CN107346787A - 微电子结构及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种微电子结构及其形成方法。该微电子结构的形成方法，包括在一衬底上原位形成一石墨烯层，此石墨烯层包括至少一层石墨烯结构，且具有大于300meV的能隙，形成一第一绝缘层，使石墨烯层与衬底之间以第一绝缘层间隔，在石墨烯层上形成一第二绝缘层，且在第二绝缘层上形成一第一电极、一第二电极及一第三电极，使第一电极及第二电极直接接触石墨烯层的两端，第三电极与石墨烯层之间以第二绝缘层间隔。由此获得的微电子结构应用高能隙的石墨烯材料，可提升其电子特性。
Description
技术领域
本发明涉及微电子制造领域，尤其涉及一种微电子结构及其形成方法。
背景技术
目前，在微电子制造领域愈来越重视石墨烯的应用，以期将具有低电阻率及轻薄结构的石墨烯应用于其中，助于提升微电子组件的电子移动速度跟尺寸的微型化。现有技术中，应用石墨烯制作微电子组件的发展非常迅速，已提出数种模型。首先请参考图1所示的结构示意图，金氧半场效晶体管(MOSFET)1是将制作于硅衬底120上的石墨烯层140作为连结在源极160与漏极150之间的沟道层，以二氧化硅层130作为绝缘层，藉由后栅极110控制沟道层内的电子流通与否。这样的金氧半场效晶体管虽然可以经现今制造工艺做出，但其中具有过大的寄生电容，也无法与其他组件整合制造，所以无法符合工业制造的需求。
另请参考图2及图3，其中图2的金氧半场效晶体管2是以覆盖有二氧化硅230的硅衬底220后表面掺杂形成后栅极210，前表面上以化学剥离法(chemicalexfoliation method)或在镍、铜等金属上制作出石墨烯层240，图3的金氧半场效晶体管3是以外延生长(epitaxial growth)技术在碳化硅衬底310上形成石墨烯层330，并氧化形成二氧化硅层320。接着，再制作出上栅极绝缘层及上栅极270、360，并藉由上栅极270、360控制源极260、350与漏极250、340之间是否导通沟道。但由于上栅极形式的金氧半场效晶体管2、3中石墨烯层240、330的能隙不足，导致沟道导通之后无法切断，丧失金氧半场效晶体管的重要功能。
因此，目前亟需要开发应用石墨烯表现其良好组件功能并符合工业制作需求的微电子结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的微电子结构及其形成方法，将石墨烯的卓越超导性质应用于微电子结构中，提升微电子结构的电子特性。
依据本发明的一面向，提供一种微电子结构，包括：一衬底，其上形成一石墨烯层、一第一电极、一第二电极及一第三电极，其中，第一电极及第二电极直接接触该石墨烯层的两端，石墨烯层与衬底之间以一第一绝缘层间隔，第三电极与石墨烯层之间以一第二绝缘层间隔，且石墨烯层具有大于300meV的能隙。
依据本发明的另一面向，提供一种微电子结构的形成方法，包括：在一衬底上原位(in-situ)形成一石墨烯层，此石墨烯层包括至少一层石墨烯结构，且具有大于300meV的能隙；形成一第一绝缘层，使石墨烯层与衬底之间以第一绝缘层间隔；在石墨烯层上形成一第二绝缘层；且在第二绝缘层上形成一第一电极、一第二电极及一第三电极，使第一电极及第二电极直接接触石墨烯层的两端，第三电极与石墨烯层之间以第二绝缘层间隔。
本发明可选择性地变化，在此举例而不限制于：衬底可选择性地采用任何衬底，如微电子衬底；石墨烯层可选择性地包括任意数量层的石墨烯，在此以一层为例；第一绝缘层与第二绝缘层可选择性地选用衬底材质的氧化物或高介电质薄膜等形成，较佳地，第一绝缘层可以是藉由使氧气通过石墨烯层，氧化衬底而形成，第二绝缘层是高介电质薄膜；第一电极、第二电极及第三电极可选择性地均是金属电极。举例来说，若所形成的微电子结构为一双栅极场效晶体管，此第一电极、第二电极及第三电极可分别为源极、漏极和第一栅极，衬底可为第二栅极。
其次，本发明提供的微电子结构的形成方法可于原位形成上述石墨烯层之前额外包括一清洁步骤，此清洁步骤清洁衬底上预定原位形成石墨烯层的一表面。举例来说，清洁步骤可以是使用臭氧清洁，或是使用SiCoNi预清洁处理达成，在此无须限制。
与现有技术相比，本发明提供崭新的微电子结构及其形成方法将石墨烯材料应用于其中，并提升石墨烯材料的能隙，藉此大幅提升微电子结构的电子特性，并且可藉由于制作过程中选择性地加入适当的清洁过程，制作出尺寸与形状一致的石墨烯层，达成量产微电子结构的需求。
附图说明
图1至图3为现有技术中的微电子结构的结构示意图；
图4为依据本发明一实施例的微电子结构的结构示意图；
图5为依据本发明一实施例的微电子结构的另一结构示意图；
图6至图9为依据本发明一实施例的微电子结构在形成过程中的结构示意图；
图10为依据本发明一实施例的微电子结构的形成方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的微电子结构及其形成方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有益效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想是，提供一种微电子结构及其形成方法。该方法包括：在一衬底上原位(in-situ)形成一石墨烯层，此石墨烯层包括至少一层石墨烯结构，且具有大于300meV的能隙；形成一第一绝缘层，使石墨烯层与衬底之间以第一绝缘层间隔；在石墨烯层上形成一第二绝缘层；且在第二绝缘层上形成一第一电极、一第二电极及一第三电极，使第一电极及第二电极直接接触石墨烯层的两端，第三电极与石墨烯层之间以第二绝缘层间隔。由此在微电子结构中应用石墨烯材料，提高了组件的电子特性。
下面，请参考图4及图5，对本发明的微电子结构及其形成方法进行详细说明，在此显示的微电子结构是以一双栅极场效晶体管为例，然本发明并不限于图4或图5所示的特定结构。图10为本发明的微电子结构的形成方法的流程图；图5至图9为本发明的微电子结构在形成过程中的结构示意图。
请参考图4，并结合图10，该微电子结构4的形成方法，包括：
首先，在步骤S200中，在一衬底410上原位形成一石墨烯层430执行之前，先行选择性地进行一清洁步骤S100，在此清洁衬底上410预定原位形成前述石墨烯层430的一表面；较佳的，在本发明中，采用臭氧清洁、SiCoNi预清洁处理或其类的方式进行清洁步骤S100。接着，在步骤S200中，如图6所示，在衬底410上原位(in-situ)形成石墨烯层430，此石墨烯层430包括至少一层石墨烯结构，且具有大于300meV的能隙。在此所使用的衬底410举例为一硅衬底，石墨烯层430举例为原位聚合法(in-situ polymerization)形成的大面积延伸的石墨烯结构，可包括一层或多层石墨烯结构，石墨烯层430与衬底410之间并不限于额外包括其他材料的膜层。由于在形成石墨烯层430之前已经清洁步骤S100处理，有助于控制石墨烯层430外型与边界的整齐划一程度，制作出符合需求的尺寸与形状的石墨烯层。
在本步骤之后，接着在步骤S300中，如图7所示，氧化形成一第一绝缘层420，使石墨烯层430与衬底410之间以第一绝缘层420间隔。在此示例性地经由将图6所示的结构置入含有氧气的环境中，使氧气通过石墨烯层430，将衬底410氧化而形成第一绝缘层420。以本例来说，氧气将硅衬底410氧化为二氧化硅形成第一绝缘层420。
接着，如图8所示，执行步骤S400，在石墨烯层430上形成一第二绝缘层460；具体的，第二绝缘层460举例可为任意薄膜成形技术形成的任意高介电质薄膜，如二氧化铪(HfO2)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)以及五氧化二钽(Ta2O5)，并以二氧化铪为优选，在此以原子层沉积工艺(Atomiclayer deposition，ALD)形成的二氧化铪为例。
之后，请参考图9，执行步骤S500，在第二绝缘层460上形成一第一电极450、一第二电极440及一第三电极470，使第一电极450及第二电极440直接接触石墨烯层430的两端，第三电极470与石墨烯层430之间以第二绝缘层460间隔。具体的，在本步骤之前可以先行将第二绝缘层460图形化，如以光阻覆盖、曝光、显影、蚀刻步骤定义出第二绝缘层460的图形，接着再制作出第一电极450、第二电极440及第三电极470。制作第一电极450、第二电极440及第三电极470的方式可以有多种变化，如以金属溅镀、原子层沉积或其他薄膜成形方式形成一金属层，如铝、铜、镍、钛、钨、银及金等，并经由光阻覆盖欲蚀刻处之外的其他区域，经过湿法蚀刻完成去除等程序将此金属层定义出第一电极450、第二电极440及第三电极470，或者是透过研磨方式达成。由于在本例微电子结构4是以一双栅极场效晶体管为例，前述第一电极450是作为源极，第二电极440是作为漏极，第三电极470是作为第一栅极，如上栅极，衬底410是作为第二栅极，如后栅极。因此，微电子结构4具有上栅极与后栅极一起共同控制其中的沟道导通与否，上栅极的存在可大为减少寄生电容，使得微电子结构4可有效操作。
请继续参考图9，经由上述步骤，本发明获得一种微电子结构4，包括：一衬底410，其上形成石墨烯层430、第一电极450、一第二电极440及一第三电极470，其中，第一电极450及第二电极440直接接触石墨烯层430的两端，石墨烯层430与衬底410之间以第一绝缘层420间隔，第三电极470与该石墨烯层430之间以第二绝缘层460间隔，且石墨烯层430具有大于300meV的能隙。
由上述过程获得的微电子结构，由于提升石墨烯材料的能隙，如此大幅提升微电子结构的电子特性，并且藉由制作过程中适当的清洁过程，制作出尺寸与形状一致的石墨烯层，达成量产微电子结构的需求。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些修改和变型在内。
Claims (10)
1.一种微电子结构，其特征在于，包括：
一衬底，其上形成一石墨烯层、一第一电极、一第二电极及一第三电极，其中，该第一电极及该第二电极直接接触该石墨烯层的两端，该石墨烯层与该衬底之间以一第一绝缘层间隔，该第三电极与该石墨烯层之间以一第二绝缘层间隔，且该石墨烯层具有大于300meV的能隙。
2.如权利要求1所述的微电子结构，其特征在于，该石墨烯层包括至少一层石墨烯结构。
3.如权利要求1所述的微电子结构，其特征在于，该第一电极、该第二电极及该第三电极均是金属电极。
4.如权利要求1所述的微电子结构，其特征在于，该第一绝缘层是该衬底的氧化物，该第二绝缘层是高介电质薄膜。
5.如权利要求1所述的微电子结构，其特征在于，该微电子结构是一双栅极场效晶体管，该第一电极、该第二电极及该第三电极分别为源极、漏极和第一栅极，该衬底为第二栅极。
6.一种微电子结构的形成方法，其特征在于，包括：
在一衬底上原位形成一石墨烯层，该石墨烯层包括至少一层石墨烯结构，且具有大于300meV的能隙；
氧化形成一第一绝缘层，使该石墨烯层与该衬底之间以该第一绝缘层间隔；
在该石墨烯层上形成一第二绝缘层；以及
在该第二绝缘层上形成一第一电极、一第二电极及一第三电极，使该第一电极及该第二电极直接接触该石墨烯层的两端，该第三电极与该石墨烯层之间以该第二绝缘层间隔。
7.如权利要求6所述的微电子结构的形成方法，其特征在于，在原位形成该石墨烯层之前还包括一清洁步骤，该清洁步骤清洁该衬底上预定原位形成该石墨烯层的一表面。
8.如权利要求7所述的微电子结构的形成方法，其特征在于，该清洁步骤是使用臭氧清洁。
9.如权利要求7所述的微电子结构的形成方法，其特征在于，该清洁步骤是使用SiCoNi预清洁处理。
10.如权利要求6所述的微电子结构的形成方法，其特征在于，该第一绝缘层是藉由使氧气通过石墨烯层，氧化该衬底而形成。
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