半導電石墨烯結構、形成此類結構的方法及包含此類結構的半導體裝置的制造方法
【專利說明】半導電石墨烯結構、形成此類結構的方法及包含此類結構的 半導體裝置
[00011 優(yōu)先權主張
[0002] 本申請案主張于2013年7月30日提出申請的標題為"半導電石墨烯結構、形成此類 結構的方法及包含此類結構的半導體裝置（SEMICONDUCTING GRAPHENE STRUCTURES, METHODS OF FORMING SUCH STRUCTURES AND SEMICONDUCTOR DEVICES INCLUDING SUCH STRUCTURES)"的第13/954，017號美國專利申請案的申請日期的權益。
技術領域
[0003] 在各個實施例中，本發(fā)明一般來說涉及半導電石墨烯結構、形成此類結構的方法 及包含此類結構的半導體裝置。更具體來說，本發(fā)明的實施例涉及具有石墨烯材料及與所 述石墨稀材料直接接觸的石墨稀晶格匹配材料的半導電石墨稀結構，以及形成此類結構的 方法。
【背景技術】
[0004] 硅已用于制作各種半導體裝置，包含場效應晶體管(FET)裝置。硅的處理極限通常 被認為約l〇nm線寬。隨著持續(xù)要求在增加速度及整合密度的同時減小半導體裝置的大小， 硅半導體材料正逐漸接近其處理極限。
[0005] 石墨烯為單個原子層（即，單層）的石墨。石墨烯具有二維結構且在平面方向上導 電。石墨烯晶格包含以具有120度的碳-碳鍵角、1.42 A的碳-碳鍵長(rQ,g)及約2.46 A的晶 格常數(shù)的六方陣列布置的碳原子。石墨烯具有近似15,000cm2/Vs的高電荷迀移率、超過IX 108A/cm2的高載流能力及卓越的導熱性。因此，正在研究將石墨烯作為用于在各種半導體裝 置(包含F(xiàn)ET裝置)中替換硅的下一代材料。
[0006] 石墨烯為零能量帶隙材料(即，在石墨烯的導帶與價帶之間不存在能隙）。相反，半 導體材料在導帶與價帶之間具有能量帶隙。由于石墨烯的零能量帶隙，因此石墨烯具有非 常大的關斷電流且因此具有非常小的操作電流的接通/關斷比率(下文中為"接通/關斷比 率"）。此低接通/關斷比率限制FET裝置的大整合及高速操作。此外，由于石墨烯的非常大的 關斷電流，因此使用未改質石墨烯（即，大面積石墨烯）的FET裝置無法被關斷且不適合于邏 輯應用。
[0007]已做出各種嘗試來改質（即，打開)石墨烯的能量帶隙結構。一種方法為通過將未 改質石墨稀切割成小于數(shù)十納米的窄帶(被稱為石墨稀納米帶)而在一個維度上限制所述 未改質石墨烯。石墨烯納米帶的能量帶隙與納米帶的寬度成反比。因此，為獲得具有對常規(guī) FET裝置有用的能量帶隙的石墨烯，需要具有界限分明邊緣的非常窄的石墨烯納米帶。迄 今，制造具有均勻寬度的數(shù)納米大小、減小的邊緣粗糙度及卓越質量的石墨烯已成為挑戰(zhàn)。 因此，盡管石墨烯納米帶具有卓越特性，但將石墨烯納米帶整合到半導體裝置(例如，F(xiàn)ET裝 置)中仍受限制。
[0008]已研究將石墨烯-硅氫化物結構用于制作三極管裝置，其中可通過調整柵極電壓 以控制石墨烯-硅肖特基（schottky)勢皇來實現(xiàn)約105的接通/關斷比率。盡管石墨烯具有 零能量帶隙，但在石墨稀與娃的界面處不存在費米(Fermi)能級釘扎允許勢皇的高度變成 0.2eVs〇
[0009] 第8,247,806號美國專利揭示一種具有石墨烯通道層的FET裝置。盡管石墨烯具有 零能量帶隙，但通過將電壓施加到柵極結構，借此改變費米表面的能級來增加 FET裝置的接 通/關斷比率。
[0010] 需要對石墨烯的能量帶隙進行改質以允許在半導體裝置中使用石墨烯來替換硅 基材料的方法。
[0011] 此外，需要與標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)處理技術兼容且可以最小數(shù)目個 處理動作制造的FET裝置。
【附圖說明】
[0012] 圖1A是具有六方晶體結構的碳酸鎂(MgC〇3)的結構的等角視圖；
[0013] 圖1B是石墨稀晶格的結構的等角視圖；
[0014] 圖1C是在六方MgC03上具有石墨烯材料的半導電石墨烯結構的結構側視圖；
[0015]圖2A是展不石墨稀(G)與石墨稀晶格匹配材料(GLM)之間的晶體對準的俯視圖，其 中石墨稀晶格匹配材料的單胞向量(％ /及心2)與石墨稀晶格向量對準；
[0016]圖2B是展不石墨稀(G)與石墨稀晶格匹配材料(GLM)之間的晶體對準的俯視圖，其 中石墨烯晶格匹配材料的單胞向量(4u及與石墨烯鍵對準；
[0017]圖3A展示未改質石墨烯的電子狀態(tài)密度(ED0S)，如將密度泛函理論(DFT)與平面 波及雜化泛函(HSE06)-起使用所計算；
[0018] 圖3B展示塊體六方MgC〇3的電子狀態(tài)密度(ED0S)，如將密度泛函理論(DFT)與平面 波及雜化泛函(HSE06)-起使用所計算；
[0019] 圖3C展示包含石墨烯及石墨烯上方的MgC〇3石墨烯晶格匹配材料的半導電石墨烯 結構的電子狀態(tài)密度(ED0S)，如將密度泛函理論(DFT)與平面波及雜化泛函（HSE06)-起使 用所計算；
[0020] 圖4A是實施例的半導體裝置的側視圖；
[0021] 圖4B是展示沿著圖4A中所展示的半導體裝置的側視圖的對應能帶的圖表;且
[0022] 圖5是另一實施例的半導體裝置的側視圖。
【具體實施方式】
[0023] 以下描述提供具體細節(jié)(例如，材料類型、材料厚度及處理條件），以便提供對本發(fā) 明的實施例的透徹描述。然而，所屬領域的技術人員將理解，可在不采用這些具體細節(jié)的情 況下實踐本發(fā)明的實施例。實際上，本發(fā)明的實施例可結合工業(yè)中所采用的常規(guī)制作技術 來實踐。
[0024] 另外，本文中所提供的描述不形成用于形成半導體裝置結構的完整過程流程，且 下文所描述的半導體裝置結構不形成完整半導體裝置。下文僅詳細地描述用于理解本發(fā)明 的實施例所必需的所述過程動作及結構?？赏ㄟ^常規(guī)制作技術執(zhí)行用于形成完整半導體裝 置的額外動作。申請案所附的圖式也僅出于說明性目的，且因此不必按比例描繪。圖之間共 有的元件可保持相同的數(shù)字標示。
[0025] 如本文中所使用，關于給定參數(shù)、性質或條件的術語"實質上"意指所屬領域的技 術人員將理解以小程度差異(例如，在可接受的制造公差內）符合給定參數(shù)、性質或條件的 程度。
[0026] 如本文中所使用，術語"襯底"意指且包含在其上形成額外材料的基底材料或構 造。舉例來說，襯底可為半導體襯底、支撐結構上的基底半導體材料、金屬電極或者其上形 成有一或多個材料、結構或區(qū)的半導體襯底。襯底可為常規(guī)硅襯底或包括半導電材料層的 其它塊體襯底。如本文中所使用，術語"塊體襯底"不僅意指且包含硅晶片，而且還意指且包 含絕緣體上硅(SOI)襯底(例如藍寶石上硅(S0S)襯底及玻璃上硅(S0G)襯底）、基底半導體 基礎上的硅外延層，或其它半導體或光電子材料，例如硅-鍺(S i hGex，其中X是(舉例來說） 介于0.2與0.8之間的摩爾分數(shù)）、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)或磷化銦（InP)以及 其它。此外，當在以下說明中提及"襯底"時，可能已進行先前過程動作以在基底半導體結構 或基礎中形成材料、區(qū)或結。在一個實施例中，襯底為含硅材料，例如硅襯底。襯底可經(jīng)摻雜 或未經(jīng)摻雜。在一個實施例中，襯底可為P摻雜多晶娃。在一個實施例中，襯底為經(jīng)氧化Si材 料(例如，舉例來說常規(guī)1 〇〇-_氧化硅材料)上的經(jīng)結晶Cu (111)材料。在另一實施例中，襯 底為碳化硅。
[0027] 半導電石墨烯結構可包含石墨烯材料及石墨烯材料的至少一部分上方的石墨烯 晶格匹配材料，其中所述石墨烯晶格匹配材料具有在石墨烯的晶格常數(shù)或鍵長的倍數(shù)的約 ±5%內的晶格常數(shù)。石墨烯的晶格常數(shù)為約2.46 A且其鍵長為約1 42 A。距離4.26 A為 石墨烯的鍵長的三倍。具有在此距離(其為約4,05 A到4.47 A)的± 5 %內的晶格常數(shù)的六 方材料將為相對于石墨烯鍵長匹配的石墨烯晶格。通過形成在石墨烯材料上方含氧的石墨 稀晶格匹配材料(其中石