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，涉及一種石墨烯器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
當前，針對前瞻性先導(dǎo)研究，國際上最關(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。一個研究熱點是開發(fā)新的具有更高載流子遷移率的材料體系和新的技術(shù)手段來進一步延展摩爾定律和超越硅CMOS (Beyond S1-CMOS)，推進集成電路技術(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)明解決的問題是提供一種石墨烯器件及其制造方法，自對準實現(xiàn)背柵結(jié)構(gòu)的石墨烯器件。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實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?？蛇x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。可選地，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。可選地，所述背柵接觸層為與背柵極一體的半導(dǎo)體層。可選地，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:本發(fā)明實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，從而實現(xiàn)自對準地形成背柵結(jié)構(gòu)的石墨烯器件，其制造方法簡單，具有同現(xiàn)有CMOS工藝較好的兼容性。


通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發(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)明實施例一公開的石墨烯器件制造方法的剖面圖；圖9-15為本發(fā)明實施例二公開的石墨烯器件制造方法的剖面圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(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實施，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)明不受下面公開的具體實施例的限制。其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進行詳細描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會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)明保護的范圍。此外，在實際制作中應(yīng)包含長度、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，通過在襯底中的半導(dǎo)體層形成背柵極，從而實現(xiàn)自對準地形成背柵結(jié)構(gòu)的石墨烯器件，其制造方法簡單，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，通過在襯底中的半導(dǎo)體層形成背柵極，從而實現(xiàn)自對準地形成背柵結(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施例的制造過程剖面圖，對本發(fā)明的實施例進行詳細的描述。實施例一參考圖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)體層用來形成石墨烯器件的背柵極。在本實施例中，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，可以通過熱生長或淀積形成柵介質(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、微機械剝離法，以及他們的鍵合轉(zhuǎn)移法或其他合適的方法來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TK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，該背柵接觸層210與背柵極208是電連接在一起的，這樣，當在其上形成接觸塞以后，可以通過該背柵極208兩側(cè)的半導(dǎo)體層200-1實現(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。在本實施例中，具體來說，首先，形成覆蓋上述器件的層間介質(zhì)層212，可以通過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 (化學機械拋光)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，形成了本實施例的石墨烯器件，通過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，實現(xiàn)對背柵極的電連接，工藝簡單易行。實施例二以上對實施例一的石墨烯器件的制造方法進行了詳細的描述，下面將僅就實施例二區(qū)別于實施例一的方面進行闡述。未描述的部分應(yīng)當認為與實施例一采用了相同的步驟、方法或者工藝來進行，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^自對準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，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，可以通過該金屬硅化物層220實現(xiàn)背柵極的電導(dǎo)通，同時，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。
同實施例一的步驟S03。以上對本發(fā)明的石墨烯器件的制造方法及實施例進行了詳細的描述，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，通過與背柵極208 —體的半導(dǎo)體層200-1實現(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形成的金屬硅化物層，以實現(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)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，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)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。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)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、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)明實施例公開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。通過利用襯底中的半導(dǎo)體層形成背柵極，從而實現(xiàn)自對準地形成背柵結(jié)構(gòu)的石墨烯器件，其制造方法簡單，具有同現(xiàn)有CMOS工藝較好的兼容性。
文檔編號H01L29/423GK103107077SQ201110360220
公開日2013年5月15日 申請日期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 申請人:中國科學院微電子研究所