件時(shí)，往往讓柵電極的寬度大于源和漏電極(擴(kuò)散區(qū))之間的距離，由此便產(chǎn)生了較大的柵電極對源和漏電極(擴(kuò)散區(qū))的覆蓋電容。使用本發(fā)明的自對準(zhǔn)工藝可自動實(shí)現(xiàn)器件柵電極與源和漏電極位置的對準(zhǔn)，從而大大減小了柵與源和漏電極的覆蓋電容，這對于提高器件工作頻率具有重要意義。另一方面，柵與源和漏電極自對準(zhǔn)的器件結(jié)構(gòu)大大降低了柵電極與源電極之間以及柵電極與漏電極之間的溝道層即二維晶體材料的寄生電阻，這同樣有利于提高器件的工作頻率。
[0024]本發(fā)明提出的自對準(zhǔn)二維晶體材料場效應(yīng)半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)中，使用熱氧化的二氧化硅作為場效應(yīng)器件的柵介質(zhì)，鑒于二氧化硅材料的優(yōu)良性能，所制備的器件特性不言而喻。另一方面，避免了在二維晶體材料表面形成柵介質(zhì)層時(shí)對二維晶體材料本身造成的破壞，從而最大程度地保持了二維晶體材料原有的電學(xué)、光學(xué)及機(jī)械特性。
[0025]本發(fā)明提出的自對準(zhǔn)二維晶體材料場效應(yīng)半導(dǎo)體器件制備過程中，在進(jìn)行金屬平坦化工藝步驟時(shí)，可時(shí)時(shí)對器件源電極和漏電極之間的電氣隔離特性進(jìn)行監(jiān)控，以此作為平坦化工藝調(diào)節(jié)的依據(jù)，例如平坦化工藝的快慢或終止。
[0026]本發(fā)明提出的自對準(zhǔn)二維晶體材料場效應(yīng)半導(dǎo)體器件制備過程中，通過對刻蝕后的SOI頂層硅柵電極進(jìn)行一次或多次氧化/腐蝕/氧化工藝過程可以實(shí)現(xiàn)納米級的器件柵電極長度。
[0027]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明提出的一種自對準(zhǔn)二維晶體材料場效應(yīng)半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2至圖10是本發(fā)明提出的一種自對準(zhǔn)二維晶體材料場效應(yīng)半導(dǎo)體器件制備方法的一種實(shí)施例的主要工藝步驟剖面示意圖，其中:
[0030]圖2是絕緣襯底上的硅晶片(SOI)的剖面示意圖；
[0031]圖3是SOI頂層娃刻蝕后的剖面示意圖；
[0032]圖4是SOI頂層硅柵電極的上表面及側(cè)面形成二氧化硅后的剖面示意圖；
[0033]圖5是SOI襯底表面沉積金屬層后的剖面示意圖；
[0034]圖6是對SOI襯底表面沉積的金屬層進(jìn)行平坦化后的剖面示意圖；
[0035]圖7是將二維晶體材料沉積或轉(zhuǎn)移至SOI襯底表面后的剖面示意圖；
[0036]圖8是將二維晶體材料圖形化后的剖面示意圖；
[0037]圖9是在SOI襯底表面沉積鈍化層后的剖面示意圖；
[0038]圖10是鈍化層開孔后的剖面示意圖。
[0039]圖11至圖16是本發(fā)明提出的一種自對準(zhǔn)二維晶體材料場效應(yīng)半導(dǎo)體器件制備方法的另一種實(shí)施例的主要工藝步驟剖面示意圖，其中:
[0040]圖11是對SOI襯底表面沉積的金屬進(jìn)行平坦化后的剖面示意圖；
[0041]圖12是SOI頂層硅柵電極的上表面再一次氧化形成二氧化硅后的剖面示意圖；
[0042]圖13是將二維晶體材料沉積或轉(zhuǎn)移至SOI襯底表面后的剖面示意圖；
[0043]圖14是將二維晶體材料圖形化后的剖面示意圖；
[0044]圖15是在SOI襯底表面沉積鈍化層后的剖面示意圖；
[0045]圖16是鈍化層開孔后的剖面示意圖。
[0046]圖17至圖22是本發(fā)明提出的一種自對準(zhǔn)二維晶體材料場效應(yīng)半導(dǎo)體器件制備方法的一種可行的工藝版圖及流程示意圖，其中:
[0047]圖17是SOI頂層硅圖形化后的俯視圖；
[0048]圖18是SOI頂層硅柵電極的上表面及側(cè)面形成二氧化硅后的俯視圖；
[0049]圖19是在SOI襯底表面沉積金屬并平坦化后的俯視圖；
[0050]圖20是在SOI襯底表面沉積或轉(zhuǎn)移二維晶體材料并圖形化后的俯視圖；
[0051 ]圖21是刻蝕出柵電極孔的俯視圖；
[0052]圖22是柵電極形成金屬硅化物后的俯視圖。
[0053]圖23至圖29是本發(fā)明提出的一種自對準(zhǔn)二維晶體材料場效應(yīng)半導(dǎo)體器件制備方法的另一種可行的工藝版圖及流程示意圖，其中:
[0054]圖23是SOI頂層硅上形成器件隔離層的俯視圖；
[0055]圖24是對器件區(qū)域的SOI頂層硅圖形化后的俯視圖；
[0056]圖25是SOI頂層硅柵電極的上表面及側(cè)面形成二氧化