CN108039373A - 半导体器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体器件，自下而上包括：栅极；位于栅极上的栅极介电层；位于栅极介电层上的沟道层；位于栅极两侧的沟道层上的源漏电极；其中，栅极介电层至少由改性的第一二维晶体薄膜形成，沟道层由第二二维晶体薄膜形成。本发明能够有效提高以二维晶体薄膜作为沟道层材料时沟道层的载流子迁移率。本发明还公开了一种能够与现有的CMOS工艺兼容的半导体器件的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造工艺技术领域，更具体地，涉及一种半导体器件及其制备方法。
背景技术
随着半导体器件特征尺寸按摩尔定律持续地等比例缩小，芯片集成度不断提高，传统基于硅半导体的器件由于工艺极限和各种负面效应的存在，已很难再满足器件和电路的性能及功耗要求。国内外各大科研机构和半导体制造商纷纷研究各种新材料及新器件结构，以期取代现有的硅半导体器件。目前，已确认二维晶体材料可代替硅沟道来制备半导体器件和集成电路。
近几年来，二维晶体材料制备晶体管技术发展迅猛。二维晶体材料通常是指具有单层二维蜂窝状网格结构、有电子能带隙和高的电子迁移率的材料。二维晶体材料一般包括：石墨烯，硅烯，磷烯，黑磷，锗烯、锡烯、三嗪基石墨相氮化碳，过渡金属二硫属化物(TMD)等。采用二维晶体薄膜作为沟道的晶体管，其性能远超现有的硅晶体管，因而将成为7nm以下最具前景的新型晶体管。
目前制备二维晶体材料晶体管的技术难点在于：虽然二维晶体材料的理论载流子迁移率很高，但在实际晶体管制备中发现，由于二维晶体材料与栅极介电层相接触，栅极介电层材料中的-OH基团会在二维晶体材料表面诱导出正电荷，导致沟道载流子迁移率的劣化。
因此，需要设计一种以二维晶体材料作为沟道的新的半导体器件及其制备方法，来提高二维晶体薄膜沟道层的载流子迁移率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种半导体器件及其制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种半导体器件，自下而上包括：
栅极；
位于栅极上的栅极介电层；
位于栅极介电层上的沟道层；
位于栅极两侧的沟道层上的源漏电极；
其中，所述栅极介电层至少由改性的第一二维晶体薄膜形成，所述沟道层由第二二维晶体薄膜形成。
优选地，所述改性的第一二维晶体薄膜为经氧化或氟化的第一二维晶体薄膜。
优选地，所述第一二维晶体薄膜和/或第二二维晶体薄膜材料为石墨烯，硅烯，磷烯，黑磷，锗烯、锡烯、三嗪基石墨相氮化碳或过渡金属二硫属化物。
优选地，所述栅极至少由一种金属材料形成。
优选地，所述栅极介电层还包括形成于栅极上表面的栅极金属氧化物层或栅极金属氟化物层。
优选地，还包括：钝化层；所述钝化层将沟道层的四周及上表面包覆，所述源漏电极位于钝化层中。
优选地，还包括：层间介电层和半导体衬底；所述层间介电层连接设于钝化层和沟道层下方，并将栅极的四周及下表面包覆，所述半导体衬底连接设于层间介电层下方。
本发明还提供了一种半导体器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供一表面具有层间介电层的半导体衬底，在所述层间介电层上形成一凹槽；
步骤S02：沉积栅极金属材料，以在凹槽中形成金属栅极；
步骤S03：在金属栅极上自对准生长第一二维晶体薄膜；
步骤S04：对第一二维晶体薄膜进行改性处理，以形成栅极介电层；
步骤S05：在栅极介电层上形成第二二维晶体薄膜，以形成沟道层；
步骤S06：在沟道层和层间介电层上形成钝化层；
步骤S07：在金属栅极两侧的钝化层中形成源漏电极。
优选地，步骤S04中，通过改性处理工艺，使金属栅极的上表面同时被改性，形成栅极金属改性层，所述栅极金属改性层和改性的第一二维晶体薄膜共同形成栅极介电层。
优选地，所述改性处理工艺为氧化或氟化处理工艺，所述栅极金属改性层为栅极上表面经氧化或氟化改性处理所形成的栅极金属氧化物层或栅极金属氟化物层。
从上述技术方案可以看出，本发明通过采用改性的第一二维晶体薄膜材料作为栅极介电层材料，与采用第二二维晶体薄膜材料的沟道层接触时，两者的界面态密度小，可以避免传统栅极介电层材料如SiO2、SiN、HfO2等材料表面的-OH基团在二维晶体材料表面诱导出正电荷的情况，因此可有效提高二维晶体薄膜沟道层的载流子迁移率；同时，改性的第一二维晶体薄膜栅极介电层与第二二维晶体薄膜沟道层的接触电阻也更小，并能够与现有的CMOS工艺兼容；此外，栅极介电层还可以由金属栅极上表面改性后形成的金属氧化物或氟化物与改性的二维晶体薄膜一起共同形成，从而可有效保证栅极介电层的绝缘性能。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例的一种半导体器件结构示意图；
图2是本发明一较佳实施例的一种半导体器件的制备方法流程图；
图3-图9是本发明一较佳实施例中根据图2的方法制备半导体器件的工艺步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的一种半导体器件结构示意图。如图1所示，本发明的一种半导体器件，自下而上至少包括：栅极103，栅极介电层104，沟道层105，源漏电极107等器件结构。
请参阅图1。栅极介电层104的下表面相连位于栅极103的上表面之上；同时，栅极介电层104的上表面还相连位于沟道层105的下表面之下。栅极及栅极介电层的尺寸通常小于沟道层的尺寸，并可大致位于沟道层下方的中部位置。源漏电极107设于沟道层105的两端上，并分别位于栅极两侧的上方位置(即一侧为源极、另一侧为漏极)。
请参阅图1。本发明的半导体器件还可设置一个钝化层106；所述钝化层106可将沟道层105的四周及沟道层105的上表面包覆住。同时，钝化层106还可将源漏电极107也包围起来，使源漏电极位于钝化层中；源漏电极可由钝化层的上表面引出。利用钝化层可从器件上方提供对器件的有效保护。
请继续参阅图1。本发明的半导体器件还可设置一个层间介电层102；所述层间介电层102的上表面连接设于钝化层106的下表面和沟道层105的下表面下方。层间介电层从器件的下方将沟道层露出部分的下表面、栅极的四周及栅极的下表面包覆住。层间介电层可从器件下方提供对器件的有效保护。
在层间介电层102的下方还可连接设置一个半导体衬底101，以提供对整个器件的支撑。
在上述的半导体器件结构中，所述栅极103可采用至少一种金属材料形成，如Al，Ag，Cu等。
所述栅极介电层104至少可由一种改性的第一二维晶体薄膜104b形成。所述改性的第一二维晶体薄膜104b可以是经过氧化或氟化处理后的第一二维晶体薄膜。所述沟道层105可由第二二维晶体薄膜(非改性)形成。
作为一优选的实施方式，所述第一二维晶体薄膜(未经改性)和/或第二二维晶体薄膜(未经改性)材料可采用石墨烯，硅烯，磷烯，黑磷，锗烯、锡烯、三嗪基石墨相氮化碳、过渡金属二硫属化物(TMD)中的一种。
所述沟道层105可采用上述第二二维晶体薄膜材料中的至少一种形成。
现有研究发现，以二维晶体材料作为沟道，其迁移率和性能优于硅沟道。但是在实际的晶体管制备中发现，由于二维晶体材料与栅极介电层相接触，栅极介电层材料中的-OH基团会在二维晶体材料表面诱导出正电荷，导致沟道载流子迁移率的劣化。针对上述问题，本发明采用改性的第一二维晶体薄膜材料作为栅极介电层材料，并在其上方设置由第二二维晶体薄膜形成的沟道层；当改性的第一二维晶体薄膜栅极介电层与第二二维晶体薄膜沟道层接触时，两者的界面态密度很小，因而可以避免传统栅极介电层材料如SiO2、SiN、HfO2等材料表面的-OH基团在二维晶体材料(沟道层)表面诱导出正电荷的情况，因此可有效提高二维晶体薄膜沟道层的载流子迁移率。同时，改性的第一二维晶体薄膜栅极介电层与第二二维晶体薄膜沟道层之间的接触电阻也更小，并能够在制备时与现有的CMOS工艺很好地兼容。
作为一优选的实施方式，所述栅极介电层104还可以采用由不同材料叠加组成的复合介电层来形成。例如，所述栅极介电层104可以由使金属栅极上表面改性后形成的栅极金属氧化物层或栅极金属氟化物层104a和改性的第一二维晶体薄膜104b一起共同形成金属栅极的栅介质层(栅极介电层)，这样就更加有效保证了栅介质层的绝缘性能。在此情况下，层间介电层102可将栅极上的栅极金属氧化物层或栅极金属氟化物层104a的四周也同时包覆起来。而沟道层105也可将作为栅极介电层一部分的第一二维晶体薄膜104b的四周同时包覆起来，使得沟道层形成曲折的形貌。
以下通过具体实施方式及附图，对本发明一种半导体器件的制备方法进行详细说明。
请参阅图2，图2是本发明一较佳实施例的一种半导体器件的制备方法流程图；同时，请参阅图3-图9，图3-图9是本发明一较佳实施例中根据图2的方法制备半导体器件的工艺步骤示意图。如图2所示，本发明的一种半导体器件的制备方法，可用于制备上述例如图1的半导体器件，并可包括以下步骤：
步骤S01：提供一表面具有层间介电层的半导体衬底，在所述层间介电层上形成一凹槽。
请参阅图3。首先，可采用常规的半导体衬底201，在半导体衬底201上生长形成层间介电层202。半导体衬底201可采用例如硅衬底，层间介电层202可采用常规材料例如SiO2形成。然后，在所述层间介电层202上可通过光刻、刻蚀工艺形成凹槽203。在本实施例中，凹槽203的深度可为60nm。
步骤S02：沉积栅极金属材料，以在凹槽中形成金属栅极。
请参阅图4。接着，在凹槽203中沉积栅极金属材料，并可采用抛光工艺去除凹槽203外部多余的金属材料，从而在凹槽中形成金属栅极204。在本实施例中，栅极金属材料可为Cu。
步骤S03：在金属栅极上自对准生长第一二维晶体薄膜。
请参阅图5。接着，在金属栅极204上方自对准生长第一二维晶体薄膜205。在本实施例中，第一二维晶体薄膜材料可为石墨烯，厚度可为5nm。
步骤S04：对第一二维晶体薄膜进行改性处理，以形成栅极介电层。
请参阅图6。改性处理工艺可以是氧化或氟化处理工艺。例如，可通过掺杂、退火等工艺，对上述第一二维晶体薄膜205进行改性处理，形成改性的第一二维晶体薄膜206a，作为栅极介电层。
作为另一种实现方式，当实施上述改性处理工艺时，金属栅极204的上表面可以同时被改性，形成栅极金属改性层，即凹槽中的金属栅极上表面和第一二维晶体薄膜可以同时被氧化或氟化，形成栅极金属氧化物层或栅极金属氟化物层(栅极金属改性层)206b和改性的第一二维晶体薄膜206a，并共同形成金属栅介电层(栅极介电层)206b和206a。在本实施例中，采用通氧气的退火工艺，使第一二维晶体薄膜材料石墨烯变成改性的第一二维晶体薄膜材料氧化石墨烯；同时，与石墨烯接触的金属栅极上表面也氧化形成氧化铜栅极金属氧化物层，厚度可为2nm。氧化石墨烯和氧化铜一同形成了栅极介电层。
步骤S05：在栅极介电层上形成第二二维晶体薄膜，以形成沟道层。
请参阅图7。接着，通过对二维晶体薄膜的转移、光刻和刻蚀工艺，在栅极介电层206b和206a上形成第二二维晶体薄膜，作为沟道层207。在本实施例中，采用的第二二维晶体薄膜沟道层材料为二钼化硫，厚度为10nm。
步骤S06：在沟道层和层间介电层上形成钝化层。
请参阅图8。接着，在第二二维晶体薄膜沟道层207和层间介电层202上形成钝化层208。在本实施例中，钝化层可为Si3N4，厚度在100nm左右。
步骤S07：在金属栅极两侧的钝化层中形成源漏电极。
请参阅图9。最后，在钝化层208两侧的源漏区位置上进行光刻、刻蚀，形成源漏开口图形；之后，沉积源漏金属，并通过抛光平坦化，形成与钝化层208表面平齐的源漏电极209。在本实施例中，源漏电极的材料可为Cu。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种半导体器件，其特征在于，自下而上包括：
栅极；
位于栅极上的栅极介电层；
位于栅极介电层上的沟道层；
位于栅极两侧的沟道层上的源漏电极；
其中，所述栅极介电层至少由改性的第一二维晶体薄膜形成，所述沟道层由第二二维晶体薄膜形成。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述改性的第一二维晶体薄膜为经氧化或氟化的第一二维晶体薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其特征在于，所述第一二维晶体薄膜和/或第二二维晶体薄膜材料为石墨烯，硅烯，磷烯，黑磷，锗烯、锡烯、三嗪基石墨相氮化碳或过渡金属二硫属化物。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述栅极至少由一种金属材料形成。
5.根据权利要求4所述的半导体器件，其特征在于，所述栅极介电层还包括形成于栅极上表面的栅极金属氧化物层或栅极金属氟化物层。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，还包括：钝化层；所述钝化层将沟道层的四周及上表面包覆，所述源漏电极位于钝化层中。
7.根据权利要求6所述的半导体器件，其特征在于，还包括：层间介电层和半导体衬底；所述层间介电层连接设于钝化层和沟道层下方，并将栅极的四周及下表面包覆，所述半导体衬底连接设于层间介电层下方。
8.一种半导体器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：提供一表面具有层间介电层的半导体衬底，在所述层间介电层上形成一凹槽；
步骤S02：沉积栅极金属材料，以在凹槽中形成金属栅极；
步骤S03：在金属栅极上自对准生长第一二维晶体薄膜；
步骤S04：对第一二维晶体薄膜进行改性处理，以形成栅极介电层；
步骤S05：在栅极介电层上形成第二二维晶体薄膜，以形成沟道层；
步骤S06：在沟道层和层间介电层上形成钝化层；
步骤S07：在金属栅极两侧的钝化层中形成源漏电极。
9.根据权利要求8所述的半导体器件的制备方法，其特征在于，步骤S04中，通过改性处理工艺，使金属栅极的上表面同时被改性，形成栅极金属改性层，所述栅极金属改性层和改性的第一二维晶体薄膜共同形成栅极介电层。
10.根据权利要求9所述的半导体器件的制备方法，其特征在于，所述改性处理工艺为氧化或氟化处理工艺，所述栅极金属改性层为栅极上表面经氧化或氟化改性处理所形成的栅极金属氧化物层或栅极金属氟化物层。
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