專利名稱：基于倒置工藝的二維材料納米器件及其形成方法
技術領域：
本發明半導體技術領域，特別涉及一種基于倒置工藝的二維材料納米器件及其形成方法。
背景技術：
近年來，研究表明石墨烯材料具有本征載流子遷移率高、強場漂移速度高、電流承載能力高(比金屬高一個數量級)、面內熱導率高等優異性能特點。又因為該材料具有規模化制備材料的潛力，有望成為目前的Si基COMS的附加技術，廣泛應用于半導體技術領域。現有的石墨烯晶體管如圖I所示，其形成方法為首先在SiO2的介質層上形成石墨烯薄膜，隨后在石墨烯薄膜上形成高介電常數(High-K)介質材料的柵極介質層，隨后在柵極介質層上形成柵極以及在石墨烯薄膜上形成源極和漏極。
現有技術的缺點是在石墨烯薄膜上形成High-K介質材料的柵氧化層比較困難，往往因為引入離子修飾成難以做到較小的等效氧化厚度(equivalent oxide thinness,EOT)，所以難于提高柵控能力；在石墨烯薄膜上同時形成柵極、源極和漏極的過程中，工藝精確度難以得到保證；以及最終得到的器件的源漏接觸的電阻較大。石墨烯薄膜上承載過多工藝步驟對于保護其優良電學性能不利，例如多次光刻過程中光刻膠對石墨烯性能的惡化，以及可能的濕法刻蝕對High-K材料性能的惡化等等。
發明內容
本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法，該方法采用倒置工藝，易于實現、穩定可靠。本發明的另一目的在于提出一種基于倒置工藝的二維材料納米器件，該器件具有倒置結構，源漏接觸小、柵控能力強。為達到上述目的，本發明的實施例公開了一種基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法，包括以下步驟提供襯底；在所述襯底之上形成過渡層；在所述過渡層之上形成金屬走線層，并在所述金屬走線層中填充層間介質以形成層間介質層；在所述層間介質層之上形成連接線，其中，所述連接線的至少一部分與所述金屬走線層相連；在所述層間介質層之上形成金屬接觸層，所述金屬接觸層與所述連接線相連；刻蝕所述金屬接觸層以分別形成源極、漏極和柵極，其中，所述源極和漏極分別通過所述金屬接觸層與所述連接線相連；在所述柵極之上形成柵極介質層；以及在所述源極、漏極、和柵極的柵極介質層之上形成石墨烯薄膜作為所述基于倒置工藝的二維材料納米器件的溝道層。在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法的優選實施例中，所述過渡層為通過熱氧化形成的Si02。在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法的優選實施例中，所述層間介質層為通過沉積形成的Si02。
在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法的優選實施例中，還包括在所述過渡層之上形成所述金屬走線層的同時，在所述過渡層之上形成無源器件。在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法的優選實施例中，所述柵極介質層為高介電常數材料A1203、HfO2或HfSiON。在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法的優選實施例中，所述源極、漏極和柵極在同一平面上。在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法的優選實施例中，通過Cu襯底上CVD后化學濕法轉移，或者Pt襯底上CVD后電化學法轉移以形成所述石墨烯薄
膜。 在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法的優選實施例中，還包括步驟蒸發歐姆接觸電阻，以使在所述源極和漏極上形成歐姆接觸。本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法采用倒置工藝，具有如下優點(I)該方法首先在介質層同時上形成柵極、源極和漏極，以保證器件結構的精度；(2)在金屬材料的柵極上生長high-K介質材料的柵極介質層,該工藝較易實現；(3)柵極介質層非常薄，因此柵極、源極和漏極可視為在同一平面上，在形成石墨烯薄膜的過程中，可利用氣壓形成平整、緊密的石墨烯-電極接觸；(4)可實現源漏歐姆接觸，并且接觸電阻因為金屬-石墨烯-金屬兩面夾的結構以及石墨烯上較少沾污的原因而阻值較小。為達到上述目的，本發明的實施例還公開了一種基于倒置工藝的二維材料納米器件，包括襯底；形成在所述襯底之上的過渡層；形成在所述過渡層之上的金屬走線層和層間介質層，所述層間介質層填充在所述金屬走線層之間；形成在所述層間介質層之上的連接線，其中，所述連接線的至少一部分與所述金屬走線層相連；形成在所述層間介質層之上的源極、漏極和柵極，所述源極、漏極和柵極包括形成在所述層間介質層之上的金屬接觸層，其中，所述源極和漏極分別通過所述金屬接觸層與所述連接線相連；以及形成在所述柵極之上的柵極介質層和形成在所述源極、漏極和柵極之上的溝道層，其中，所述溝道層為石墨烯薄膜。在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的優選實施例中，所述過渡層為通過熱氧化形成的Si02。在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的優選實施例中，所述層間介質層為通過沉積形成的SiO2。在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的優選實施例中，還包括形成在所述過渡層之上的無源器件，其中所述無源器件與所述金屬走線層同時形成。在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的優選實施例中，所述柵極介質層為高介電常數材料A1203、HfO2或HfSiON。在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的優選實施例中，所述源極、漏極和柵極在同一平面上。在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的優選實施例中，所述石墨烯薄膜通過Cu襯底上CVD后化學濕法轉移，或者Pt襯底上CVD后電化學法轉移形成。在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的優選實施例中，還包括形成在所述源極和漏極上的歐姆接觸。
本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件具有倒置結構，具有如下優點(1)該器件的柵極、源極和漏極是同時形成在介質層上的，器件結構精度較高；(2) high-K介質材料的柵極介質層形成在金屬材料的柵極上，可以加工得比較精細；(3)石墨烯與柵極、源極和漏極之間的接觸比較平整、緊密；(4)由于接觸電阻為金屬-石墨烯-金屬兩面夾的結構，以及石墨烯上較少沾污，使得源漏歐姆接觸阻值較小。本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中
圖I為現有的石墨稀晶體管的結構不意圖；圖2-圖15為本發明一個實施例的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法的不意圖；圖16為本發明一個實施例的基于倒置工藝的二維材料納米器件的結構示意圖；和圖17為本發明另一個實施例的基于倒置工藝的二維材料納米器件的結構示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。在本發明的描述中，需要理解的是，術語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。下面參考圖2至圖17來具體闡述根據本發明實施例的基于倒置工藝的二維材料納米器件形成方法，以及基于倒置工藝的二維材料納米器件。本發明提出的一種基于倒置工藝的基于倒置工藝的二維材料納米器件形成方法，包括以下步驟步驟SI，提供襯底。具體地，如圖2所示，提供襯底100。在本發明的一個優選實施例中，采用單面拋光的高阻Si襯底，晶向〈100〉，摻雜為N型。
步驟S2，在襯底之上形成過渡層。具體地，如圖3所示，在襯底100之上形成過渡層200。在本發明的一個優選實施例中，對襯底100的上表面進行熱氧化處理，使Si轉變為SiO2，作為過渡層200，厚度為
O.7-1 μ mD步驟S3，在過渡層之上形成金屬走線層，并在金屬走線層中填充層間介質以形成層間介質層。具體地，首先如圖4所示，首先通過濺射等方式在過渡層200上形成第一金屬層300 (例如A1)厚度約O. 7μπι。然后如5所示，通過光刻工藝刻蝕第一金屬層300形成鋁線，即形成金屬走線層300。最后如圖6所示，通過PECVD等方式沉積厚度約為O. 5μπι的SiO2，作為層間介質層400。 優選地，還可以沉積Al后還可進一步沉積一層較薄的TiN抗反射層(圖中未示出)，以使提高光刻精度，保證光刻線條質量。優選地，在過渡層200之上形成金屬走線層300的同時，還可以在過渡層200之上形成無源器件(圖中未示出)。步驟S4，在層間介質層之上形成連接線，其中，連接線的至少一部分與金屬走線層相連。具體地，首先如圖7所示，先進行光刻及刻蝕，使層間介質層400上開出通孔，然后第二次通過派射等方式在層間介質400上形成第二金屬層500 (例如Α1)厚度約O. 7 μ m。然后如圖8所示，通過光刻工藝刻蝕第二金屬層500形成金屬線，即形成連接線500。其中，連接線500的至少一部分經過通孔與金屬走線層300相連。步驟S5，在層間介質層之上形成金屬接觸層，該金屬接觸層與連接線相連。具體地，首先如圖9所示，濺射柵源漏金屬材料以在層間介質層400上形成厚度約120nm的金屬接觸層600，其中金屬接觸層600可為Ti、Ti/TiN或Ni。然后如圖10所示，對進行金屬接觸層600進行光刻和刻蝕處理，去掉多余的部分，僅保留用于形成源漏柵的區域以及該區域與連接線500相連的部分。需要說明的是，若金屬接觸層600的材料的功函數高于(低于)石墨烯，調節石墨烯費米能級，使其表現成P型(η型)。金屬功函數和石墨烯功函數的差越大，石墨烯中載流子濃度越大。功函數和石墨烯差越大，載流子濃度越高，有利于降低接觸電阻。例如，石墨烯功函數普遍認為是4. 3eV, Ti的功函數為3. 96eV,則形成η型石墨烯；TiN功函數為5.05-5. 15eV,Ni功函數5. 15eV,則形成p型石墨烯。選擇多種金屬電極有利于制備多種石墨稀慘雜水平的器件。TiN、Ni和石墨稀的功函數差距較大，提聞了石墨稀中載流子濃度，利于降低接觸電阻。步驟S6，刻蝕所述金屬接觸層以分別形成源極、漏極和柵極，其中，源極和漏極分別通過金屬接觸層與連接線相連。具體地，如圖11所示，采用電子束光刻的工藝，刻蝕金屬接觸層600以分別形成源極S、漏極D和柵極G，其中源極S和漏極D分別通過金屬接觸層600與連接線500相連，進而與金屬走線層300相連。在一個具體實施例中，在柵與源漏金屬之間的開槽寬度為250nm，柵線條寬度為200nmo
步驟S7，在柵極之上形成柵極介質層。具體地，首先如圖12所示，通過原子層沉積(ALD)在器件表面生長一層高介電常數(High-K)介質材料700，例如A1203、HfO2或HfSiON等，其EOT約為I. 5nm。然后如圖13所示，通過光刻和刻蝕工藝去除源漏區的High-K介質材料700，即僅在柵極上保留High-K介質材料700，作為柵極介質層700。其中，柵極介質層700由于其材料特性，能在較大的物理厚度形成較小的二氧化硅等效厚度(EOT)，從而阻止漏電，提高器件的柵控能力。步驟S8、在源極、漏極、和柵極的柵極介質層之上形成石墨烯薄膜作為基于倒置工藝的二維材料納米器件的溝道層。圖14為圖13中虛線矩形框部分的局部放大圖，主要展示了基于倒置工藝的二維材料納米器件的源極、漏極、和柵極的相關部分。后面的圖15同樣為圖13中虛線矩形框部分的局部放大圖，展示了基于倒置工藝的二維材料納米器件的源極、漏極、和柵極的相關部分，后文不再贅述。 具體地，如圖14所示，通過Cu襯底上CVD后化學濕法轉移，或者Pt襯底上CVD后電化學法轉移方法，在源極S、漏極D和柵極G上形成石墨烯薄膜作為溝道層800。由于源極S、漏極D和柵極G的金屬接觸層600厚度一致，而柵極G上的柵極介質層700厚度較薄，故可以視為源極S、漏極D和柵極G仍處于同一平面上，因此沉積的石墨烯薄膜可以利用氣壓平整緊密地貼合在源極S、漏極D和柵極G頂部，有效避免了轉移覆蓋不緊密，達到緊密吸附的有益效果。在本發明的一個優選實施例中，還可包括步驟S9，蒸發歐姆接觸電阻，以使在所述源極和漏極上形成歐姆接觸。具體的，如圖15所示，在形成石墨烯薄膜的溝道層800之后，在源極S和漏極D上通過蒸發等工藝形成幾十納米(通常取經驗值40nm)厚度的金屬材料及金屬材料的組合(例如Ti+Au，Ti+Pd+Au, Pd+Au),以形成歐姆接觸 900。本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法采用倒置工藝，具有如下優點(1)該方法首先在介質層同時上形成柵極、源極和漏極，以保證器件結構的精度；(2)在金屬材料的柵極上生長high-K介質材料的柵極介質層,該工藝較易實現；(3)柵極介質層非常薄，因此柵極、源極和漏極可視為在同一平面上，在形成石墨烯薄膜的過程中，可利用氣壓形成平整、緊密的石墨烯-電極接觸；(4)可實現源漏歐姆接觸，并且接觸電阻因為金屬-石墨烯-金屬兩面夾的結構以及石墨烯上較少沾污的原因而阻值較小。本發明還提出了一種基于倒置工藝的二維材料納米器件，如圖16所示，包括以下部分襯底100 ;形成在襯底100之上的過渡層200 ;形成在過渡層200之上的金屬走線層300和層間介質層400,其中層間介質層400填充在金屬走線層300之間；形成在層間介質層400之上的連接線500，其中，連接線500的至少一部分與金屬走線層300相連；形成在層間介質層400之上的源極S、漏極D和柵極G，其中，源極S、漏極D和柵極G包括形成在層間介質層400之上的金屬接觸層600，源極S和漏極D分別通過金屬接觸層600與連接線500相連；以及形成在柵極G之上的柵極介質層700和形成在源極S、漏極D和柵極G之上的溝道層800，其中，溝道層800為石墨烯薄膜。具體地，過渡層200為通過熱氧化形成的SiO2 ;層間介質層400為通過沉積形成的SiO2 ;柵極介質層700可為高介電常數介質材料Al203、Hf02或HfSiON ;石墨烯薄膜800通過Cu襯底上CVD后化學濕法轉移，或者Pt襯底上CVD后電化學法轉移形成。需要說明的是，其中，源極S、漏極D和柵極G在同一平面上。在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的優選實施例中，還包括形成在過渡層200之上的無源器件(圖中未示出)，其中無源器件與金屬走線層300同時形成。在本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件的優選實施例中，如圖17所示，基于倒置工藝的二維材料納米器件還包括形成在源極S和漏極D上的歐姆接觸900。本發明的基于倒置工藝的二維材料納米器件具有倒置結構，具有如下優點(I)該器件的柵極、源極和漏極是同時形成在介質層上的，器件結構精度較高；(2) high-K介質材料的柵極介質層形成在金屬材料的柵極上，可以加工得比較精細；(3)石墨烯與柵極、源極和漏極之間的接觸比較平整、緊密；(4)由于接觸電阻為金屬-石墨烯-金屬兩面夾的結構，以及石墨烯上較少沾污，使得源漏歐姆接觸阻值較小。在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示 例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求
1.一種基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法，其特征在于，包括以下步驟 提供襯底； 在所述襯底之上形成過渡層； 在所述過渡層之上形成金屬走線層，并在所述金屬走線層中填充層間介質以形成層間介質層； 在所述層間介質層之上形成連接線，其中，所述連接線的至少一部分與所述金屬走線層相連； 在所述層間介質層之上形成金屬接觸層，所述金屬接觸層與所述連接線相連； 刻蝕所述金屬接觸層以分別形成源極、漏極和柵極，其中，所述源極和漏極分別通過所述金屬接觸層與所述連接線相連； 在所述柵極之上形成柵極介質層；以及 在所述源極、漏極、和柵極的柵極介質層之上形成石墨烯薄膜作為所述基于倒置工藝的二維材料納米器件的溝道層。
2.如權利要求I所述的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法，其特征在于，所述過渡層為通過熱氧化形成的Si02。
3.如權利要求I所述的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法，其特征在于，所述層間介質層為通過沉積形成的Si02。
4.如權利要求1-3任一項所述的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法，其特征在于，還包括在所述過渡層之上形成所述金屬走線層的同時，在所述過渡層之上形成無源器件。
5.如權利要求4所述的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法，其特征在于，所述柵極介質層為高介電常數材料A1203、HfO2或HfSiON。
6.如權利要求5所述的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法，其特征在于，所述源極、漏極和柵極在同一平面上。
7.如權利要求6所述的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法，其特征在于，通過Cu襯底上CVD后化學濕法轉移，或者Pt襯底上CVD后電化學法轉移以形成所述石墨烯薄膜。
8.如權利要求7所述的基于倒置工藝的二維材料納米器件的形成方法，其特征在于，還包括步驟蒸發歐姆接觸電阻，以使在所述源極和漏極上形成歐姆接觸。
9.一種基于倒置工藝的二維材料納米器件，其特征在于，包括 襯底； 形成在所述襯底之上的過渡層； 形成在所述過渡層之上的金屬走線層和層間介質層，所述層間介質層填充在所述金屬走線層之間； 形成在所述層間介質層之上的連接線，其中，所述連接線的至少一部分與所述金屬走線層相連； 形成在所述層間介質層之上的源極、漏極和柵極，所述源極、漏極和柵極包括形成在所述層間介質層之上的金屬接觸層，其中，所述源極和漏極分別通過所述金屬接觸層與所述連接線相連；以及形成在所述柵極之上的柵極介質層和形成在所述源極、漏極和柵極之上的溝道層，其中，所述溝道層為石墨烯薄膜。
10.如權利要求9所述的基于倒置工藝的二維材料納米器件，其特征在于，所述過渡層為通過熱氧化形成的Si02。
11.如權利要求9所述的基于倒置工藝的二維材料納米器件，其特征在于，所述層間介質層為通過沉積形成的Si02。
12.如權利要求9-11所述的基于倒置工藝的二維材料納米器件，其特征在于，還包括形成在所述過渡層之上的無源器件，其中所述無源器件與所述金屬走線層同時形成。
13.如權利要求12所述的基于倒置工藝的二維材料納米器件，其特征在于，所述柵極介質層為高介電常數材料A1203、HfO2或HfSiON。
14.如權利要求13所述的基于倒置工藝的二維材料納米器件，其特征在于，所述源極、漏極和柵極在同一平面上。
15.如權利要求14所述的基于倒置工藝的二維材料納米器件，其特征在于，所述石墨烯薄膜通過Cu襯底上CVD后化學濕法轉移，或者Pt襯底上CVD后電化學法轉移形成。
16.如權利要求15所述的基于倒置工藝的二維材料納米器件，其特征在于，還包括形成在所述源極和漏極上的歐姆接觸。
全文摘要
本發明公開了一種基于倒置工藝的二維材料納米器件及其形成方法，其中形成方法包括提供襯底；在襯底之上形成過渡層；在過渡層之上形成金屬走線層，并在金屬走線層中填充層間介質以形成層間介質層；在層間介質層之上形成連接線，其中，連接線的至少一部分與金屬走線層相連；在層間介質層之上形成金屬接觸層，金屬接觸層與連接線相連；刻蝕金屬接觸層以分別形成源極、漏極和柵極，其中，源極和漏極分別通過金屬接觸層與連接線相連；在柵極之上形成柵極介質層；以及在源極、漏極、和柵極的柵極介質層之上形成石墨烯薄膜作為溝道層。本發明的方法采用倒置工藝，易于實現、穩定可靠；本發明的器件具有倒置結構，源漏接觸小、柵控能力強。
文檔編號H01L21/336GK102867754SQ201210331608
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月7日 優先權日2012年9月7日
發明者吳華強, 錢鶴, 呂宏鳴, 肖柯, 伍曉明 申請人:清華大學