基於石墨烯的三維集成電路器件的製作方法

2023-08-10 18:06:56 2

專利名稱：基於石墨烯的三維集成電路器件的製作方法
技術領域：
本發明大體而言涉及半導體器件製造，更特別地，涉及基於石墨烯的三維(3D)集成電路器件。
背景技術：
石墨烯是指以六角苯環結構排列的碳原子的二維平面薄片。獨立的石墨烯結構理論上僅在二維空間中穩定，這意味著在三維空間中並不存在確實平面的石墨烯結構，其因彎曲結構的形成而不穩定，所述彎曲結構例如為菸灰(soot)、富勒烯(fulIerenes)、納米管或皺曲的(buckled)二維結構。但是，當支撐在襯底上時，例如，支撐在碳化矽(SiC)晶體的表面上時，二維石墨烯結構可以是穩定的。也已製造過獨立的石墨烯膜，但其不具有理想的平坦幾何構形。在結構上，石墨烯具有由Sp2雜化而形成的雜化軌道。在Sp2雜化中，2s軌道和三 個2p軌道中的兩個混合形成三個Sp2軌道。剩下的一個p軌道在碳原子之間形成鍵。與苯的結構相似，石墨烯的結構具有P軌道的共軛環，即，石墨烯結構是芳族結構。與諸如金剛石、無定形碳、碳納米泡沫(carbon nanofoam)、或富勒烯的其它碳的同素異形體不同，石墨烯僅有一個原子層厚。石墨烯具有不尋常的能帶結構，其中錐形電子和空穴袋僅在動量空間中的布裡淵區(Brillouin zone)的K點處相遇。電荷載流子(即電子或空穴)的能量具有對載流子的動量的線性相關性。因此，載流子如同具有零有效質量的相對的狄拉克-費米子(Dirac-Fermions),並由狄拉克方程支配。石墨烯薄片在4K下具有大於200，000cm2/V-sec的高載流子遷移率。即使在300K下，載流子遷移率也可高至15，000cm2/V-sec。可通過固態石墨化，即，通過使矽原子從碳化矽晶體的表面(例如(0001)表面)升華，來生長石墨烯層。在約1，150°C下，複雜的表面重構圖形在石墨化的初始階段開始出現。典型地，需要較高的溫度來形成石墨烯層。本領域中還已知位於另一材料上的石墨烯層。例如，可以通過從富含碳的前體(precursor )化學沉積碳原子,在金屬表面上(例如銅和鎳)上形成單個或多個石墨烯層。石墨烯呈現出許多其它有利的電特性，例如，量子幹涉效應和在近室溫下的電子相干性。在石墨烯層中還預期小尺度結構的彈道傳輸特性(ballistic transportproperty)。儘管石墨烯僅在若干年前首次被分離出(通過使用普通透明膠帶)，但此領域目前受到密集研究。由於諸如上述的獨特電特性(例如，高電荷載流子遷移率等)，石墨烯在電子應用方面非常有前景。例如，近來已展示了石墨烯電晶體，並且更先進的石墨烯電路被認為是在將來的集成電路技術中可能取代矽的有希望的候選者。然而，當前簡單且低成本的石墨烯製造工藝的缺乏限制了石墨烯應用的發展
發明內容
在一個示例性實施例中，一種三維(3D)集成電路(IC)結構包括形成在襯底上的第一石墨烯層；利用所述第一石墨烯層形成的一個或多個有源器件的第一層級(level);形成在所述一個或多個有源器件的第一層級上的絕緣層；形成在所述絕緣層上的第二石墨烯層；以及利用所述第二石墨烯層形成的一個或多個有源器件的第二層級，所述一個或多個有源器件的第二層級與所述一個或多個有源器件的第一層級電氣互連。在另一實施例中，一種形成三維(3D)集成電路(IC)結構的方法包括在襯底上形成第一石墨烯層；利用所述第一石墨烯層形成一個或多個有源器件的第一層級；在所述一個或多個有源器件的第一層級上形成絕緣層；在所述絕緣層上形成第二石墨烯層；以及利用所述第二石墨烯層形成一個或多個有源器件的第二層級，所述一個或多個有源器件的第二層級與所述一個或多個有源器件的第一層級電氣互連。


參見示例性附圖，其中相似部件在多個圖中被相似地編號 圖1(a)至1(h)是一系列截面圖，示例出根據本發明的實施例形成基於石墨烯的三維(3D)集成電路的示例性方法；以及圖2(a)至2(k)是一系列截面圖，示例出根據本發明的另一實施例形成基於石墨烯的3D集成電路的示例性方法。
具體實施例方式本文中公開了基於石墨烯的三維(3D)集成電路器件及其形成方法的實施例。在半導體產業中，3D集成電路(IC) 一般指具有兩層或更多層有源電子部件的晶片，所述有源電子部件被垂直地且水平地集成到單一電路中。3D IC可能提供許多顯著優勢，例如較小的覆蓋區(footprint)(在小空間中納入更多功能性)、速度(平均線路長度變短許多，轉而減少信號傳播延遲並提高總體效能)、功率消耗(通過保持晶片上信號(signal on-chip),所產生的較短線路降低了功率消耗並產生較小的寄生電容)、以及異質集成等等。在異質集成的情況下，可以以不同的工藝，或甚至在不同類型晶片上，形成不同電路層。此外，可以在單個器件中組合否則具有完全不兼容的製造工藝的部件。目前,3D IC可通過例如晶片上晶片接合(wafer-on-wafer bonding)的技術而形成，其中電子部件被構造在兩個或更多個半導體晶片上，然後被對準、接合併切割成3D 1C。可在接合之前或之後對每一個晶片進行減薄。可在接合之前在這些晶片內構造垂直連接，或者在接合之後在疊層內構造垂直連接。這些「矽通孔(TSV)」在有源層之間和/或有源層與外部接合襯墊(bond pad)之間穿過娃襯底。在晶片上管芯(die-on_wafer)方法中，電子部件被構造在兩個半導體晶片上。一個晶片被切割，然後將單化的(singulated)管芯對準並接合至第二晶片的管芯位置上。與晶片上晶片法一樣，在接合之前或之後進行減薄和TSV產生。可在切割前將另外的管芯添加到疊層。或者，在管芯上管芯(die-on-die)方法中，電子部件被構造在多個管芯上，然後被對準並接合。可在接合之前或之後進行減薄和TSV產生。為了避免多重襯底以及對準、減薄、接合或TSV技術，希望單片地(monolithically)形成3D 1C。也就是說，這些電子部件及其連接(布線)被構造在單個半導體晶片上的各層內，然後被切割成3D 1C。不幸地，此法的現有應用目前受到限制，這是因為在半導體層中產生常規電晶體(例如摻雜劑注入和激活退火)需要對於任何現有布線足夠的處理溫度。因此，圖I (a)至1(h)是一系列截面圖，示例出形成基於石墨烯的三維(3D)集成電路的示例性方法。從圖1(a)開始，初始襯底102(例如，矽)具有形成在其上的絕緣層(例如，諸如SiO2的氧化物)104。在圖1(b)中，毪覆的(blanket)石墨烯層106被轉印(transfer)至該絕緣層104上。可以本領域中公知的任何適當方法執行石墨烯薄膜的轉印，例如，通過幹法熱剝離膠帶(thermal release tape)工藝。在一個示例性實施例中，該石墨烯層106為石墨烯單層。值得注意的是，由於石墨烯以該方式被沉積在該襯底表面上，所以石墨烯是一種特別適用於3D集成的材料。如圖1(c)所示，通過合適的光刻技術(例如，硬掩膜和/或光致抗蝕劑層形成、顯影以及蝕刻)對該石墨烯層106構圖，以形成所需的基於石墨烯的器件的有源區。接著進行電晶體器件的第一層級的形成。如圖1(d)所示，用諸如柵極電介質層108和柵極電極層 110的電晶體柵極疊層材料覆蓋石墨烯有源區106。在示例性實施例中，柵極電介質層108可以是高k材料，例如鉿、矽酸鉿、氧化鋯、矽酸鋯、氮化的電介質、以及其組合物。柵極電極層110可包括多晶矽、金屬、或其組合物。現在參見圖1(e)，接著對柵極電介質層108和柵極電極層110構圖，以在構圖的石墨烯有源區106上限定電晶體器件(例如場效應電晶體或FET)，所述電晶體器件包括柵極電極層112和柵極電介質層114。應注意，這些圖中示出的構圖操作本質上僅為示例性的，例如，根據依賴於電晶體器件的類型和極性的不同柵極疊層要求，可使用多於一個構圖和RIE工藝。因此，在所示出的示例性實施例中，標記「GN」表示用於n型器件(例如NFET)的電晶體柵極，而標記「PN」表示用於p型器件(例如PFET)的電晶體柵極。圖1(f)示出了在對柵極疊層構圖之後，源極/漏極接觸116和導電襯墊(conductive pad)結構118的形成。源極和漏極接觸的形成包括，例如，源極/漏極接觸材料的沉積與構圖。源極/漏極接觸材料可以是金屬材料，例如鈦(Ti)、鈀(Pd)、鋁(Al)、鎢(W)、或其合金。沉積方法可包括，例如，濺射以及原子層沉積(ALD)。在完成第一層的石墨烯電路器件後，如圖1(g)所示，在器件上形成絕緣層120(例如，氧化物)。然後，根據3D IC的結構，在絕緣層120中蝕刻出過孔122，以便提供與基於石墨烯的有源器件的一個或多個額外的層級的垂直電連接。在圖1(h)中，基於石墨烯的有源器件的下層級124被示出為與基於石墨烯的有源器件的上層級126連接。上層級126的形成與下層級124的形成相似，即，首先將石墨烯層(例如單層)沉積/轉印到該完成的下層級124上，接著對預期的石墨烯有源區構圖，形成並構圖柵極疊層材料，形成並構圖源極/漏極接觸和導電襯墊，以及在上層級器件上形成絕緣層。雖然所示例的實施例示出了一對基於石墨烯的有源器件層級，但可以理解，可根據需要重複上述過程，以形成另外的基於石墨烯的有源器件層級。在一個預期的實施例中，每個石墨烯層級可具有不同功能(例如，邏輯、模擬、存儲)。由於柵極電極和介電質被設置在有源石墨烯源極/漏極區上方，圖1(a)至1(h)的工藝流程順序所示的示例性3D IC器件實施例是頂柵取向(orientation)的實例。然而，也可利用底部取向形成有源石墨烯器件，如圖2(a)至2 (k)的工藝流程順序中所示。從圖2(a)開始，初始襯底202 (例如矽)具有形成在其上的絕緣層(例如，諸如SiO2的氧化物)204，這與圖1(a)的頂柵取向工藝相似。在本方法中的此時，不將石墨烯層轉印至絕緣層204，而是將絕緣層204構圖為具有與下層級的基於石墨烯的器件的柵極位置對應的過孔206，如圖2(b)所示。然後，如圖2(c)所示，在該器件上形成柵極電極層208而填充過孔。一旦該柵極電極層208被平坦化，各柵極電極210即被限定，如圖2(d)所示。然後在絕緣層204和柵極電極210上形成柵極電介質層212，如圖2(e)所示。與第一實施例的情況一樣，柵極電介質層212可以是高k柵極電介質層。現在參見圖2(f)，在柵極電介質層212上形成石墨烯層214。同樣，可以本領域中已知的任何適當方式，例如，通過幹法熱剝離膠帶法，執行石墨烯膜的轉印。在一個示例性實施例中，該石墨烯層214為石墨烯單層。如也在圖2(f)中示出的，柵極電極被標以「GN」和「GP」的標誌，以表示示例性的n型和p型FET器件。在圖2(g)中，根據所需的有源區將石墨烯層構圖為與底部取向柵極電極的位置 對應。該毯覆的柵極電介質層212此時保持完整。接下來如圖2(h)所示，形成用於基於石墨烯的FET器件的源極/漏極接觸216，隨後進行柵極電介質層構圖並形成導電襯墊218，如圖2(i)所示。經如此配置，基於石墨烯的第一或下層有源器件完成，接著在器件上形成絕緣層220 (例如氧化物)，如圖2(j)所示。然後，根據3D IC的結構，在絕緣層220中蝕刻過孔222，以便提供與基於石墨烯的有源器件的一個或多個額外的層級的垂直電連接。最後，在圖2(k)中，基於石墨烯的有源器件的第二層級224被示出為與基於石墨烯的有源器件的第一層級連接。這裡，第二層級224的FET器件也是底部取向柵極。然而，仍進一步預期基於石墨烯的3D IC結構能夠在相同或不同的器件層級內具有頂部取向柵極和底部取向柵極兩者。雖然已關於優選實施例而描述了本發明，但本領域技術人員應理解，在不背離本發明的範圍的情況下，可以進行各種改變，並且可以用等效物取代本發明的要素。此外，可做出眾多調整以使特定情況或材料適於本發明的教示，而不背離本發明的本質範圍。因此，並不意欲使本發明受限於所公開的特定實施例作為執行本發明所預期的最佳模式，而是本發明可包含落在附屬權利要求的範圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種三維(3D)集成電路(IC)結構，包括 形成在襯底上的第一石墨烯層； 利用所述第一石墨烯層形成的一個或多個有源器件的第一層級； 形成在所述一個或多個有源器件的第一層級上的絕緣層； 形成在所述絕緣層上的第二石墨烯層；以及 利用所述第二石墨烯層形成的一個或多個有源器件的第二層級，所述一個或多個有源器件的第二層級與所述一個或多個有源器件的第一層級電氣互連。
2.根據權利要求I的結構，其中所述第一和第二石墨烯層包括單層。
3.根據權利要求I的結構，其中所述第一和第二層級的所述一個或多個有源器件包括場效應電晶體，所述場效應電晶體具有相對於關聯的石墨烯層的頂柵取向關係。
4.根據權利要求3的結構，還包括被設置在所述石墨烯層上的多個源極接觸和漏極接觸，所述多個源極接觸和漏極接觸鄰近所述石墨烯層上的頂部取向的柵極電極。
5.根據權利要求I的結構，其中所述第一和第二層級的所述一個或多個有源器件包括場效應電晶體，所述場效應電晶體具有相對於關聯的石墨烯層的底柵取向關係。
6.根據權利要求5的結構，還包括被設置在所述石墨烯層上的多個源極接觸和漏極接觸，所述多個源極接觸和漏極接觸位於所述石墨烯層下面的底部取向的柵極電極上方。
7.根據權利要求I的結構，其中所述第一層級的所述一個或多個有源器件具有與所述第二層級的所述一個或多個有源器件不同的功能。
8.一種形成三維(3D)集成電路(IC)結構的方法，所述方法包括 在襯底上形成第一石墨烯層； 利用所述第一石墨烯層形成一個或多個有源器件的第一層級； 在所述一個或多個有源器件的第一層級上形成絕緣層； 在所述絕緣層上形成第二石墨烯層；以及 利用所述第二石墨烯層形成一個或多個有源器件的第二層級，所述一個或多個有源器件的第二層級與所述一個或多個有源器件的第一層級電氣互連。
9.根據權利要求8的方法，其中所述第一和第二石墨烯層包括單層。
10.根據權利要求8的方法，其中所述第一和第二層級的所述一個或多個有源器件包括場效應電晶體，所述場效應電晶體具有相對於關聯的石墨烯層的頂柵取向關係。
11.根據權利要求10的方法，還包括形成被設置在所述石墨烯層上的多個源極接觸和漏極接觸，所述多個源極接觸和漏極接觸鄰近所述石墨烯層上的頂部取向的柵極電極。
12.根據權利要求10的方法，還包括通過以下步驟形成所述頂柵取向的場效應電晶體 根據所需的有源布局區對所述關聯的石墨烯層構圖； 在構圖的石墨烯層上形成柵極電介質層和柵極電極層；以及 根據所需的柵極圖形去除所述柵極電介質層和柵極電極層的一部分。
13.根據權利要求8的方法，其中所述第一和第二層級的所述一個或多個有源器件包括場效應電晶體，所述場效應電晶體具有相對於關聯的石墨烯層的底柵取向關係。
14.根據權利要求13的方法，還包括形成被設置在所述石墨烯層上的多個源極接觸和漏極接觸，所述多個源極接觸和漏極接觸位於所述石墨烯層下面的底部取向的柵極電極上方。
15.根據權利要求13的方法，還包括通過以下步驟形成所述底柵取向的場效應電晶體 根據所需的柵極圖形在關聯的絕緣層中形成開口； 用柵極電極材料填充所述關聯的絕緣層中的所述開口，並對所述柵極電極材料進行平面化以形成各柵極電極； 在所述各柵極電極上形成柵極電介質層； 在所述柵極電介質層上形成所述關聯的石墨烯層；以及 根據所需的有源布局區對所述關聯的石墨烯層和柵極電介質層構圖。
16.根據權利要求8的方法，其中所述第一層級的所述一個或多個有源器件具有與所述第二層級的所述一個或多個有源器件不同的功能。
17.根據權利要求8的方法，其中形成所述第一和第二石墨烯層包括幹法熱剝離膠帶工藝。
全文摘要
一種三維(3D)集成電路(IC)結構包括形成在襯底上的第一石墨烯層；利用所述第一石墨烯層形成的一個或多個有源器件的第一層級；形成在所述一個或多個有源器件的第一層級上的絕緣層；形成在所述絕緣層上的第二石墨烯層；以及利用所述第二石墨烯層形成的一個或多個有源器件的第二層級，所述一個或多個有源器件的第二層級與所述一個或多個有源器件的第一層級電氣互連。
文檔編號H01L29/12GK102782856SQ201180011564
公開日2012年11月14日 申請日期2011年2月4日 優先權日2010年3月8日
發明者林崇勳, 漢述仁, 蘇寧, 郭德超 申請人:國際商業機器公司