本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種石墨烯finfet晶體管及其制造方法。

背景技術(shù)：

在尋求更高的器件密度、更高的性能以及更低的費(fèi)用的過程中，隨著集成電路工藝持續(xù)發(fā)展到納米技術(shù)工藝節(jié)點(diǎn)，為了克服短溝道效應(yīng)和提高單位面積的驅(qū)動(dòng)電流密度，一些制造廠商已經(jīng)開始考慮如何從平面cmos晶體管向三維finfet(鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管)器件結(jié)構(gòu)的過渡問題。

finfet器件是一種多柵mos器件，這種結(jié)構(gòu)由于具有更多的柵控面積，更窄的溝道耗盡區(qū)域而擁有非常突出的短溝道控制力和很高的驅(qū)動(dòng)電流。與平面晶體管相比，finfet器件比傳統(tǒng)的mos結(jié)構(gòu)能更好地控制有源區(qū)中的載流子，提供更大的驅(qū)動(dòng)電流，因而提高了器件性能。并且，finfet器件由于改進(jìn)了對(duì)溝道的控制，從而減小了短溝道效應(yīng)。

研究表明，石墨烯材料是由單層石墨結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，其具有極好的電學(xué)性能，尤其是其載流子遷移率要遠(yuǎn)高于普通的si材料，其理論計(jì)算值大約高于si材料載流子遷移率1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此石墨烯在晶體管中的應(yīng)用備受關(guān)注。

目前，高質(zhì)量的石墨烯薄膜工藝，需要通過在金屬襯底上進(jìn)行高溫成膜，或者通過碳離子注入后經(jīng)高溫處理才能形成。然而，該工藝方案與現(xiàn)有cmos技術(shù)無法兼容。同時(shí)，現(xiàn)有的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移工藝，又無法將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到帶有圖形的襯底上面。

因此，如何將石墨烯應(yīng)用于鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管中作為溝道材料，實(shí)現(xiàn)3d器件，以提高晶體管的電學(xué)性能，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種石墨烯finfet晶體管及其制造方法，以石墨烯作為溝道材料，從而可提高晶體管的電學(xué)性能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種石墨烯finfet晶體管，包括：

石墨烯fin薄膜，其形成條狀的溝槽形溝道，其兩端用于形成源極、漏極；

在石墨烯fin薄膜外側(cè)、沿其溝槽側(cè)壁及底部形成的柵介質(zhì)層；

在柵介質(zhì)層外側(cè)、沿其側(cè)壁及底部形成的橫跨石墨烯fin薄膜溝道的柵電極。

優(yōu)選地，所述石墨烯fin薄膜及其外側(cè)的柵介質(zhì)層、柵電極一起嵌設(shè)于第一介質(zhì)層的表面。

優(yōu)選地，所述第一介質(zhì)層表面覆蓋有第二介質(zhì)層，所述第二介質(zhì)層將石墨烯fin薄膜的溝槽填滿。

優(yōu)選地，所述第二介質(zhì)層表面設(shè)有柵電極導(dǎo)電引出、源極導(dǎo)電引出及漏極導(dǎo)電引出。

優(yōu)選地，所述第一介質(zhì)層的下表面與一半導(dǎo)體襯底連接。

一種石墨烯finfet晶體管的制造方法，包括以下步驟：

提供一金屬襯底，所述金屬襯底表面具有突起的犧牲fin；

在金屬襯底表面形成用作溝道材料的石墨烯薄膜，并形成覆蓋犧牲fin的石墨烯fin薄膜；

在上述結(jié)構(gòu)表面分別沉積柵介質(zhì)材料、柵電極材料，并形成覆蓋石墨烯fin薄膜的柵介質(zhì)層，以及橫跨石墨烯fin薄膜溝道的柵電極；

在上述結(jié)構(gòu)表面沉積一高于柵電極的第一介質(zhì)材料，并平坦化，形成第一介質(zhì)層；

將第一介質(zhì)層的平坦化表面與一半導(dǎo)體襯底鍵合；

去除具有犧牲fin的金屬襯底，形成溝槽形的石墨烯fin薄膜。

優(yōu)選地，還包括：在具有器件的一面沉積一第二介質(zhì)材料，將石墨烯fin薄膜的溝槽填滿，并平坦化，形成第二介質(zhì)層。

優(yōu)選地，還包括：在第二介質(zhì)層表面通過圖形化分別形成柵電極導(dǎo)電引出、源極導(dǎo)電引出及漏極導(dǎo)電引出。

優(yōu)選地，通過離子注入工藝對(duì)石墨烯fin薄膜的能帶進(jìn)行調(diào)整，以形成溝道和源極、漏極。

優(yōu)選地，所述注入離子為f離子。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過利用金屬襯底形成石墨烯fin薄膜，然后分別沉積柵介質(zhì)、柵電極等層次，再通過沉積和平坦化鍵合介質(zhì)(第一介質(zhì))來鍵合另外一襯底，接著去除金屬襯底，實(shí)現(xiàn)將石墨烯fin薄膜轉(zhuǎn)移到帶有圖形的襯底上面應(yīng)用于鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管中作為溝道材料，從而提高了晶體管的電學(xué)性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的一種石墨烯finfet晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2-圖4是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的制造一種石墨烯finfet晶體管時(shí)的工藝步驟示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

需要說明的是，在下述的具體實(shí)施方式中，在詳述本發(fā)明的實(shí)施方式時(shí)，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說明，特對(duì)附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進(jìn)行了局部放大、變形及簡(jiǎn)化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對(duì)本發(fā)明的限定來加以理解。

在以下本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的一種石墨烯finfet晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的一種石墨烯finfet晶體管，包括用作溝道材料的石墨烯fin(鰭)薄膜11，橫跨石墨烯fin薄膜的柵電極13，位于石墨烯fin薄膜11和柵電極13之間的柵介質(zhì)層12等主要結(jié)構(gòu)組成部分。

請(qǐng)參閱圖1。石墨烯fin薄膜11可以采用單層或多層形式來構(gòu)成石墨烯薄膜，并具有長(zhǎng)條狀的溝槽形結(jié)構(gòu)，作為finfet晶體管的fin(鰭)；例如圖示的近似“u”形的矩形溝槽16結(jié)構(gòu)。石墨烯fin薄膜用作finfet晶體管的溝道材料；石墨烯fin薄膜條狀溝槽16的兩端用于形成源極、漏極，源極、漏極之間的石墨烯fin薄膜部分就成為finfet晶體管的溝道區(qū)?？赏ㄟ^離子注入工藝對(duì)石墨烯fin薄膜的能帶進(jìn)行調(diào)整，以形成溝道和源極、漏極。也可以將石墨烯fin薄膜只作為溝道使用，而在石墨烯fin薄膜的兩端另外形成源極、漏極。

石墨烯fin薄膜可通過在金屬襯底上進(jìn)行高溫成膜，或者通過碳離子注入后經(jīng)高溫處理等方法來形成。

請(qǐng)參閱圖1。在石墨烯fin薄膜11的外側(cè)包覆有柵介質(zhì)層12；柵介質(zhì)層12沿著石墨烯fin薄膜的溝槽側(cè)壁及溝槽底部形成。柵介質(zhì)層還可延伸至溝槽以外的其他區(qū)域，用于進(jìn)行器件的電性隔離。

柵介質(zhì)層通?？刹捎醚趸瘜硬牧匣蚋遦介質(zhì)材料等來制作。

請(qǐng)參閱圖1。在柵介質(zhì)層12的外側(cè)包圍有柵電極13；柵電極13沿著柵介質(zhì)層12的側(cè)壁及柵介質(zhì)層的底部橫跨在石墨烯fin薄膜11上，并位于石墨烯fin薄膜的溝道區(qū)域，形成三柵finfet晶體管結(jié)構(gòu)。柵電極也可以獨(dú)立分列在石墨烯fin薄膜兩側(cè)的方式形成雙柵finfet晶體管結(jié)構(gòu)。

柵電極通常可采用多晶硅或金屬材料等來制作。

請(qǐng)繼續(xù)參閱圖1。上述本發(fā)明的石墨烯finfet晶體管結(jié)構(gòu)可以通過支撐結(jié)構(gòu)獲得固定。例如，可將所述石墨烯fin薄膜11及其外側(cè)的柵介質(zhì)層12、柵電極13一起嵌設(shè)于第一介質(zhì)層18的表面，即由第一介質(zhì)層表面向其內(nèi)部陷入進(jìn)行設(shè)置。

在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步通過保護(hù)結(jié)構(gòu)來獲得對(duì)器件的保護(hù)。例如，可在所述第一介質(zhì)層18表面覆蓋一層第二介質(zhì)層14，通過所述第二介質(zhì)層14將石墨烯fin薄膜11形成的溝槽16填滿，并可進(jìn)一步將整個(gè)器件的表面覆蓋起來。這樣，通過設(shè)置第一、第二介質(zhì)層，就可形成對(duì)器件的良好固定及有效保護(hù)。

第一介質(zhì)層、第二介質(zhì)層可采用常規(guī)的電介質(zhì)材料制作，例如氧化硅等。第一介質(zhì)層、第二介質(zhì)層可采用相同或不同的電介質(zhì)材料制作。

請(qǐng)繼續(xù)參閱圖1。在所述第二介質(zhì)層14表面還可設(shè)置柵電極導(dǎo)電引出15、源極、漏極導(dǎo)電引出17(只顯示其中之一)。其中，可在形成柵電極13時(shí)，使柵電極向一側(cè)部分延伸出來，形成一個(gè)延伸部131，以便在對(duì)應(yīng)該柵電極延伸部131的第二介質(zhì)層14中形成柵電極導(dǎo)電引出15；同樣地，在形成石墨烯fin薄膜時(shí)，可使得石墨烯fin薄膜向一側(cè)部分延伸出來，形成一個(gè)延伸部111，以便在對(duì)應(yīng)該石墨烯fin薄膜延伸部111的第二介質(zhì)層形成源極、漏極導(dǎo)電引出17。各導(dǎo)電引出可采用金屬制作。

請(qǐng)繼續(xù)參閱圖1。還可將所述第一介質(zhì)層18的下表面與一半導(dǎo)體襯底19相連接。例如可采用鍵合方式，將所述第一介質(zhì)層的下表面與半導(dǎo)體襯底進(jìn)行鍵合，形成粘合。其中，半導(dǎo)體襯底可采用例如硅襯底等常規(guī)芯片襯底，并可在襯底中預(yù)先形成晶體管的存儲(chǔ)、讀出等控制電路，在鍵合后形成電性連接。

上述本發(fā)明例舉的石墨烯finfet晶體管，采用的是一種具有溝槽式fin的finfet晶體管結(jié)構(gòu)；即finfet晶體管的石墨烯fin薄膜為圖1所示向下凹陷的溝槽形，當(dāng)溝槽中填充了第二介質(zhì)層材料后，就形成向下倒置的fin結(jié)構(gòu)，并以石墨烯薄膜作為整個(gè)fin的溝道材料；此時(shí)，柵電極位于石墨烯fin薄膜的溝槽下方。當(dāng)然，也可以采用具有傳統(tǒng)柱狀fin的finfet晶體管結(jié)構(gòu)；即finfet晶體管的石墨烯fin薄膜為向上突起的帽形，并通過在帽形空間填充第一介質(zhì)層材料，形成fin的柱體；此時(shí)，柵電極將位于石墨烯fin薄膜的柱體上方。

下面通過具體實(shí)施方式及附圖，對(duì)本發(fā)明的一種石墨烯finfet晶體管的制造方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

請(qǐng)參閱圖2-圖4，圖2-圖4是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的制造一種石墨烯finfet晶體管時(shí)的工藝步驟示意圖；同時(shí)，請(qǐng)參閱圖1。如圖2-圖4以及圖1所示，本發(fā)明的一種石墨烯finfet晶體管的制造方法，可用于制作上述本發(fā)明的石墨烯finfet晶體管，包括以下步驟：

請(qǐng)參閱圖2。首先，提供一金屬襯底10，例如可以是金屬銅的襯底；在所述金屬襯底10表面制作出突起的犧牲fin101。

然后，可通過在金屬襯底上進(jìn)行高溫成膜方式，或者通過碳離子注入后經(jīng)高溫處理等方法，在金屬襯底10表面形成用作溝道材料的石墨烯薄膜，從而形成覆蓋犧牲fin的石墨烯fin薄膜11。由于金屬襯底表面的犧牲fin具有finfet晶體管fin的立體形態(tài)，因而覆蓋在犧牲fin上的石墨烯fin薄膜也同樣復(fù)制了該fin的立體形態(tài)。

在形成石墨烯fin薄膜11后，可通過離子注入工藝對(duì)石墨烯fin薄膜的能帶進(jìn)行調(diào)整，例如可利用f等離子注入工藝對(duì)其能帶進(jìn)行調(diào)整，從而在石墨烯fin薄膜上形成位于中間的溝道和位于溝道兩端的源極、漏極。

接著，在上述結(jié)構(gòu)表面沉積一層?xùn)沤橘|(zhì)材料，例如可以采用氧化層材料或高k介質(zhì)材料等，并圖形化，形成覆蓋石墨烯fin薄膜的柵介質(zhì)層12，以及在其他位置用于隔離的介質(zhì)層。

接著，在上述柵介質(zhì)層12表面沉積一層?xùn)烹姌O材料，例如可以采用多晶硅或金屬材料等，并圖形化，形成橫跨石墨烯fin薄膜溝道的柵電極13。

接下來，可在上述結(jié)構(gòu)表面沉積一高于柵電極的第一介質(zhì)材料，將柵電極等凸出于器件表面的結(jié)構(gòu)完全覆蓋起來；然后進(jìn)行平坦化，形成具有平坦表面的第一介質(zhì)層18。上述晶體管結(jié)構(gòu)可通過第一介質(zhì)層獲得支撐及固定。第一介質(zhì)層還將用作鍵合時(shí)的粘合層，因此可采用氮氧化硅、氧化硅、氮化硅或碳化鈣中的一種或其幾種組合形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

請(qǐng)參閱圖3。接下來，將第一介質(zhì)層18的平坦化表面與一半導(dǎo)體襯底19鍵合。半導(dǎo)體襯底可采用例如硅襯底等常規(guī)芯片襯底，并可在襯底中預(yù)先形成晶體管的存儲(chǔ)、讀出等控制電路?？稍诎雽?dǎo)體襯底表面和第一介質(zhì)層表面分別制作相對(duì)應(yīng)的金屬壓焊點(diǎn)，將半導(dǎo)體襯底與第一介質(zhì)層表面對(duì)準(zhǔn)，并使半導(dǎo)體襯底表面的金屬壓焊點(diǎn)與第一介質(zhì)層表面的金屬壓焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，然后進(jìn)行鍵合，將第一介質(zhì)層表面與半導(dǎo)體襯底粘合堆疊在一起，并形成電性連接。

請(qǐng)參閱圖4。之后，可采用常規(guī)薄膜移除技術(shù)，使金屬襯底10與石墨烯fin薄膜11相分離，將上述結(jié)構(gòu)中具有犧牲fin101的金屬襯底10去除，在第一介質(zhì)層18表面就形成了具有溝槽16結(jié)構(gòu)的溝槽形的石墨烯fin薄膜11。從而在第一介質(zhì)層上形成具有溝槽式fin的finfet晶體管結(jié)構(gòu)。

由于現(xiàn)有的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移工藝無法在形成將石墨烯薄膜后，再將其轉(zhuǎn)移到帶有圖形的襯底上面。因此，本發(fā)明采用在金屬襯底表面預(yù)先形成犧牲fin的方法，利用犧牲fin的柱狀突起圖形，來在其表面形成具有相同形態(tài)的溝槽形石墨烯fin薄膜。而由于在形成石墨烯fin薄膜之后，需要移除金屬襯底，因而在金屬襯底表面制作的柱狀突起圖形就成為犧牲fin而一同被移除。移除金屬襯底后，犧牲fin的圖形仍被保留在石墨烯fin薄膜上，從而實(shí)現(xiàn)將石墨烯fin薄膜轉(zhuǎn)移到帶有圖形的另一襯底上面。

請(qǐng)參閱圖1。接下來，可對(duì)石墨烯fin薄膜11及其柵介質(zhì)層12、柵電極13進(jìn)行圖形化，并形成各個(gè)獨(dú)立的晶體管結(jié)構(gòu)；然后，在具有器件(即形成有石墨烯fin薄膜)的一面沉積一第二介質(zhì)材料，例如可沉積一氧化硅材料，將石墨烯fin薄膜11的溝槽16填滿，并高于器件表面；接著進(jìn)行平坦化，在器件表面形成第二介質(zhì)層14。上述晶體管結(jié)構(gòu)可通過第二介質(zhì)層獲得保護(hù)及隔離。

請(qǐng)參閱圖1。最后，在第二介質(zhì)層14表面通過圖形化形成若干個(gè)開口，在對(duì)應(yīng)的開口中分別形成柵電極導(dǎo)電引出15、源極和漏極導(dǎo)電引出17。其中，可在形成柵電極時(shí)，使柵電極向一側(cè)部分延伸出來形成延伸部131，以便在對(duì)應(yīng)該柵電極延伸部131的第二介質(zhì)層的開口位置形成柵電極導(dǎo)電引出15；同樣地，可在對(duì)石墨烯fin薄膜11進(jìn)行圖形化時(shí)，保留石墨烯fin薄膜向fin側(cè)部延伸出來的一部分，形成一個(gè)延伸部111，以便在對(duì)應(yīng)石墨烯fin薄膜11的延伸部111的第二介質(zhì)層的開口位置形成源極、漏極導(dǎo)電引出17。各導(dǎo)電引出可采用金屬制作。

上述例舉的是一種具有溝槽式fin的finfet晶體管的制造方法。也可以采用相反的方式，在金屬材料襯底上預(yù)先形成溝槽，然后沿溝槽表面和金屬襯底表面生長(zhǎng)石墨烯薄膜；之后，經(jīng)過與上述同樣的工藝后，就可以形成與溝槽式fin反型的具有傳統(tǒng)柱狀fin的finfet晶體管結(jié)構(gòu)。

綜上所述，本發(fā)明通過利用金屬襯底形成石墨烯fin薄膜，然后分別沉積柵介質(zhì)、柵電極等層次，再通過沉積和平坦化鍵合介質(zhì)(第一介質(zhì))來鍵合另外一襯底，接著去除金屬襯底，實(shí)現(xiàn)將石墨烯fin薄膜轉(zhuǎn)移到帶有圖形的襯底上面應(yīng)用于鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管中作為溝道材料，從而提高了晶體管的電學(xué)性能。

以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。