超短溝道電晶體及其製造方法與流程
2023-12-02 20:48:46 2
本發明總體上涉及納米科技領域和半導體領域，更特別地，涉及一種具有超短溝道的電晶體及其製造方法，該電晶體可具有亞十納米溝道長度。
背景技術：
英特爾創始人之一戈登·摩爾曾經對晶片行業的發展做出過預測：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，這即是廣為人知的「摩爾定律」。該預言自被提出以來，一直主導著晶片行業的發展趨勢。而摩爾定律能夠持續生效的根本前提就是器件能夠持續小型化，即電晶體的溝道長度不斷縮小。但是在過去的十年當中，傳統矽基半導體器件的小型化進程逐漸接近其物理極限，一個最顯著的阻礙因素就是短溝道效應，這也導致摩爾定律接近失效的邊緣。
2004年石墨烯的發現帶動了二維材料的研究熱潮，越來越多的二維層狀材料被人們發現並研究，例如黑磷、六方氮化硼和以二硫化鉬為代表的過渡金屬硫屬化合物等等。2012年，美國普渡大學葉培德教授領導的科研團隊研究了二硫化鉬場效應電晶體溝道長度的按比例縮小，證實了二硫化鉬場效應電晶體對短溝道效應的超強免疫力。但是限於曝光系統的精度，目前所報導的二硫化鉬場效應電晶體中溝道長度最短的也有50納米。
因此，尋找新的方法或材料來製造溝道長度更短，甚至短到10納米以下的電晶體，對整個半導體行業顯得意義重大。
技術實現要素：
基於傳統的曝光技術，例如電子束曝光、紫外線曝光、深紫外曝光和極紫外曝光等，均難以實現亞十納米的曝光精度。基於該認識，本發明人致力於尋找新的材料和蝕刻方法，來提高光刻精度。本發明人發現，石墨烯的晶界可以作為一種原子尺度的線缺陷，基於石墨烯各向異性刻蝕技術，通過控制氫等離子體的刻蝕過程，可以將晶界可控地展寬至幾個納米的尺度。若將這一塊帶有納米級展寬晶界的石墨烯作為場效應電晶體的源漏電極對，那麼該石墨烯展寬晶界的寬度就恰好是此電晶體的溝道長度，這樣即可方便有效地製備出10納米以下超短溝道電晶體。
本發明的一個方面提供一種電晶體，包括：襯底；石墨烯層，設置在所述襯底上，並且包括由間隙分隔開的第一部分和第二部分；半導體層，覆蓋所述石墨烯層和所述間隙；源極電極，設置在所述半導體層的與所述石墨烯層的第一部分對應的部分上，並且延伸到所述襯底上，從而接觸所述石墨烯層的第一部分的側部；以及漏極電極，設置在所述半導體層的與所述石墨烯層的第二部分對應的部分上並且延伸到所述襯底上，從而接觸所述石墨烯層的第二部分的側部。所述源極電極和所述漏極電極均與所述間隙間隔開一定距離，例如0.5微米以上，可以在1微米左右。
在一實施例中，所述襯底是具有表面絕緣層的半導體襯底，所述石墨烯層設置在所述表面絕緣層上。
在一實施例中，所述襯底是絕緣襯底。所述電晶體還包括：柵極絕緣層，覆蓋所述半導體層的與所述間隙對應的部分；以及柵極，設置在所述柵極絕緣層上，並且與所述源極電極和所述漏極電極間隔開。
在一實施例中，所述半導體層包括二硫化鉬。
在一實施例中，所述間隙包括3至10nm的寬度。
在一實施例中，所述石墨烯層包括單層石墨烯。
本發明的另一方面提供一種製造電晶體的方法，包括：在襯底上提供石墨烯層；對該石墨烯層進行各向異性蝕刻以展寬該石墨烯層的晶界，形成一間隙；在所述石墨烯層上設置半導體層，所述半導體層覆蓋所述間隙以及所述間隙兩側的所述石墨烯層；利用掩模蝕刻該半導體層和該石墨烯層，得到包括由所述間隙分隔開的第一部分和第二部分的石墨烯層、以及位於所述石墨烯層的第一部分和第二部分及所述間隙上的半導體層；以及形成源極電極和漏極電極，所述源極電極形成在所述半導體層的與所述石墨烯層的第一部分對應的部分上並且延伸到所述襯底上從而接觸所述石墨烯層的第一部分的側部，所述漏極電極形成在所述半導體層的與所述石墨烯層的第二部分對應的部分上並且延伸到所述襯底上從而接觸所述石墨烯層的第二部分的側部。所述源極電極和所述漏極電極均與所述間隙間隔開一定距離，例如0.5微米以上，可以在1微米左右。
在一實施例中，所述襯底是具有表面絕緣層的半導體襯底，所述石墨烯層設置在所述表面絕緣層上。
在一實施例中，所述襯底是絕緣襯底。所述方法還包括：形成覆蓋所述半導體層的與所述間隙對應的部分的柵極絕緣層；以及在所述柵極絕緣層上形成柵極，所述柵極與所述源極電極和所述漏極電極間隔開。
在一實施例中，所述半導體層包括二硫化鉬。所述設置半導體層的步驟包括將二硫化鉬層轉移到所述石墨烯層上，或者直接在所述石墨烯層上沉積二硫化鉬層。
在一實施例中，在設置所述二硫化鉬層之後，所述方法還包括執行退火以使得所述石墨烯層和所述二硫化鉬層之間的接觸更緊密。
在一實施例中，所述各向異性蝕刻包括氫等離子體蝕刻。
在一實施例中，所述間隙包括3至10nm的寬度。
在一實施例中，所述石墨烯層包括單層石墨烯。
本發明的上述以及其他特徵和優點將從下面結合附圖對示例實施例的描述變得顯而易見。
附圖說明
附圖示出本發明的一些示例性實施例，但是應理解，附圖中的元件不是按比例繪製的。
圖1A至圖1H示出根據本發明一實施例的製造電晶體的方法過程；
圖2A至圖2C示出根據本發明另一實施例的製造電晶體的方法過程；
圖3示出根據本發明一實施例製備的溝道區域的顯微照片；以及
圖4示出根據本發明一實施例製備的電晶體的電學測試曲線。
具體實施方式
下面參照附圖描述本發明的示例性實施例。
圖1A至圖1H示出根據本發明一實施例的製造電晶體的方法過程。首先參照圖1A，在襯底101上提供石墨烯層。這裡，襯底101可以是表面具有絕緣層102的半導體襯底101，例如，可以是常用的具有二氧化矽絕緣層102的矽襯底101，二氧化矽絕緣層102可以是矽襯底101上自然氧化而形成的，也可以是通過物理或化學沉積工藝形成的。絕緣層102的厚度可以在100nm至800nm的範圍內，優選地在200nm至500nm的範圍，例如對於二氧化矽絕緣層而言，可以為300nm左右。
石墨烯層103可以是通過微機械剝離方法得到的單層石墨烯，其用膠帶，例如ScotchTM膠帶轉移至襯底101上的絕緣層102上。石墨烯的剝離和轉移方法已經在許多文獻中有詳細描述，這裡不再贅述。
然後，參照圖1B，對石墨烯層103進行各向異性蝕刻，以展寬石墨烯層103的晶界，得到十納米以下的蝕刻間隙，也就是說，將石墨烯層103蝕刻成由晶界間隙分隔開的第一部分和第二部分。例如，可以將具有單層石墨烯103的襯底101置於等離子體增強化學氣相沉積系統中，利用氫等離子體對石墨烯層103的表面進行各向異性刻蝕，從而對石墨烯層103晶界進行展寬。本發明人發現，石墨烯的晶界作為一種原子尺度的線缺陷，在諸如氫等離子體蝕刻之類的各向異性蝕刻過程中可以用作蝕刻的自發起點，通過控制各向異性蝕刻的蝕刻參數，例如蝕刻速率和蝕刻時間等，可以可控地將晶界展寬至幾個納米的尺度。以氫等離子體蝕刻為例，其參數可以為：氫氣流量為100SCCM，壓強為0.29torr，等離子體功率為25W，刻蝕時間為2.5min，該過程可將石墨烯層103的晶界展寬至8納米左右。應理解，這裡的參數僅是示例性質的，用於使本領域技術人員能夠容易地實施本發明。在本發明的教導下，本領域技術人員可以根據實際需要對這些參數進行適當的調節，或者採用氫等離子體蝕刻之外的其他各向異性蝕刻技術等。
然後，如圖1C所示，在蝕刻後的石墨烯層103上設置二硫化鉬層104以覆蓋蝕刻所得到的晶界間隙。因為石墨烯層103的大小可能在微米量級，而石墨烯層103中的展寬晶界的寬度更小，可以在10納米以下，因此在一實施例中，二硫化鉬層104可利用二維材料的點對點幹法轉移方法精準定位轉移並覆蓋在石墨烯層103上。例如，可以使用帶有顯微鏡和位移臺的轉移系統實現點對點精準轉移。在另一些實施例中，還可以直接在石墨烯層103上沉積二硫化鉬層104。例如，可以利用氧化鉬和二氧化矽材料，通過化學氣相沉積工藝來沉積二硫化鉬層104。
應理解，雖然圖1C示出了二硫化鉬層104懸於石墨烯層103的蝕刻間隙上方，但是實際上，二硫化鉬層104在該部分可以彎曲從而貼在間隙中的絕緣層102上，因為該間隙的寬度為若干納米，例如8nm，而石墨烯層103的厚度為0.5nm左右，二硫化鉬層104的厚度為1nm左右，相比而言，該間隙的寬度很大，而且由於二硫化鉬二維材料具有一定的柔軟性質，因此能夠貼合到絕緣層102上。再者，即使二硫化鉬層104懸於該間隙上方，該間隙的厚度僅為石墨烯層103的厚度，即0.5nm左右，而絕緣層102的厚度可達數百納米，因此該間隙也基本不會影響最終製成的電晶體的操作屬性。
繼續參照圖1C，在一些實施例中，可以對所得結構進行退火，以使得石墨烯層103與二硫化鉬層104之間形成更為緊密的接觸。在一些實施例中，退火可以在150SCCM氬氣和10SCCM氫氣的混合氣氛中進行，退火溫度可以為例如350℃，退火時間可以為例如3小時。
接下來，如圖1D所示，在二硫化鉬層104上形成第一光致抗蝕劑圖案105。第一光致抗蝕劑圖案105可以如常規光刻工藝那樣形成，例如，可以旋塗光致抗蝕劑溶液，其例如為5％的495PMMA，旋塗速度為3000rpm，旋塗時間為50s，然後在180℃的熱板上烘烤2分鐘以形成幹膜。之後，通過電子束曝光系統在進行曝光，並且顯影，保留一個覆蓋晶界間隙的長方形區域，間隙長度方向可以與該長方形的長邊平行，其餘部分在顯影過程中被顯影液溶解去除。
之後，如圖1E所示，以第一光致抗蝕劑圖案105作為掩模，以絕緣層102作為蝕刻停止層，對下面的二硫化鉬層104和石墨烯層103進行蝕刻，以保留第一光致抗蝕劑圖案105所覆蓋的區域，而去除其餘部分。該蝕刻可以利用反應離子束蝕刻工藝來進行，反應離子束蝕刻參數可以為例如：氧氣流量100SCCM，壓強100mtorr，氧等離子體功率100W，刻蝕時間20S。隨後，可利用例如丙酮溶液浸泡去除第一光致抗蝕劑圖案105。
在圖1F所示的步驟中，可以重複前面圖1D所示的步驟以形成第二光致抗蝕劑圖案106。與第一光致抗蝕劑圖案105不同的是，第二光致抗蝕劑圖案106覆蓋二硫化鉬層104的與晶界間隙對應的部分，該部分將用作溝道區，而通過第二光致抗蝕劑圖案106中的空隙107暴露二硫化鉬層104的兩端。優選地，空隙107與晶界間隙間隔開一定距離，例如0.3微米以上，優選0.5微米以上，比如1微米左右。然後，在圖1G所示的步驟中，可以通過定向沉積工藝在二硫化鉬層104的通過空隙107暴露的兩端上沉積源/漏金屬層108。應注意，源/漏金屬層108同時還沉積在第二光致抗蝕劑圖案106上。金屬層108的材料可以是各種具有良好導電性的金屬，優選Ti、Au、Ag等。例如，在一實施例中，金屬層108可通過電子束蒸發系統蒸鍍3納米鈦層和40納米金層而形成。
最後，如圖1H所示，通過浮脫(lift-off)工藝去除第二光致抗蝕劑圖案106和其上的源/漏金屬層108，得到完成的電晶體。在浮脫工藝中，可以例如利用90℃的丙酮溶液來浸泡該結構，從而去除第二光致抗蝕劑圖案106以及其上的金屬層108。然後，還可以對所得結構進行退火，以去除半導體層104表面殘留的光致抗蝕劑。在一些實施例中，退火可以在150SCCM氬氣和10SCCM氫氣的混合氣氛中進行，退火溫度可以為例如350℃，退火時間可以為例如3小時。
在圖1H所示的電晶體中，源/漏金屬層108可以與石墨烯層103的側邊形成良好的電接觸，並且與晶界間隙間隔開一定距離，該距離取決於前述第二光致抗蝕劑圖案106中的空隙107與晶界間隙間隔開的距離，例如前面描述的0.3微米以上，優選0.5微米以上，比如1微米左右。實際上，在參照圖1D和圖1E描述的以第一光致抗蝕劑圖案105為掩模的蝕刻過程中，第一光致抗蝕劑圖案105的邊緣會被逐漸蝕刻掉一些，從而會有一定程度的回縮，導致下面的二硫化鉬層104和石墨烯層103也會有一定回縮，而由於二硫化鉬層104位於石墨烯層103上方，其邊緣的回縮程度相對於石墨烯層103要大一些。也就是說，石墨烯層103的邊緣相對於二硫化鉬層104有一定的向外突出，這保證了源/漏金屬層108與石墨烯層103的良好電接觸。雖然此處源/漏金屬層108也與二硫化鉬層104直接接觸，但是電流並不會繞開石墨烯層103而從源電極直接通過二硫化鉬層104流到漏電極，原因是：二硫化鉬層104的電阻率遠遠大於石墨烯層103的電阻率，因此電流會從源電極經過石墨烯層103的第一部分到達間隙邊緣，然後流入間隙處的部分二硫化鉬層104，接著從間隙的另一邊緣流到石墨烯層103的第二部分，最後流到漏電極。因此，圖1H所示的電晶體的半導體導電溝道區對應於石墨烯層103的位於間隙處的部分，溝道長度由間隙寬度定義。
另一方面，由於石墨烯的費米能級可以被柵極(即，半導體襯底101)電壓所調控，使得二硫化鉬與石墨烯之間的接觸勢壘同樣變得可調控。當施加較大的正柵極電壓時，二硫化鉬與石墨烯之間的接觸勢壘將變得非常小，從而構成二硫化鉬與石墨烯之間的類歐姆接觸，實現接觸電阻的大幅度降低。因此，利用石墨烯做電極對於短溝道二硫化鉬場效應電晶體是一個非常好的選擇。電流從源極電極108經石墨烯層103、間隙處的二硫化鉬層104、石墨烯層103到達漏極電極108，石墨烯層103之間的間隙可以精確定義二硫化鉬層104中的溝道長度，從而可以實現亞十納米級別的短溝道。
如上所述，溝道長度實際上是通過對石墨烯進行的各向異性蝕刻工藝來控制的，該蝕刻過程以石墨烯的晶界作為蝕刻發生的起點，因此不需要蝕刻掩模，實現了自對準的蝕刻過程。蝕刻程度，即蝕刻所得到的間隙寬度，可通過控制蝕刻過程來得到精確的控制。因此，本發明能實現亞十納米級別的短溝道。
上面參照圖1A至圖1H描述的實施例公開了製造底柵型電晶體的工藝，本領域技術人員基於該教導可以意識到的是，本發明也可應用於製造頂柵型電晶體，例如但不限於下面參照圖2A至2C描述的實施例。
首先參照圖2A，可以基於圖1H所示的結構，形成第三光致抗蝕劑圖案202以暴露二硫化鉬層104的溝道區域，而覆蓋二硫化鉬層104的其餘部分以及源/漏電極108。圖2A所示的結構與圖1H所示結構的不同之處還在於，襯底201可以是絕緣襯底，而不需要有半導體層101。
然後，如圖2B所示，可以通過定向沉積工藝在二硫化鉬層104的暴露的溝道區域上形成柵極絕緣層203和柵極層204。柵極絕緣層203可以是例如二氧化矽層，柵極204可以是例如半導體材料，諸如多晶矽等。
接下來，如圖2C所示，通過浮脫工藝去除第三光致抗蝕劑圖案202以及其上的柵極絕緣層203和柵極層204，留下位於二硫化鉬層104的溝道區域上方的柵極絕緣層203和柵極204。之後，可以沉積絕緣材料例如二氧化矽以填充柵極204與源/漏電極108之間的間隙，並且通過諸如研磨和化學機械拋光之類的工藝去除柵極204和源/漏電極108上的多於的絕緣材料，從而得到圖2C所示的頂柵型電晶體。
雖然上面參照圖1A至圖2C描述了製造電晶體的方法，但是應理解，這些方法所包含的步驟可以按與描述順序不同的順序執行。例如在圖2A至圖2B所示的步驟中，可以先保形沉積柵極絕緣層203，然後在形成暴露溝道區域的第三光致抗蝕劑圖案202並且沉積柵極層204。這樣，可以保證柵極204與源/漏電極108之間的良好絕緣，避免二者在製造過程中由於金屬或其他導電材料的碎屑而意外導通。在不偏離權利要求所定義的本發明的範圍情況下，其他修改和替換對本領域技術人員而言是顯而易見的。
圖3示出根據本發明一實施例製備的溝道區域的顯微照片。圖3中的(a)圖是在轉移二硫化鉬層之前的原子力顯微鏡照片，顯示出各向異性蝕刻之後的石墨烯層。如圖所示，石墨烯層的晶界被蝕刻展寬，具有大約8nm的寬度。申請人發現，雖然可以通過控制各向異性蝕刻過程的參數來精確控制展寬得到的晶界間隔，例如將晶界間隔控制在1nm至10nm的範圍，但是為了獲得適當的電晶體性能，優選地蝕刻得到的晶界間隔在3nm至10nm的範圍，更優選地在5nm至10nm的範圍。當然，本發明的方法亦可用於製造具有大於10nm的溝道長度的電晶體。圖3中的(b)圖是所製備出的8納米溝道長度二硫化鉬電晶體的光學顯微鏡圖像，圖中虛線指示溝道所在位置。
申請人還測試了所製備得到的電晶體的電學特性，測試結果如圖4所示，其中(a)圖是器件的輸出特性曲線，在從-60伏至60伏的柵電壓變化範圍內，輸入輸出曲線非常線性，表現歐姆接觸行為，反映了石墨烯作為二硫化鉬場效應電晶體電極的優越性。(b)圖是器件的轉移特性曲線，其中源漏電壓在20～100毫伏的範圍，顯示出相對較高的電流密度和良好的開關性能，開關比可達106，遷移率為28釐米2伏-1秒-1。
在上面描述的實施例中，使用了二硫化鉬作為溝道材料，但是應理解，本發明不限於此，而是可以代替二硫化鉬使用其他半導體材料，例如但不限於矽等，並且上述方法兼容現有的半導體加工工藝。二硫化鉬是優選的，因為其對短溝道效應具有超強的免疫力，因此能實現優異的電晶體性能，例如相對較高的電流密度和良好的開關性能，如上面參照附圖4所描述的那樣。
儘管已經描述了本發明的某些實施例，但是已經僅僅藉助於示例呈現了這些實施例，並且所述實施例無意限制本發明的範圍。實際上，可以按照多種其他形式來實施這裡描述的新穎方法和裝置；此外，可以做出在這裡描述的方法和裝置的形式和細節上的各種省略、替代和改變，而不脫離本發明的原理。相關權利要求及其等價物旨在涵蓋落入本發明的思想和範圍內的這些省略、替代和改變。