TWI600164B - 微電子結構及其形成方法（一） - Google Patents
微電子結構及其形成方法（一） Download PDFInfo
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Description
本發明涉及微電子製造領域，尤其涉及一種微電子結構及其形成方法。
目前，在微電子製造領域愈來越重視石墨烯的應用，以期將具有低電阻率及輕薄結構的石墨烯應用於其中，助於提升微電子元件的電子移動速度跟尺寸的微型化。現有技術中，應用石墨烯製作微電子元件的發展非常迅速，已提出數種模型。首先請參考圖1顯示的結構示意圖，金氧半場效電晶體(MOSFET)1是將製作於矽基板120上的石墨烯層140作為連結在源極160與汲極150之間的通道層，以二氧化矽層130作為絕緣層，藉由後閘極110控制通道層內的電子流通與否。這樣的金氧半場效電晶體雖然可以經現今製造工藝做出，但其中具有過大的寄生電容，也無法與其他元件整合製造，所以無法符合工業製造的需求。
另請參考圖2及圖3，其中圖2的金氧半場效電晶體2是以覆蓋有二氧化矽230的矽基板220後表面摻雜形成後閘極210，前表面上以化學剝離法(chemical exfoliation method)或在鎳、銅等金屬上製作出石墨烯層240，圖3的金氧半場效電晶體3是以磊晶成長(epitaxial growth)技術在碳化矽基板310
上形成石墨烯層330，並氧化形成二氧化矽層320。接著，再製作出上閘極絕緣層及上閘極270，並藉由上閘極270、360控制源極260、350與汲極250、340之間是否導通通導。但由於上閘極形式的金氧半場效電晶體2、3中石墨烯層240、330的能隙不足，導致通道導通之後無法切斷，喪失金氧半場效電晶體的重要功能。
因此，目前極需要開發應用石墨烯表現其良好元件功能並符合工業製作需求的微電子結構。
本發明的目的在於提供一種嶄新的微電子結構及其形成方法，將石墨烯的卓越超導性質應用於微電子結構中，提升微電子元件的電子特性。
依據本發明的一面向，提供一種微電子結構，包括：一基板，其上形成複數個微電子元件，且此些微電子元件分別包括一石墨烯層、一第一電極、一第二電極及一第三電極，其中，第一電極及第二電極直接接觸該石墨烯層的兩端，石墨烯層與基板之間以一第一絕緣層間隔，第三電極與石墨烯層之間以一第二絕緣層間隔，石墨烯層具有大於300meV的能隙，且第二絕緣層包括複數個隔離層定義出微電子元件的範圍。
依據本發明的另一面向，提供一種微電子結構的形成方法，包括：在一基板上形成複數個摻雜區域；選擇性地在此些摻雜區域上形成一石墨烯層，其包括至少一層石墨烯結構，且具有大於300meV的能隙；氧化形成一第一絕緣層，使石墨烯層與基板之間以第一絕緣層間隔；在石墨烯層上形成一第二絕緣層，其包括複數個隔離層定義出複數個微電子元件
的範圍；且在第二絕緣層上此些微電子元件中分別形成一第一電極、一第二電極及一第三電極，使第一電極及第二電極直接接觸石墨烯層的兩端，第三電極與石墨烯層之間以第二絕緣層間隔。
本發明可選擇性地變化，在此舉例而不限制於：基板可選擇性地採用任何基板，如矽基板；石墨烯層可選擇性地包括任意數量層的石墨烯，在此以一層為例；第一絕緣層與第二絕緣層可選擇性地選用基板材質的氧化物或高介電質薄膜等材質形成，較佳地，第一絕緣層可以是藉由使氧氣通過石墨烯層，氧化基板而形成，第二絕緣層是高介電質薄膜；第一電極、第二電極及第三電極可選擇性地皆是金屬電極。舉例來說，若所形成的微電子元件為一雙閘極場效電晶體，此第一電極、第二電極及第三電極可分別為源極、汲極和第一閘極，基板可為第二閘極。
其次，在本發明提供的微電子結構的形成方法中，在一基板上形成複數個摻雜區域的步驟可以額外包括以離子佈植技術將一摻雜物摻雜於該基板上的該些摻雜區域中及一快速熱退火處理(Rapid Thermal annealing)的步驟。舉例來說，前述摻雜物可為鎳離子，前述快速熱退火處理可以是400~1200℃的溫度進行1~1000秒，在此無須限制。其次，摻雜區域中的摻雜物較佳可作為催化劑，協助選擇性地在該些摻雜區域上形成一石墨烯層的步驟的進行。
與現有技術相比，本發明提供嶄新的微電子結構及其形成方法將石墨烯材料應用於其中，並提升石墨烯材料的能隙，藉此大幅提升微電子結構的電子特性，並且可藉由於製作過程中在形成石墨烯層之前先行形成多個摻雜區域，協助製作出尺寸與形狀一致的石墨烯層，達成量產微
電子結構的需求。
1‧‧‧金氧半場效電晶體
110‧‧‧後閘極
120‧‧‧矽基板120
130‧‧‧二氧化矽層
140‧‧‧石墨烯層140
150‧‧‧汲極
160‧‧‧源極160
2‧‧‧金氧半場效電晶體
210‧‧‧後閘極
220‧‧‧矽晶片220
230‧‧‧二氧化矽
240‧‧‧石墨烯層
250‧‧‧汲極
260‧‧‧源極
270‧‧‧上閘極
3‧‧‧金氧半場效電晶體
310‧‧‧碳化矽基板
320‧‧‧二氧化矽層
330‧‧‧石墨烯層
340‧‧‧汲極
350‧‧‧源極
360‧‧‧上閘極
4‧‧‧微電子結構
410‧‧‧基板
411、412‧‧‧摻雜區域
420‧‧‧第一絕緣層
430‧‧‧石墨烯層
440‧‧‧第二電極
450‧‧‧第一電極
460‧‧‧第二絕緣層
461‧‧‧隔離層
470‧‧‧第三電極
S100,S200,S300,S400,S500‧‧‧步驟
A、B‧‧‧微電子元件
本發明所附圖示說明如下：圖1至圖3為現有技術中的微電子結構的結構示意圖；圖4為依據本發明一實施例的微電子結構的結構示意圖；圖5至圖9為依據本發明一實施例的微電子結構在形成過程中的結構示意圖；圖10為依據本發明一實施例的微電子結構的形成方法的流程圖。
下面將結合示意圖對本發明的微電子結構及其形成方法進行更詳細的描述，其中表示了本發明的優選實施例，應該理解本領域技術人員可以修改在此描述的本發明，而仍然實現本發明的有益效果。因此，下列描述應當被理解為對於本領域技術人員的廣泛知道，而並不作為對本發明的限制。
在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精准的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
本發明的核心思想是，提供一種微電子結構及其形成方法。該方法包括：在一基板上形成複數個摻雜區域；選擇性地在此些摻雜區域上形成一石墨烯層，其包括至少一層石墨烯結構，且具有大於300meV的能隙；氧化形成一第一絕緣層，使石墨烯層與基板之間以第一絕緣層間隔；
在石墨烯層上形成一第二絕緣層，其包括複數個隔離層定義出複數個微電子元件的範圍；且在第二絕緣層上此些微電子元件中分別形成一第一電極、一第二電極及一第三電極，使第一電極及第二電極直接接觸石墨烯層的兩端，第三電極與石墨烯層之間以第二絕緣層間隔。由此在微電子結構中應用石墨烯材料，提高了微電子元件的電子特性。
下面，請參考圖4，對本發明的微電子結構及其形成方法進行詳細說明，在此顯示的微電子元件是以一雙閘極場效電晶體為例，然本發明並不限於圖4所示的特定結構。圖10為本發明的微電子結構的形成方法的流程圖；圖5至圖9為本發明的微電子結構在形成過程中的結構示意圖。
請參考圖4，並結合圖10，微電子結構4的形成方法，包括：首先，如圖5所示進行步驟S100，在一基板410上形成複數個摻雜區域411、412。在此實施例中，舉例來說是選擇性地採用矽基板，將基板410適當地清潔之後，均勻塗佈一層光阻，接著經微影、蝕刻步驟將光阻圖形化，再以離子佈植技術形成摻雜區域411、412。詳細地說，離子佈植的進行在此是使用鎳離子作為摻雜物，以1~100keV、1E15~1E18離子/平方公分的濃度將摻雜物佈植於摻雜區域411、412中，然而本發明並不限於此處的參數與材質，亦可依據實際需求設計其他的參數或選用其他材質的摻雜物，如銅、銀及金等。以本例來說，將鎳離子佈植於摻雜區域411、412之後，再進行一快速熱退火處理(Rapid Thermal annealing)的步驟。此快速熱退火處理示例性地是以400~1200℃的溫度進行1~1000秒，在此無須限制。經過快速熱退火處理之後，摻雜區域411、412的矽原子與鎳原子形成鍵結，且此鎳矽化合物較佳是延續原本基板410的矽材質的晶格方向排列。
接著，在步驟S200中，如圖6所示，選擇性地在摻雜區域411、412上形成石墨烯層430，此石墨烯層430包括至少一層石墨烯結構，且具有大於300meV的能隙。在此形成的石墨烯層430舉例可為大面積延伸的石墨烯結構或由眾多奈米帶(nano-ribbons)組成的石墨烯結構，且可包括一層或多層石墨烯結構，石墨烯層430與基板410之間亦可視需求額外包括其他材料的膜層。由於在摻雜區域411、412中的摻雜物在此可作為形成石墨烯層430的反應催化劑，協助選擇性地在摻雜區域411、412上形成一石墨烯層的步驟的進行，有助於幫助石墨烯奈米帶的聚集並控制石墨烯層430外型與邊界的整齊劃一程度，製作出符合需求的尺寸與形狀的石墨烯層430。
在本步驟之後，接著在步驟S300中，如圖7所示，氧化形成一第一絕緣層420，使石墨烯層430與基板410之間以第一絕緣層420間隔。在此示例性地經由將圖6所示的結構置入含有氧氣的環境中，使氧氣通過石墨烯層430，將基板410氧化而形成第一絕緣層420。以本例來說，氧氣將矽基板410氧化為二氧化矽形成第一絕緣層420。
接著，如圖8所示，執行步驟S400，在石墨烯層430上形成一第二絕緣層460；具體的，第二絕緣層460舉例可為任意薄膜成形技術形成的任意高介電質薄膜，如：二氧化鉿(HfO2)、二氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鈦(TiO2)以及五氧化二鉭(Ta2O5)，並以二氧化鉿為優選，在此以原子層沉積製程(Atomic layer deposition,ALD)形成的二氧化鉿為例。
此合併實施微影、蝕刻等圖形化步驟，定義第二絕緣層460內的複數個隔離層461，此些隔離層461設置在微電子元件與微電子元件A、B(示於圖9)之間，作為絕緣層並定義出各個微電子元件A、B的範圍。
之後，請參考圖9，執行步驟S500，在第二絕緣層460上此些微電子元件A、B中分別形成一第一電極450、一第二電極440及一第三電極470，使第一電極450及第二電極440直接接觸石墨烯層430的兩端，第三電極470與石墨烯層430之間以第二絕緣層460間隔。製作第一電極450、第二電極440及第三電極470的方式可以有多種變化，如以金屬濺鍍、原子層沉積或其他薄膜成形方式形成一金屬層，如鋁、銅、鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭、鎢、金、銀、鎳等及其合金，並經由光阻覆蓋欲蝕刻處之外的其他區域，經過濕法蝕刻完成去除等程序將此金屬層定義出第一電極450、第二電極440及第三電極470，或者是透過研磨方式達成。由於在本例微電子元件A、B是以一雙閘極場效電晶體為例，前述第一電極450是作為源極，第二電極440是作為汲極，第三電極470是作為第一閘極，如上閘極(top gate)，基板410是作為第二閘極，如後閘極(back gate)。因此，微電子結構4具有上閘極與後閘極一起協同控制其中的通道導通與否，上閘極的存在可大為減少寄生電容，使得微電子元件A、B可有效操作。
請繼續參考圖9，經由上述步驟，本發明獲得一種微電子結構4，包括：一基板410，其上形成複數個微電子元件A、B，且此些微電子元件A、B分別形成有一石墨烯層430、一第一電極450、一第二電極440及一第三電極470，其中，第一電極450及第二電極440直接接觸石墨烯層430的兩端，石墨烯層430與基板410之間以第一絕緣層420間隔，第三電極470與該石墨烯層430之間以第二絕緣層460間隔，石墨烯層430具有大於300meV的能隙，且第二絕緣層460包括複數個隔離層461定義出此些微電子元件A、B的範圍。
由上述過程獲得的微電子結構，由於提升石墨烯材料的能隙，如此大幅提升微電子元件的電子特性，並且藉由製作過程中適當的摻雜過程，製作出尺寸與形狀一致的石墨烯層，達成量產微電子結構的需求。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種修改和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些修改和變型在內。
S100,S200,S300,S400,S500‧‧‧步驟
Claims (5)
- 一種微電子結構的形成方法，包括：在一基板上形成複數個摻雜區域；選擇性地在該些摻雜區域上形成一石墨烯層，該石墨烯層包括至少一層石墨烯結構，且具有大於300meV的能隙；氧化形成一第一絕緣層，使該石墨烯層與該基板之間以該第一絕緣層間隔；在該石墨烯層上形成一第二絕緣層，該第二絕緣層包括複數個隔離層定義出複數個微電子元件的範圍；且在該第二絕緣層上該些微電子元件中分別形成一第一電極、一第二電極及一第三電極，使該第一電極及該第二電極直接接觸該石墨烯層的兩端，該第三電極與該石墨烯層之間以該第二絕緣層間隔。
- 如申請專利範圍第1項所述的微電子結構的形成方法，其中在一基板上形成複數個摻雜區域的步驟更包括：以離子佈植技術將一摻雜物摻雜於該基板上的該些摻雜區域中；且進行一快速熱退火處理。
- 如申請專利範圍第2項所述的微電子結構的形成方法，其中，該摻雜物為鎳離子，該快速熱退火處理是以400~1200℃的溫度進行1~1000秒。
- 如申請專利範圍第1項所述的微電子結構的形成方法，其中，該選擇性地在該些摻雜區域上形成一石墨烯層的步驟是以該摻雜區域中的該摻雜物作為催化劑進行。
- 如申請專利範圍第1項所述的微電子結構的形成方法，其中，該第 一絕緣層是藉由使氧氣通過該石墨烯層，氧化該基板而形成。
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