CN103459137B - 用于石墨烯mosfet的氮化物栅极电介质 - Google Patents
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Abstract
一种半导体结构，其包括：衬底；所述衬底上的石墨烯层；所述石墨烯层上的源电极和漏电极，所述源电极与所述漏电极分开预定尺寸；所述石墨烯层上的氮化物层，其位于所述源电极与所述漏电极之间；以及所述氮化物层上的栅电极，其中所述氮化物层为用于所述栅电极的栅极电介质。
Description
本发明是在由国防高级研究计划局（DARPA）资助的合同号为FA8650-08-C-7838的政府支持下作出的。政府具有对本发明的特定权利。
技术领域
本发明涉及半导体结构，更具体而言涉及包含石墨烯及氮化物栅极电介质的半导体结构。
背景技术
半导体器件被用于各式各样的电子应用，例如作为例子的个人计算机、蜂窝电话、数字相机及其它电子设备。半导体器件通常通过在半导体衬底之上依序沉积绝缘（或介电）层、导电层及绝缘材料层，并利用光刻构图各种层以在其上形成电路部件和元件而进行制造。
晶体管是在半导体器件中广泛使用的元件。举例而言，在单个集成电路（IC）上可能有几百万个晶体管。半导体器件制造中使用的常见类型的晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。
因其高本征迁移率，石墨烯对于模拟高频电路而言非常有前景。石墨烯通常是指共价键合的碳原子的单个平面薄层（singleplanarsheet）。实质上，石墨烯为石墨的单独原子平面。据信石墨烯是由作为sp2键合的碳的碳原子的平面形成，以形成具有芳香族结构的正六方晶格。石墨烯的厚度为碳的一个原子层。即，石墨烯不会形成三维晶体。然而，可层叠多片石墨烯。典型的石墨烯“层”可包含单片或多片石墨烯。
发明内容
通过提供根据示例性实施例的第一方面的半导体结构来实现上述及下面的示例性实施例的各种优点及目的。所述半导体结构包括：衬底；所述衬底上的石墨烯层；所述石墨烯层上的源电极和漏电极，所述源电极与所述漏电极分开预定尺寸；所述石墨烯层上的氮化物层，其位于所述源电极与所述漏电极之间；以及所述氮化物层上的栅电极，其中所述氮化物层为所述栅电极的栅极电介质。
根据示例性实施例的第二方面提供一种形成半导体结构的方法。该方法包括：提供衬底；在所述衬底上形成石墨烯层；在所述石墨烯层上沉积氮化物层；在所述石墨烯层上形成源电极和漏电极，所述源电极与漏电极分开预定尺寸，所述氮化物层延伸所述源电极与漏电极之间的所述预定尺寸的至少一部分；以及在所述氮化物层上形成栅电极，其中所述氮化物层为所述栅电极的栅极电介质。
附图说明
相信示例性实施例的特征是新颖的，且特别地在所附权利要求书中阐述示例性实施例的元件特性。附图仅用于示例的目的，且未按比例绘制。通过参考结合附图给出的以下详细说明，可有最佳地了解作为组织和操作方法二者的示例性实施例，其中：
图1为在衬底上具有石墨烯层的半导体结构的第一示例性实施例的截面图。
图2为用于形成图1的第一示例性实施例的流程图。
图3为在衬底上具有石墨烯层的半导体结构的第二示例性实施例的截面图。
图4为用于形成图3的第二示例性实施例的流程图。
图5为在衬底上具有石墨烯层的半导体结构的第三示例性实施例的截面图。
图6为用于形成图5的第三示例性实施例的流程图。
具体实施方式
虽然希望将石墨烯用于诸如模拟高频电路的应用，但是因其疏水性质很难在石墨烯上沉积栅极电介质。完美的石墨烯表面为化学惰性的，在干净的石墨表面上通过原子层外延（ALD）直接生长高介电常数（高k）栅极绝缘体（例如Al2O3和HfO2）通常造成不连续的膜，其中电介质优先生长在用作成核中心的台阶或缺陷部位上。表面预处理（例如暴露于NO2、PTCA（羧化物封端的苝（carboxylate-terminatedperylene））或臭氧）可改善膜的粘着性，然而这些预处理通常严重地劣化石墨烯沟道迁移率。此外，由于石墨烯非常容易氧化，尤其是在用于沉积高k氧化物电介质的含氧氛围中，高k氧化物电介质通常在低温下沉积，这可能在高k氧化物栅极电介质中造成高被俘电荷以及沟道中的迁移率劣化。
提出在示例性实施例中在下伏的（underlying）石墨烯上沉积氮化物膜（例如氮化铝、氮化硅、氮化铪或氮化锆）以用作栅极电介质。使用氮化物膜的优点在于其可在无氧氛围中合成。在此惰性氛围中，可应用较高的温度和/或等离子体，造成电介质在石墨烯上有较好的粘着性以及具有较少被俘电荷的栅极电介质的优选的品质。这可使得石墨烯装置具有较高的成品率和较高的性能。
现在参考图1，示出了半导体结构100的第一示例性实施例。半导体结构100包括衬底102。衬底102可以非限制性地选自以下衬底：半导体衬底，例如硅、碳化硅、硅锗、锗、III-V化合物或II-VI化合物；绝缘体衬底，例如石英和蓝宝石；聚合物衬底，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜；层叠的衬底，例如SiO2/Si、HfO2/Si、Al2O3/Si或SOI（绝缘体上硅）；或任何前述衬底种类的组合。
在衬底顶部上形成一个或多个石墨烯层106。如上所述，单个石墨烯层具有等于一个碳原子层的厚度。优选有10个或更少的石墨烯层，更优选少于5个石墨烯层。理想上，应该仅仅有1或2个石墨烯层。
在无氧气氛中在石墨烯上沉积氮化物膜112。氮化物膜112应具有约2至20纳米的厚度。氮化物膜112可以由诸如氮化铝、氮化硅、氮化铪或氮化锆的氮化物制成。氮化物膜112将成为后续沉积的栅电极的栅极电介质。
半导体结构100还包括栅电极114、源电极108及漏电极110。可在源电极108及漏电极110的沉积和构图之前或之后，沉积并构图栅电极114。栅电极114、源电极108及漏电极110的材料可包括但不限于钛、钯、金、多晶硅、氮化钛、铝及这些金属的组合。
应注意，在该示例性实施例中，氮化物膜112完全在源电极108与漏电极110之间且在栅电极114之下延伸。
可以在半导体结构100之上沉积诸如氧化物的绝缘层级间（interlevel）介电材料116。之后，可进行用于形成接触以及后段制程的布线层的进一步处理以形成半导体器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。
现在参考图2，示出并描述用于形成第一示例性实施例的过程。
在该过程中，在框202，提供例如先前所述的衬底，其上将要建构半导体电路。
然后在框204，在衬底上形成石墨烯层。石墨烯层可通过多种不同方式形成于衬底上。其中一种方式为通过利用CH4和H2的CVD工艺或通过乙烯在诸如铜的金属上形成单层或多层的石墨烯。然后将石墨烯转移到衬底。
第二种在衬底上形成石墨烯的方式为通过剥脱（exfoliation）工艺。在剥脱工艺中，胶带被用于反复地将石墨晶体分成越来越薄的石墨烯薄片，然后将石墨烯薄片转移到衬底上。
第三种在衬底上形成石墨烯的方式为在碳化硅上外延生长。将碳化硅晶片加热到非常高的温度（例如大于约1100℃）以去除硅。在碳化硅衬底上留下了若干层（1至10层）的石墨烯，该碳化硅衬底在示例性实施例中可变成半导体结构的衬底。
在衬底上形成石墨烯的上述方法为示例的目的而非限制性的。在目前或未来可能有在衬底上形成石墨烯的其它方法，这些其他方法被视为在示例性实施例的范围内。
然后可通过光刻和O2等离子体蚀刻对石墨烯进行构图。
在框206，通过在石墨烯上沉积氮化物层而继续所述过程。所选的氮化物可为诸如氮化铝、氮化硅、氮化铪或氮化锆的氮化物。通过诸如溅射、化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、物理气相沉积（PVD）、喷射气相沉积（JVD）或原子层沉积（ALD）的工艺，在无氧气氛中沉积氮化物。无氧意指气氛中不含有痕量外的氧或臭氧。
氮化铝可使用铝前体（precursor）（例如AlCl3(NH3)、AlBr3、AlMe3或Al(NMe2)3）以及氮源（例如氨（NH3）和/或氮气（N2））通过CVD工艺来沉积。氮化铝也可使用铝金属和氮气通过MBE（分子束外延）来沉积。
氮化硅可使用硅烷（SiH4）、氨和氮通过PECVD工艺来沉积，或使用SiH4和N2通过喷射气相沉积来沉积。
氮化铪可在氮气气氛中通过溅射铪来沉积。氮化铪也可使用Hf(NEt2)4前体和氨通过CVD来沉积。
氮化锆可在氮气气氛中通过溅射锆金属来沉积。氮化锆也可使用Zr(NEt2)4前体和氨通过CVD来沉积。
然后在沉积后可对氮化物膜进行退火。氮化物可在400至1000℃的温度范围被退火。可通过10至60秒的快速热退火工艺或在炉中持续10至60分钟来实现退火。
沉积氮化物层后，在框208，可对氮化物层进行构图。一种工艺顺序可以为毯覆式（blanket）沉积氮化物层，利用光致抗蚀剂遮挡要保留的位置的氮化物层，然后利用反应离子蚀刻或湿法蚀刻去除未被遮挡的氮化物层。然后剥离光致抗蚀剂。
然后在框210，通过常规工艺在石墨烯上形成源电极和漏电极，并且通过常规工艺在氮化物层上形成栅电极。
然后在框212，可在各处沉积层级间电介质（例如氧化物）。
通过刚描述的工艺流，可得到图1所示的第一示例性实施例。
现在参考图3，示出了半导体结构300的第二示例性实施例。半导体结构300包括如图1所述的衬底302和石墨烯层306、栅电极314、源电极308、漏电极310以及层级间电介质316。
半导体结构300包括位于石墨烯层306上的氮化物层312。应注意，在该示例性实施例中，氮化物层312可覆盖或不覆盖整个石墨烯沟道。半导体结构300还包括间隔物（spacer）318。间隔物318可为氧化物、氮化物或这些层的组合。部分的石墨烯沟道可直接接触间隔物318。
衬底302、氮化物层312、栅电极314、源电极308以及漏电极310可包含任何关于图1中的第一示例性实施例所讨论的材料。
现在参考图4，示出并描述用于形成图3的第二示例性实施例的过程。在该过程中，在框402，提供衬底，其上将要建构半导体电路。
在框404，在衬底上形成石墨烯层，如先前关于第一示例性实施例所述。
在框406，在无氧气氛中在石墨烯上沉积氮化物层，如前所述。再次说明，所选的氮化物可为诸如氮化铝、氮化硅、氮化铪或氮化锆的氮化物。
然后，在框408，通过常规工艺在氮化物层上形成栅电极。在框412，可在栅电极上形成间隔物。在示例性实施例中，在形成间隔物之前，在框410，可蚀刻去除（构图）未受栅电极保护（即未被栅电极覆盖）的氮化物层。在该情况下，氮化物层仅直接在栅电极下方延伸而形成栅极电介质。加入间隔物以覆盖部分的石墨烯沟道。在另一示例性实施例中，栅电极的蚀刻可在氮化物层上停止。在该情况下，形成栅极电介质的氮化物层可覆盖源电极与漏电极之间的整个石墨烯沟道。
在框414，去除在接触区（将形成源电极和漏电极之处）的氮化物层，并形成源电极和漏电极。
在框416，可在半导体结构300之上沉积绝缘层级间介电材料。
利用刚描述的工艺流，可得到图3所示的第二示例性实施例。
现在参考图5，示出了半导体结构500的第三示例性实施例。半导体结构500包括衬底502、石墨烯层506、栅电极514、源电极508、漏电极510以及层级间电介质516，如先前在图1中所述的那样。
半导体结构500包括位于石墨烯层506上的氮化物层512。应注意，在该示例性实施例中，氮化物层512可覆盖源电极508与漏电极510之间的整个石墨烯沟道。此外，氮化物层512还可覆盖源电极508的侧壁518和漏电极510的侧壁520。
衬底502、氮化物层512、栅电极514、源电极508以及漏电极510可包括任何关于图1中的第一示例性实施例所讨论的材料。
现在参考图6，示出并描述用于形成图5的第三示例性实施例的过程。在该过程中，在框602，提供衬底，其上将要建构半导体电路。
在框604，通过先前所述的任何技术在衬底沉积并构图石墨烯层。
在框606，可通过光刻和剥离或反应离子蚀刻（RIE）形成源电极和漏电极。
在框608，可在无氧气氛中在衬底上沉积氮化物层，如前所述。氮化物层可覆盖石墨烯沟道以及源电极与漏电极的侧面和顶部。再次说明，所选的氮化物可为诸如氮化铝、氮化硅、氮化铪或氮化锆的氮化物。
在框610，在氮化物层上形成栅电极。氮化物层形成用于栅电极的栅极电介质。在框612，可以可选地通过RIE或湿法蚀刻去除源电极和漏电极的顶部上的氮化物层。
在框614，可在半导体结构500上之上沉积绝缘的层级间介电材料（例如氧化物）。
利用刚描述的工艺流，可得到图5所示的第三示例性实施例。
在图2、4和6所述的工艺之后，可进行其它的常规处理以形成接触和后段制程布线层，以形成诸如MOSFET的半导体器件。应理解，半导体结构100、300或500仅形成MOSFET的一部分，而在完成的MOSFET中可存在多个半导体结构100、300和500。
对于与本公开有关的本领域技术人员而言很明显，在不背离本发明精神的情况下，可以作出除了具体描述的这些实施例之外的示例性实施例的其它修改。因此，这种修改应视为是在由所附权利要求所限制的本发明的范围内。
Claims (23)
1.一种半导体结构，包括：
衬底；
所述衬底上的石墨烯层；
所述石墨烯层上的源电极和漏电极，所述源电极与所述漏电极分开预定尺寸；
所述石墨烯层上的氮化物层，其位于所述源电极与所述漏电极之间；以及
所述氮化物层上的栅电极，其中所述氮化物层为用于所述栅电极的栅极电介质，
还包括间隔物，所述间隔物邻接所述栅电极并在所述氮化物层上。
2.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述氮化物层延伸在所述源电极与所述漏电极之间的整个预定尺寸。
3.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述氮化物层仅在所述栅电极下方延伸。
4.根据权利要求3所述的半导体结构，所述间隔物邻接所述栅电极并在所述石墨烯层上。
5.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述氮化物层延伸在所述源电极与所述漏电极之间的整个预定尺寸并延续到所述源电极的侧壁和所述漏电极的侧壁上。
6.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述氮化物层为氮化铝、氮化硅、氮化铪或氮化锆。
7.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述衬底选自半导体衬底、绝缘体衬底、聚合物衬底、层叠衬底以及任何前述衬底的组合。
8.根据权利要求7所述的半导体结构，其中所述半导体衬底为硅、碳化硅、硅锗、锗、III-V族化合物或II-VI族化合物。
9.根据权利要求7所述的半导体结构，其中所述绝缘体衬底为石英或蓝宝石。
10.根据权利要求7所述的半导体结构，其中所述聚合物衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯膜。
11.根据权利要求7所述的半导体结构，其中所述层叠衬底为SiO2/Si、HfO2/Si、Al2O3/Si或绝缘体上硅。
12.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述石墨烯层直接接触所述衬底。
13.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述氮化物层直接接触所述石墨烯层。
14.一种形成半导体结构的方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成石墨烯层；
在所述石墨烯层上沉积氮化物层；
在所述石墨烯层上形成源电极和漏电极，所述源电极与所述漏电极分开预定尺寸，所述氮化物层延伸在所述源电极与所述漏电极之间的预定尺寸的至少一部分；以及
在所述氮化物层上形成栅电极，其中所述氮化物层为用于所述栅电极的栅极电介质，
还包括形成间隔物，所述间隔物邻接所述栅电极并在所述石墨烯层上。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括对所述氮化层进行构图，以从部分所述石墨烯层去除所述氮化物层。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述构图包括去除未被所述栅电极覆盖的所述氮化物层。
17.根据权利要求14所述的方法，所述间隔物邻接所述栅电极并在所述氮化物层上。
18.根据权利要求14所述的方法，其中形成源电极和漏电极是在沉积氮化物层之前发生，且其中沉积氮化物层包括在所述源电极的侧壁和所述漏电极的侧壁上沉积所述氮化物层。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述氮化物层延伸在所述源电极与所述漏电极之间的整个预定尺寸。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述氮化物层选自氮化铝、氮化硅、氮化铪和氮化锆。
21.根据权利要求14所述的方法，其中使用预形成的石墨烯进行所述形成步骤。
22.根据权利要求14所述的方法，其中所述石墨烯层直接接触所述衬底。
23.根据权利要求14所述的方法，其中所述氮化物层直接接触所述石墨烯层。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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