專利名稱：基于石墨烯的三維集成電路器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體而言涉及半導(dǎo)體器件制造，更特別地，涉及基于石墨烯的三維(3D)集成電路器件。
背景技術(shù)：
石墨烯是指以六角苯環(huán)結(jié)構(gòu)排列的碳原子的二維平面薄片。獨(dú)立的石墨烯結(jié)構(gòu)理論上僅在二維空間中穩(wěn)定，這意味著在三維空間中并不存在確實(shí)平面的石墨烯結(jié)構(gòu)，其因彎曲結(jié)構(gòu)的形成而不穩(wěn)定，所述彎曲結(jié)構(gòu)例如為煙灰(soot)、富勒烯(fulIerenes)、納米管或皺曲的(buckled)二維結(jié)構(gòu)。但是，當(dāng)支撐在襯底上時(shí)，例如，支撐在碳化硅(SiC)晶體的表面上時(shí)，二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以是穩(wěn)定的。也已制造過(guò)獨(dú)立的石墨烯膜，但其不具有理想的平坦幾何構(gòu)形。在結(jié)構(gòu)上，石墨烯具有由Sp2雜化而形成的雜化軌道。在Sp2雜化中，2s軌道和三 個(gè)2p軌道中的兩個(gè)混合形成三個(gè)Sp2軌道。剩下的一個(gè)p軌道在碳原子之間形成鍵。與苯的結(jié)構(gòu)相似，石墨烯的結(jié)構(gòu)具有P軌道的共軛環(huán)，即，石墨烯結(jié)構(gòu)是芳族結(jié)構(gòu)。與諸如金剛石、無(wú)定形碳、碳納米泡沫(carbon nanofoam)、或富勒烯的其它碳的同素異形體不同，石墨烯僅有一個(gè)原子層厚。石墨烯具有不尋常的能帶結(jié)構(gòu)，其中錐形電子和空穴袋僅在動(dòng)量空間中的布里淵區(qū)(Brillouin zone)的K點(diǎn)處相遇。電荷載流子(即電子或空穴)的能量具有對(duì)載流子的動(dòng)量的線性相關(guān)性。因此，載流子如同具有零有效質(zhì)量的相對(duì)的狄拉克-費(fèi)米子(Dirac-Fermions),并由狄拉克方程支配。石墨烯薄片在4K下具有大于200，000cm2/V-sec的高載流子遷移率。即使在300K下，載流子遷移率也可高至15，000cm2/V-sec?？赏ㄟ^(guò)固態(tài)石墨化，即，通過(guò)使硅原子從碳化硅晶體的表面(例如(0001)表面)升華，來(lái)生長(zhǎng)石墨烯層。在約1，150°C下，復(fù)雜的表面重構(gòu)圖形在石墨化的初始階段開(kāi)始出現(xiàn)。典型地，需要較高的溫度來(lái)形成石墨烯層。本領(lǐng)域中還已知位于另一材料上的石墨烯層。例如，可以通過(guò)從富含碳的前體(precursor )化學(xué)沉積碳原子,在金屬表面上(例如銅和鎳)上形成單個(gè)或多個(gè)石墨烯層。石墨烯呈現(xiàn)出許多其它有利的電特性，例如，量子干涉效應(yīng)和在近室溫下的電子相干性。在石墨烯層中還預(yù)期小尺度結(jié)構(gòu)的彈道傳輸特性(ballistic transportproperty)。盡管石墨烯僅在若干年前首次被分離出(通過(guò)使用普通透明膠帶)，但此領(lǐng)域目前受到密集研究。由于諸如上述的獨(dú)特電特性(例如，高電荷載流子遷移率等)，石墨烯在電子應(yīng)用方面非常有前景。例如，近來(lái)已展示了石墨烯晶體管，并且更先進(jìn)的石墨烯電路被認(rèn)為是在將來(lái)的集成電路技術(shù)中可能取代硅的有希望的候選者。然而，當(dāng)前簡(jiǎn)單且低成本的石墨烯制造工藝的缺乏限制了石墨烯應(yīng)用的發(fā)展
發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)示例性實(shí)施例中，一種三維(3D)集成電路(IC)結(jié)構(gòu)包括形成在襯底上的第一石墨烯層；利用所述第一石墨烯層形成的一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)(level);形成在所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)上的絕緣層；形成在所述絕緣層上的第二石墨烯層；以及利用所述第二石墨烯層形成的一個(gè)或多個(gè)有源器件的第二層級(jí)，所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第二層級(jí)與所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)電氣互連。在另一實(shí)施例中，一種形成三維(3D)集成電路(IC)結(jié)構(gòu)的方法包括在襯底上形成第一石墨烯層；利用所述第一石墨烯層形成一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)；在所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)上形成絕緣層；在所述絕緣層上形成第二石墨烯層；以及利用所述第二石墨烯層形成一個(gè)或多個(gè)有源器件的第二層級(jí)，所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第二層級(jí)與所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)電氣互連。


參見(jiàn)示例性附圖，其中相似部件在多個(gè)圖中被相似地編號(hào) 圖1(a)至1(h)是一系列截面圖，示例出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例形成基于石墨烯的三維(3D)集成電路的示例性方法；以及圖2(a)至2(k)是一系列截面圖，示例出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例形成基于石墨烯的3D集成電路的示例性方法。
具體實(shí)施例方式本文中公開(kāi)了基于石墨烯的三維(3D)集成電路器件及其形成方法的實(shí)施例。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，3D集成電路(IC) 一般指具有兩層或更多層有源電子部件的芯片，所述有源電子部件被垂直地且水平地集成到單一電路中。3D IC可能提供許多顯著優(yōu)勢(shì)，例如較小的覆蓋區(qū)(footprint)(在小空間中納入更多功能性)、速度(平均線路長(zhǎng)度變短許多，轉(zhuǎn)而減少信號(hào)傳播延遲并提高總體效能)、功率消耗(通過(guò)保持芯片上信號(hào)(signal on-chip),所產(chǎn)生的較短線路降低了功率消耗并產(chǎn)生較小的寄生電容)、以及異質(zhì)集成等等。在異質(zhì)集成的情況下，可以以不同的工藝，或甚至在不同類型晶片上，形成不同電路層。此外，可以在單個(gè)器件中組合否則具有完全不兼容的制造工藝的部件。目前,3D IC可通過(guò)例如晶片上晶片接合(wafer-on-wafer bonding)的技術(shù)而形成，其中電子部件被構(gòu)造在兩個(gè)或更多個(gè)半導(dǎo)體晶片上，然后被對(duì)準(zhǔn)、接合并切割成3D 1C。可在接合之前或之后對(duì)每一個(gè)晶片進(jìn)行減薄。可在接合之前在這些晶片內(nèi)構(gòu)造垂直連接，或者在接合之后在疊層內(nèi)構(gòu)造垂直連接。這些“硅通孔(TSV)”在有源層之間和/或有源層與外部接合襯墊(bond pad)之間穿過(guò)娃襯底。在晶片上管芯(die-on_wafer)方法中，電子部件被構(gòu)造在兩個(gè)半導(dǎo)體晶片上。一個(gè)晶片被切割，然后將單化的(singulated)管芯對(duì)準(zhǔn)并接合至第二晶片的管芯位置上。與晶片上晶片法一樣，在接合之前或之后進(jìn)行減薄和TSV產(chǎn)生。可在切割前將另外的管芯添加到疊層?；蛘?，在管芯上管芯(die-on-die)方法中，電子部件被構(gòu)造在多個(gè)管芯上，然后被對(duì)準(zhǔn)并接合?？稍诮雍现盎蛑筮M(jìn)行減薄和TSV產(chǎn)生。為了避免多重襯底以及對(duì)準(zhǔn)、減薄、接合或TSV技術(shù)，希望單片地(monolithically)形成3D 1C。也就是說(shuō)，這些電子部件及其連接(布線)被構(gòu)造在單個(gè)半導(dǎo)體晶片上的各層內(nèi)，然后被切割成3D 1C。不幸地，此法的現(xiàn)有應(yīng)用目前受到限制，這是因?yàn)樵诎雽?dǎo)體層中產(chǎn)生常規(guī)晶體管(例如摻雜劑注入和激活退火)需要對(duì)于任何現(xiàn)有布線足夠的處理溫度。因此，圖I (a)至1(h)是一系列截面圖，示例出形成基于石墨烯的三維(3D)集成電路的示例性方法。從圖1(a)開(kāi)始，初始襯底102(例如，硅)具有形成在其上的絕緣層(例如，諸如SiO2的氧化物)104。在圖1(b)中，毪覆的(blanket)石墨烯層106被轉(zhuǎn)印(transfer)至該絕緣層104上。可以本領(lǐng)域中公知的任何適當(dāng)方法執(zhí)行石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)印，例如，通過(guò)干法熱剝離膠帶(thermal release tape)工藝。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，該石墨烯層106為石墨烯單層。值得注意的是，由于石墨烯以該方式被沉積在該襯底表面上，所以石墨烯是一種特別適用于3D集成的材料。如圖1(c)所示，通過(guò)合適的光刻技術(shù)(例如，硬掩膜和/或光致抗蝕劑層形成、顯影以及蝕刻)對(duì)該石墨烯層106構(gòu)圖，以形成所需的基于石墨烯的器件的有源區(qū)。接著進(jìn)行晶體管器件的第一層級(jí)的形成。如圖1(d)所示，用諸如柵極電介質(zhì)層108和柵極電極層 110的晶體管柵極疊層材料覆蓋石墨烯有源區(qū)106。在示例性實(shí)施例中，柵極電介質(zhì)層108可以是高k材料，例如鉿、硅酸鉿、氧化鋯、硅酸鋯、氮化的電介質(zhì)、以及其組合物。柵極電極層110可包括多晶硅、金屬、或其組合物?，F(xiàn)在參見(jiàn)圖1(e)，接著對(duì)柵極電介質(zhì)層108和柵極電極層110構(gòu)圖，以在構(gòu)圖的石墨烯有源區(qū)106上限定晶體管器件(例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管或FET)，所述晶體管器件包括柵極電極層112和柵極電介質(zhì)層114。應(yīng)注意，這些圖中示出的構(gòu)圖操作本質(zhì)上僅為示例性的，例如，根據(jù)依賴于晶體管器件的類型和極性的不同柵極疊層要求，可使用多于一個(gè)構(gòu)圖和RIE工藝。因此，在所示出的示例性實(shí)施例中，標(biāo)記“GN”表示用于n型器件(例如NFET)的晶體管柵極，而標(biāo)記“PN”表示用于p型器件(例如PFET)的晶體管柵極。圖1(f)示出了在對(duì)柵極疊層構(gòu)圖之后，源極/漏極接觸116和導(dǎo)電襯墊(conductive pad)結(jié)構(gòu)118的形成。源極和漏極接觸的形成包括，例如，源極/漏極接觸材料的沉積與構(gòu)圖。源極/漏極接觸材料可以是金屬材料，例如鈦(Ti)、鈀(Pd)、鋁(Al)、鎢(W)、或其合金。沉積方法可包括，例如，濺射以及原子層沉積(ALD)。在完成第一層的石墨烯電路器件后，如圖1(g)所示，在器件上形成絕緣層120(例如，氧化物)。然后，根據(jù)3D IC的結(jié)構(gòu)，在絕緣層120中蝕刻出過(guò)孔122，以便提供與基于石墨烯的有源器件的一個(gè)或多個(gè)額外的層級(jí)的垂直電連接。在圖1(h)中，基于石墨烯的有源器件的下層級(jí)124被示出為與基于石墨烯的有源器件的上層級(jí)126連接。上層級(jí)126的形成與下層級(jí)124的形成相似，即，首先將石墨烯層(例如單層)沉積/轉(zhuǎn)印到該完成的下層級(jí)124上，接著對(duì)預(yù)期的石墨烯有源區(qū)構(gòu)圖，形成并構(gòu)圖柵極疊層材料，形成并構(gòu)圖源極/漏極接觸和導(dǎo)電襯墊，以及在上層級(jí)器件上形成絕緣層。雖然所示例的實(shí)施例示出了一對(duì)基于石墨烯的有源器件層級(jí)，但可以理解，可根據(jù)需要重復(fù)上述過(guò)程，以形成另外的基于石墨烯的有源器件層級(jí)。在一個(gè)預(yù)期的實(shí)施例中，每個(gè)石墨烯層級(jí)可具有不同功能(例如，邏輯、模擬、存儲(chǔ))。由于柵極電極和介電質(zhì)被設(shè)置在有源石墨烯源極/漏極區(qū)上方，圖1(a)至1(h)的工藝流程順序所示的示例性3D IC器件實(shí)施例是頂柵取向(orientation)的實(shí)例。然而，也可利用底部取向形成有源石墨烯器件，如圖2(a)至2 (k)的工藝流程順序中所示。從圖2(a)開(kāi)始，初始襯底202 (例如硅)具有形成在其上的絕緣層(例如，諸如SiO2的氧化物)204，這與圖1(a)的頂柵取向工藝相似。在本方法中的此時(shí)，不將石墨烯層轉(zhuǎn)印至絕緣層204，而是將絕緣層204構(gòu)圖為具有與下層級(jí)的基于石墨烯的器件的柵極位置對(duì)應(yīng)的過(guò)孔206，如圖2(b)所示。然后，如圖2(c)所示，在該器件上形成柵極電極層208而填充過(guò)孔。一旦該柵極電極層208被平坦化，各柵極電極210即被限定，如圖2(d)所示。然后在絕緣層204和柵極電極210上形成柵極電介質(zhì)層212，如圖2(e)所示。與第一實(shí)施例的情況一樣，柵極電介質(zhì)層212可以是高k柵極電介質(zhì)層。現(xiàn)在參見(jiàn)圖2(f)，在柵極電介質(zhì)層212上形成石墨烯層214。同樣，可以本領(lǐng)域中已知的任何適當(dāng)方式，例如，通過(guò)干法熱剝離膠帶法，執(zhí)行石墨烯膜的轉(zhuǎn)印。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，該石墨烯層214為石墨烯單層。如也在圖2(f)中示出的，柵極電極被標(biāo)以“GN”和“GP”的標(biāo)志，以表示示例性的n型和p型FET器件。在圖2(g)中，根據(jù)所需的有源區(qū)將石墨烯層構(gòu)圖為與底部取向柵極電極的位置 對(duì)應(yīng)。該毯覆的柵極電介質(zhì)層212此時(shí)保持完整。接下來(lái)如圖2(h)所示，形成用于基于石墨烯的FET器件的源極/漏極接觸216，隨后進(jìn)行柵極電介質(zhì)層構(gòu)圖并形成導(dǎo)電襯墊218，如圖2(i)所示。經(jīng)如此配置，基于石墨烯的第一或下層有源器件完成，接著在器件上形成絕緣層220 (例如氧化物)，如圖2(j)所示。然后，根據(jù)3D IC的結(jié)構(gòu)，在絕緣層220中蝕刻過(guò)孔222，以便提供與基于石墨烯的有源器件的一個(gè)或多個(gè)額外的層級(jí)的垂直電連接。最后，在圖2(k)中，基于石墨烯的有源器件的第二層級(jí)224被示出為與基于石墨烯的有源器件的第一層級(jí)連接。這里，第二層級(jí)224的FET器件也是底部取向柵極。然而，仍進(jìn)一步預(yù)期基于石墨烯的3D IC結(jié)構(gòu)能夠在相同或不同的器件層級(jí)內(nèi)具有頂部取向柵極和底部取向柵極兩者。雖然已關(guān)于優(yōu)選實(shí)施例而描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改變，并且可以用等效物取代本發(fā)明的要素。此外，可做出眾多調(diào)整以使特定情況或材料適于本發(fā)明的教示，而不背離本發(fā)明的本質(zhì)范圍。因此，并不意欲使本發(fā)明受限于所公開(kāi)的特定實(shí)施例作為執(zhí)行本發(fā)明所預(yù)期的最佳模式，而是本發(fā)明可包含落在附屬權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種三維(3D)集成電路(IC)結(jié)構(gòu)，包括 形成在襯底上的第一石墨烯層； 利用所述第一石墨烯層形成的一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)； 形成在所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)上的絕緣層； 形成在所述絕緣層上的第二石墨烯層；以及 利用所述第二石墨烯層形成的一個(gè)或多個(gè)有源器件的第二層級(jí)，所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第二層級(jí)與所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)電氣互連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的結(jié)構(gòu)，其中所述第一和第二石墨烯層包括單層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的結(jié)構(gòu)，其中所述第一和第二層級(jí)的所述一個(gè)或多個(gè)有源器件包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有相對(duì)于關(guān)聯(lián)的石墨烯層的頂柵取向關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的結(jié)構(gòu)，還包括被設(shè)置在所述石墨烯層上的多個(gè)源極接觸和漏極接觸，所述多個(gè)源極接觸和漏極接觸鄰近所述石墨烯層上的頂部取向的柵極電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的結(jié)構(gòu)，其中所述第一和第二層級(jí)的所述一個(gè)或多個(gè)有源器件包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有相對(duì)于關(guān)聯(lián)的石墨烯層的底柵取向關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的結(jié)構(gòu)，還包括被設(shè)置在所述石墨烯層上的多個(gè)源極接觸和漏極接觸，所述多個(gè)源極接觸和漏極接觸位于所述石墨烯層下面的底部取向的柵極電極上方。
7.根據(jù)權(quán)利要求I的結(jié)構(gòu)，其中所述第一層級(jí)的所述一個(gè)或多個(gè)有源器件具有與所述第二層級(jí)的所述一個(gè)或多個(gè)有源器件不同的功能。
8.一種形成三維(3D)集成電路(IC)結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括 在襯底上形成第一石墨烯層； 利用所述第一石墨烯層形成一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)； 在所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)上形成絕緣層； 在所述絕緣層上形成第二石墨烯層；以及 利用所述第二石墨烯層形成一個(gè)或多個(gè)有源器件的第二層級(jí)，所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第二層級(jí)與所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)電氣互連。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述第一和第二石墨烯層包括單層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述第一和第二層級(jí)的所述一個(gè)或多個(gè)有源器件包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有相對(duì)于關(guān)聯(lián)的石墨烯層的頂柵取向關(guān)系。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括形成被設(shè)置在所述石墨烯層上的多個(gè)源極接觸和漏極接觸，所述多個(gè)源極接觸和漏極接觸鄰近所述石墨烯層上的頂部取向的柵極電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括通過(guò)以下步驟形成所述頂柵取向的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 根據(jù)所需的有源布局區(qū)對(duì)所述關(guān)聯(lián)的石墨烯層構(gòu)圖； 在構(gòu)圖的石墨烯層上形成柵極電介質(zhì)層和柵極電極層；以及 根據(jù)所需的柵極圖形去除所述柵極電介質(zhì)層和柵極電極層的一部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述第一和第二層級(jí)的所述一個(gè)或多個(gè)有源器件包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有相對(duì)于關(guān)聯(lián)的石墨烯層的底柵取向關(guān)系。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，還包括形成被設(shè)置在所述石墨烯層上的多個(gè)源極接觸和漏極接觸，所述多個(gè)源極接觸和漏極接觸位于所述石墨烯層下面的底部取向的柵極電極上方。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，還包括通過(guò)以下步驟形成所述底柵取向的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 根據(jù)所需的柵極圖形在關(guān)聯(lián)的絕緣層中形成開(kāi)口； 用柵極電極材料填充所述關(guān)聯(lián)的絕緣層中的所述開(kāi)口，并對(duì)所述柵極電極材料進(jìn)行平面化以形成各柵極電極； 在所述各柵極電極上形成柵極電介質(zhì)層； 在所述柵極電介質(zhì)層上形成所述關(guān)聯(lián)的石墨烯層；以及 根據(jù)所需的有源布局區(qū)對(duì)所述關(guān)聯(lián)的石墨烯層和柵極電介質(zhì)層構(gòu)圖。
16.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述第一層級(jí)的所述一個(gè)或多個(gè)有源器件具有與所述第二層級(jí)的所述一個(gè)或多個(gè)有源器件不同的功能。
17.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中形成所述第一和第二石墨烯層包括干法熱剝離膠帶工藝。
全文摘要
一種三維(3D)集成電路(IC)結(jié)構(gòu)包括形成在襯底上的第一石墨烯層；利用所述第一石墨烯層形成的一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)；形成在所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)上的絕緣層；形成在所述絕緣層上的第二石墨烯層；以及利用所述第二石墨烯層形成的一個(gè)或多個(gè)有源器件的第二層級(jí)，所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第二層級(jí)與所述一個(gè)或多個(gè)有源器件的第一層級(jí)電氣互連。
文檔編號(hào)H01L29/12GK102782856SQ201180011564
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2011年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月8日
發(fā)明者林崇勳, 漢述仁, 蘇寧, 郭德超 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司