CN102376624A

CN102376624A - 一种石墨烯器件及其制造方法

Info

Publication number: CN102376624A
Application number: CN2010102506965A
Authority: CN
Inventors: 王文武; 赵超; 陈大鹏
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2010-08-11
Publication date: 2012-03-14

Abstract

本发明公开了一种石墨烯器件及其制造方法，通过在所述石墨烯衬底上形成具有金属栅极的栅极区，并在栅极区两侧的石墨烯上形成包括纳米级的催化金属颗粒以及其上的碳纳米管的接触塞结构，纳米级的催化金属颗粒一方面有诱导碳纳米管生长的作用外，另一方面还可以起到调节碳纳米管和石墨烯接触时的势垒高度的作用，进而降低石墨烯器件的接触电阻，而且碳纳米管本身具有高导电性，这大大降低了接触塞的体电阻，从而降低石墨烯器件的寄生电阻，提高器件的性能。

Description

一种石墨烯器件及其制造方法

技术领域

本发明通常涉及一种半导体器件及其制造方法，具体来说，涉及一种石墨烯的半导体器件及其制造方法。

背景技术

当前，针对前瞻性先导研究，国际上最关心的是11nm-16nm技术代以后，CMOS器件是否还能象现在这样基于硅半导体衬底。一个研究热点是开发新的具有更高载流子迁移率的材料体系和新的技术手段来进一步延展摩尔定律和超越硅CMOS(Beyond Si-CMOS)，推进集成电路技术的发展。

石墨烯材料以其优异的物理性质得到了广泛的关注，是被人们很看好的一种碳基材料。石墨烯是单原子层的石墨晶体薄膜，其晶格是由碳原子构成的六方点阵蜂窝状二维结构。石墨烯电子和空穴迁移率大致相当，具有极高的载流子迁移率，是硅的电子迁移率的10倍和空穴迁移率的30倍，远远超过了电子在一般导体或半导体中的运动速度，是自然界中迁移率最高的材料。

虽然石墨烯材料展现出了很多优异的物理特性，但其作为高迁移率沟道材料在CMOS器件中的应用还面临着许多挑战。其中，由于石墨烯衬底的超薄特性(单层或者多层结构)，传统CMOS工艺的利用离子注入形成PN结源/漏区的方法不再适用，而是采用在栅极区两侧的石墨烯衬底上直接生长金属电极的方法，但由此而带来的问题是相对高的寄生电阻，这将影响器件的速度和性能。

因此，有必要提出一种具有低寄生电阻的接触塞的石墨烯器件及其制造方法。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种石墨烯器件的制造方法，所述方法包括：提供衬底；在所述衬底上形成至少包括一层的n型或p型石墨烯层；在所述石墨烯层上形成栅极区，所述栅极区包括金属电极；覆盖未被所述栅极区覆盖的石墨烯层以形成层间介质层；在所述层间介质层内形成石墨烯层的接触塞，其中所述接触塞包括位于石墨烯层上的纳米级的催化金属颗粒及其上的碳纳米管。

本发明还提供了一种利用上述方法形成的器件，所述器件包括：衬底；形成于所述衬底上至少包括一层的n型或p型石墨烯层；形成于所述石墨烯层上的栅极区，所述栅极区包括金属电极；形成于未被所述栅极区覆盖的石墨烯层上的层间介质层；形成于所述层间介质层内、石墨烯层上的接触塞，其中所述接触塞包括位于石墨烯层上的纳米级的催化金属颗粒及其上的碳纳米管。

通过采用本发明所述的方法，在所述石墨烯衬底上形成具有金属栅极的栅极区，并在栅极区两侧的石墨烯上形成包括纳米级的催化金属颗粒以及其上的碳纳米管的接触塞结构，纳米级的催化金属颗粒一方面有诱导碳纳米管生长的作用外，另一方面还可以起到调节碳纳米管和石墨烯接触塞时的势垒高度的作用，进而降低接触电阻，而且碳纳米管本身具有高导电性，这大大降低了接触塞的体电阻，从而降低石墨烯器件的寄生电阻，提高器件的性能。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的石墨烯器件的制造方法的流程图；

图2-8示出了根据本发明的实施例的石墨烯器件各个制造阶段的示意图；

具体实施方式

本发明通常涉及一种石墨烯器件及其制造方法。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

参考图1，图1示出了根据本发明实施例的石墨烯器件的制造方法流程图。在步骤S101，提供衬底201，参考图2。所述衬底201包括绝缘材料或半导体材料，例如SiO2、Si或SiC，或其组合。所述衬底201已做好前期处理操作，所述处理操作包括预清洗，对于衬底包括半导体材料的实施例中，所述处理操作包括预清洗及形成浅沟槽隔离区。在本发明图示实施例中，所述衬底包括绝缘材料，例如SiO₂。

在步骤S102，在所述衬底上形成至少包括一层的n型或p型石墨烯层202，参考图2所示。首先，在所述衬底201上沉积单层或多层的石墨烯材料，可以利用CVD、热分解法、微机械剥离法，以及他们的键合转移法或其他合适的方法来形成；而后，可以通过介质隔离材料，例如SiO₂或Si₃N₄，将相邻器件的石墨烯区域隔离开；而后，根据需要，可以利用石墨烯表面修饰工艺，例如元素掺杂、气体吸附或其组合或其他合适方法，在所需区域形成n型或p型石墨烯层，从而形成具有至少包括一层的n型或p型石墨烯层。在本发明图示实施例中，石墨烯层202具有n型掺杂配置，石墨烯层204具有p型掺杂配置，石墨烯层202与石墨烯层204分别为n型区域和p型区域，且由介质材料206分隔开，如图2所示，这仅是示例，不限于此。

在步骤S103，在所述石墨烯层上形成栅极区，参考图4。所述栅极区为包括金属栅极的任一栅极结构，通常包括栅介质层和金属栅极，优选地，还可以在栅介质层与石墨烯层间形成界面钝化层，所述栅介质层包括SiO₂、SiON或高k介质材料(例如，和氧化硅相比，具有高介电常数的材料)，高k介质材料的例子包括：HfO₂、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、Al₂O₃、La₂O₃、ZrO₂、LaAlO，其组合和/或者其它适当的材料。根据需要，所述金属栅极可以选择n型或p型金属材料来形成，所述n型金属栅极形成于n型石墨烯层上，所述p型金属栅极形成于p型石墨烯层上，所述n型金属栅极的金属材料包括，例如Hf、Zr、Ti、Ta、Al等纯金属，TiN和HfN等金属氮化物，TiC、TaC和HfC等金属碳化物，或其组合，所述p型金属栅极的金属材料包括，例如Ru、Pd、Pt、Co和Ni等纯金属，TiAlN和WCN等金属氮化物，或其组合。所述界面钝化层包括有机或无机材料，例如聚酰亚胺(POLYMIDE)。本发明实施例的一个栅极结构的实施例如图4所示，首先，在所述器件上依次沉积界面钝化层208、栅介质层210以及n型金属栅极212，而后将n型区域202掩膜(图未示出)，并去除p型区域204上的n型金属栅极，而后在所述器件上形成p型金属栅极214，如图3所示，可选地，可以进一步将所述n型区域202上的p型金属栅极214去除。而后对上述层进行图形化，形成栅极区300，参考图4。

在步骤S104，覆盖未被所述栅极区覆盖的石墨烯层以形成层间介质层。可以通过在所述器件上沉积介质材料，例如SiO₂，而后将其平坦化，例如CMP(化学机械抛光)的方法，以金属栅极214为停止层，形成内层介质层216，参考图4。所述内层介质层216可以是但不限于例如未掺杂的氧化硅(SiO₂)、掺杂的氧化硅(如硼硅玻璃、硼磷硅玻璃等)和氮化硅(Si₃N₄)。所述内层介质层216可以使用例如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)及/或其他合适的工艺等方法形成。

在步骤S105，在所述层间介质层216内形成石墨烯层的接触塞，其中所述接触塞包括位于石墨烯层上的纳米级的催化金属颗粒218及其上的碳纳米管220，参考图4-图8。具体来说，首先，可以通过刻蚀技术，例如RIE(反应离子刻蚀)的方法，在栅极区300两侧、所述层间介质层内形成暴露石墨烯层的接触孔217，参考图4。而后，在所述器件的水平表面上形成纳米级的催化金属颗粒218，如图5其中所述水平表面为与所述衬底201表面平行的面，可以在n型区域202和p型区域204选择不同的材料形成催化金属颗粒218，对于n型器件，所述催化金属颗粒218包括稀土金属，例如Sc或Y，或其组合。对于p型器件，所述催化金属颗粒218包括：Pd、Co、Ti或Pt，或其组合。所述催化金属颗粒218可以利用溅射或化学气相沉积(CVD)方法来形成，所述纳米级的催化金属颗粒一方面有诱导碳纳米管生长的作用外，另一方面还可以起到调节碳纳米管和石墨烯接触塞时的势垒高度的作用。而后，在所述催化金属颗粒218上形成碳纳米管层220，如图6所示，所述碳纳米管层220可以采用化学气相沉积方法、电弧放电方法或激光烧灼法的方法来形成。而后，在所述器件及所述碳纳米管220间形成固化剂层222，如图7所示，所述固化剂层222可以是SOG旋压玻璃(Spin On glass)或者金属，例如Cu，并进行平坦化所述器件，例如CMP的方法，暴露栅极区300，以在接触孔内形成接触塞，如图8所示。

以上对本发明实施例的石墨烯器件的制造方法进行了详细的描述，此外，本发明还提供了根据上述方法形成的石墨烯器件，参考图8，所述器件包括：衬底201；形成于所述衬底201上至少包括一层的n型或p型石墨烯层202、208；形成于所述石墨烯层202、208上的栅极区300，所述栅极区300包括金属电极212、214和栅介质层210，金属电极可以包括n型金属材料或p型金属材料，优选地，还可包括界面钝化层208；形成于未被所述栅极区300覆盖的石墨烯层202、208上的层间介质层216；形成于所述层间介质层216内、石墨烯层202、208上的接触塞，其中所述接触塞包括位于石墨烯层202、208上的纳米级的催化金属颗粒218及其上的碳纳米管220，还包括形成于碳纳米管间的固化剂层。所述衬底包括绝缘材料或半导体材料，例如SiO₂、Si或SiC，或其组合。其中，对于n型器件，所述催化金属颗粒包括稀土金属，所述稀土金属包括：Sc或Y，或其组合，对于p型器件，所述催化金属颗粒包括：Pd、Co、Ti或Pt，或其组合。

以上对本发明实施例的石墨烯器件及其制造方法进行了详细的描述，通过在所述石墨烯衬底上形成具有金属栅极的栅极区，并在栅极区两侧的石墨烯上形成包括纳米级的催化金属颗粒以及其上的碳纳米管的接触塞结构，纳米级的催化金属颗粒一方面有诱导碳纳米管生长的作用外，另一方面还可以起到调节碳纳米管和石墨烯接触时的势垒高度的作用，进而降低石墨烯器件的接触电阻，而且碳纳米管本身具有高导电性，这大大降低了接触塞的体电阻，从而降低石墨烯器件的寄生电阻，提高器件的性能。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims

1.一种石墨烯器件的制造方法，所述方法包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成至少包括一层的n型或p型石墨烯层；

在所述石墨烯层上形成栅极区，所述栅极区包括金属电极；

覆盖未被所述栅极区覆盖的石墨烯层以形成层间介质层；

在所述层间介质层内形成石墨烯层的接触塞，其中所述接触塞包括位于石墨烯层上的纳米级的催化金属颗粒及其上的碳纳米管。

2.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述接触塞的步骤包括：在所述层间介质层内形成暴露石墨烯层的接触孔；在所述器件的水平表面上形成催化金属颗粒，其中所述水平表面为与所述衬底表面平行的面；在所述催化金属颗粒上形成碳纳米管；在所述器件及所述碳纳米管间形成固化剂层；平坦化所述器件暴露栅极区，以在接触孔内形成接触塞。

3.根据权利要求2所述的方法，其中形成所述碳纳米管的方法包括：化学气相沉积方法、电弧放电方法或激光烧灼法。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述固化剂层包括：SOG旋压玻璃或金属材料。

5.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述石墨烯层的步骤包括：在所述衬底上形成石墨烯层；对所述石墨烯层进行表面修饰工艺以获得n型或p型石墨烯层。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述表面修饰工艺包括：元素掺杂、气体吸附或其组合。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底包括绝缘材料或半导体材料。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述衬底包括：SiO₂、Si或SiC，或其组合。

9.根据权利要求1所述的方法，对于n型器件，所述催化金属颗粒包括稀土金属，所述稀土金属包括：Sc或Y，或其组合。

10.根据权利要求1所述的方法，对于p型器件，所述催化金属颗粒包括：Pd、Co、Ti或Pt，或其组合。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述栅极区还包括：界面钝化层和栅介质层。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属栅极包括n型金属栅极或p型金属栅极，其中所述n型金属栅包括：Hf、Zr、Ti、Ta、Al、TiN、HfN、TiC、TaC、HfC或其组合，所述p型金属栅包括：Ru、Pd、Pt、Co、Ni、TiAlN、WCN或其组合。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述接触塞还包括形成于碳纳米管间的固化剂层。

14.一种石墨烯器件，所述器件包括：

衬底；

形成于所述衬底上至少包括一层的n型或p型石墨烯层；

形成于所述石墨烯层上的栅极区，所述栅极区包括金属电极；

形成于未被所述栅极区覆盖的石墨烯层上的层间介质层；

形成于所述层间介质层内、石墨烯层上的接触塞，其中所述接触塞包括位于石墨烯层上的纳米级的催化金属颗粒及其上的碳纳米管。

15.根据权利要求14所述的器件，其中所述接触塞还包括形成于碳纳米管间的固化剂层。

16.根据权利要求15所述的器件，其中所述固化剂层包括：SOG旋压玻璃或金属材料。

17.根据权利要求14所述的器件，其中所述衬底包括绝缘材料或半导体材料。

18.根据权利要求14所述的器件，其中所述衬底包括：SiO₂、Si或SiC，或其组合。

19.根据权利要求14所述的器件，其中所述栅极区还包括：界面钝化层和栅介质层。

20.根据权利要求14所述的器件，对于n型器件，所述催化金属颗粒包括稀土金属，所述稀土金属包括：Sc或Y，或其组合。

21.根据权利要求14所述的器件，对于p型器件，所述催化金属颗粒包括：Pd、Co、Ti或Pt，或其组合。

22.根据权利要求14所述的器件，其中所述金属栅极包括n型金属栅极或p型金属栅极，其中所述n型金属栅包括：Hf、Zr、Ti、Ta、Al、TiN、HfN、TiC、TaC、HfC或其组合，所述p型金属栅包括：Ru、Pd、Pt、Co、Ni、TiAlN、WCN或其组合。。