一種半導體結構及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種半導體結構，其特征在于，該半導體結構包括襯底、溝道層、源/漏區(qū)、柵介質和柵極，其中：所述溝道層位于所述襯底之上，并在邊緣處與所述源/漏區(qū)相接；所述柵介質位于所述溝道層之上；所述柵極位于所述柵介質之上；所述柵介質的材料是六方氮化硼；所述溝道層的材料為單原子層硅、雙原子層硅或石墨烯。本發(fā)明還提供一種制造上述半導體結構的方法。用h-BN替代氧化硅或高k介質作為場效應器件的柵介質層，尤其h-BN與單原子層/雙原子層硅、石墨烯接觸的界面非常理想，不會有類似Si-SiO2界面的陷阱電荷、固定電荷等缺陷的問題，以h-BN做柵介質可以獲得更好的器件性能。
【專利說明】 一種半導體結構及其制造方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體結構的制造領域，尤其涉及一種半導體結構及其制造方法。

【背景技術】
[0002]隨著傳統(tǒng)硅基晶體管的尺寸逐漸微型化到分子尺度，在納米級的輸運結方面已經進行了大量的研究工作，期望能夠對單個或幾個有機分子的電學性質進行表征。在納米電子和分子電子學領域的最終目標是獲得單分子或單原子晶體管。原則上，單分子尺度的晶體管器件能夠克服半導體材料的低載流子濃度缺陷，而表現出很好的場效應晶體管性質。為實現這一終極目標，至關重要的是制備新材料、研制新型器件結構及為獲得高載流子遷移率和高柵效率而進行的參數優(yōu)化新方法。目前，石墨烯由于其獨特的性質及維度，已被廣泛用于先進CMOS器件的研究中，用作溝道層、源/漏區(qū)接觸以及柵電極的接觸材料。
[0003]六方氮化硼(h-BN)具有與石墨烯非常類似的層狀結構，包括同樣的層間距和面內六方晶格，甚至類似的強面內共價鍵與層間弱范德瓦爾斯力。盡管具有如此類似的結構，h-BN的性質卻與石墨非常不同。h-BN具有非常好的力學特性，最突出的是其更強的熱與化學穩(wěn)定性，同時，h-BN還是一種非常有前景的絕緣材料，其禁帶寬度為5.5eV。h_BN又被稱為“白石墨稀”。
[0004]因此希望能將六方氮化硼(h-BN)的特性用于半導體器件中。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種半導體結構的制造方法，采用六方氮化硼(h-BN)作為場效應晶體管的柵介質，制作新型的納米場效應器件。
[0006]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種半導體結構的制造方法，其特征在于，該方法包括:
[0007]a)提供半導體襯底，所述襯底上形成溝道層，所述溝道層為單原子層硅、雙原子層硅或石墨烯；
[0008]b)對所述溝道層進行圖形化，形成各個場效應晶體管對應的溝道區(qū)；
[0009]c)在所述溝道層邊緣處和襯底上形成源/漏區(qū)；
[0010]d)在所述溝道層上形成六方氮化硼構成的柵介質；
[0011]e)在所述柵介質上形成柵極。
[0012]相應地，本發(fā)明還提供了一種半導體結構，其特征在于，該半導體結構包括襯底、溝道層、源/漏區(qū)、柵介質和柵極，其中:
[0013]所述溝道層位于所述襯底之上，并在邊緣處與所述源/漏區(qū)相接；
[0014]所述柵介質位于所述溝道層之上；
[0015]所述柵極位于所述柵介質之上；
[0016]所述柵介質的材料是六方氮化硼；以及
[0017]所述溝道層的材料為單原子層硅、雙原子層硅或石墨烯。
[0018]其中，所述柵介質的材料是六方氮化硼(h-BN)，具有2?5個原子層的厚度。
[0019]可選地，所述襯底與所述溝道層之間存在覆蓋襯底的絕緣層，溝道層通過所述絕緣層與襯底實現介質隔離。所述絕緣層的材料可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或其組合。
[0020]采用本發(fā)明提供的半導體結構及其制造方法，用h-BN替代氧化硅或高k介質作為場效應器件的柵介質層，尤其h-BN與單原子層/雙原子層硅、石墨烯接觸的界面非常理想，不會有類似S1-S12W面的陷阱電荷、固定電荷等缺陷的問題，以h-BN做柵介質可以獲得更好的器件性能，可以得到一種新型的納米級場效應晶體管器件，可以在納米級實現宏觀場效應晶體管器件的所有功能，如高遷移率和高開關比，大大縮小了器件的尺寸。另一方面，h-BN的沉積刻蝕工藝可以與現有的娃基半導體加工工藝技術很好的兼容。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0022]圖1是根據本發(fā)明的半導體結構的制造方法的【具體實施方式】的流程圖；
[0023]圖2至圖6是根據圖1示出的方法制造半導體結構過程中該半導體結構在各個制造階段的剖視結構示意圖；
[0024]附圖中相同或相似的附圖標記代表相同或相似的部件。

【具體實施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細描述。
[0026]下面詳細描述本發(fā)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(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0027]下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發(fā)明的不同結構。為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復參考數字和/或字母。這種重復是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關系。此夕卜，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領域普通技術人員可以意識到其他工藝的可應用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的結構可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。
[0028]下面首先對本發(fā)明提供的半導體結構進行概述，請參考圖6，示出了根據本發(fā)明的一個實施例的半導體結構。該半導體結構包括襯底100、溝道層200、源/漏區(qū)300、柵介質400和柵極410，其中:
[0029]所述溝道層200位于所述襯底100之上，并在邊緣處與所述源/漏區(qū)300相接；
[0030]所述柵介質400位于所述溝道層200之上；
[0031]所述柵極410位于所述柵介質400之上；
[0032]所述柵介質400的材料是六方氮化硼(h-BN)，具有2?5個原子層的厚度；
[0033]所述溝道層200的材料為單原子層硅、雙原子層硅或石墨烯；
[0034]可選地，所述襯底100與所述溝道層200之間存在覆蓋襯底100的絕緣層(未在圖中示出)，溝道層200通過所述絕緣層與襯底100實現介質隔離。所述絕緣層的材料可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或其組合。
[0035]下文對該半導體結構的一種制造方法進行闡述。
[0036]請參考圖1，該方法包括:
[0037]步驟S100，提供襯底100，在所述襯底100上形成一層溝道層200 ；
[0038]步驟S101，對所述溝道層200進行圖形化，形成各個場效應晶體管對應的溝道區(qū)；
[0039]步驟S102，在所述溝道層200邊緣處和襯底絕緣層110上形成源/漏區(qū)300 ；
[0040]步驟S103，在所述溝道層200上形成柵介質400 ；
[0041]步驟S104，在所述柵介質400上形成柵極410 ；
[0042]下面結合圖2至圖5對步驟SlOO至步驟S104進行說明。需要說明的是，本發(fā)明各個實施例的附圖僅是為了示意的目的，因此沒有必要按比例繪制。
[0043]參考圖2，執(zhí)行步驟S100，所示為襯底100，并在襯底上形成一層溝道層200。
[0044]在本實施例中，襯底100包括硅襯底(例如晶片)。根據現有技術公知的設計要求(例如P型襯底或者N型襯底)，襯底100可以包括各種摻雜配置。其他實施例中襯底100還可以包括絕緣體上娃(SOI)或其他基本半導體,例如鍺?；蛘?，襯底100可以包括化合物半導體，例如碳化硅、砷化鎵、砷化銦或者磷化銦。典型地，襯底100的厚度可以是但不限于約幾百微米,例如可以在400 μ m-800 μ m的厚度范圍內。
[0045]溝道層的材料為單原子層硅、雙原子層硅或石墨烯。單原子層或雙原子層硅可以采用外延、原子層沉積或是在納米狹孔中淬火冷卻液態(tài)硅形成。石墨烯層可以通過加熱SiC、化學氣相沉積(Chemical vapor deposit1n, CVD)、轉移或其他合適的方法形成。
[0046]可選地，在襯底100和溝道層200之間存在覆蓋襯底100的絕緣層(未在圖中示出)，絕緣層可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者碳化硅，厚度可以是ΙΟΟηπι-δμπι，沉積在襯底100的表面。
[0047]特別地，在本發(fā)明的一些實施例中，襯底100為絕緣體上硅SOI片時，SOI片的埋氧層為所述覆蓋在襯底100上的絕緣層，通過減薄技術如化學機械拋光或是刻蝕技術將SOI片的器件層硅減薄到只剩I?2個硅原子層厚度，形成單原子層或雙原子層硅作為溝道層200。
[0048]參考圖3，執(zhí)行步驟S101，對溝道層200進行圖形化，形成各個場效應晶體管對應的溝道區(qū)。在本發(fā)明的一些實施例中，溝道層200為單原子層硅或雙原子層硅，可以利用公知的半導體加工技術光刻和刻蝕來實現對溝道層的圖形化。在本發(fā)明的另外一些實施例中，溝道層200是石墨烯，可以通過光刻技術制作掩膜，利用氧等離子體刻蝕實現對石墨烯的圖形化。
[0049]參考圖4，執(zhí)行步驟S102，在所述溝道層200邊緣處和襯底絕緣層110上形成源/漏區(qū)300。源/漏區(qū)300的材料可以是金屬T1、Cr、Au或其組合，通過濺射或化學氣相沉積形成。源/漏區(qū)300的材料也可以是化學氣相沉積或外延的硅，并通過離子注入或擴散實現對源/漏區(qū)的摻雜。對所淀積的材料進行圖形化，形成源/漏區(qū)300。
[0050]參考圖5，執(zhí)行步驟S103，在所述溝道層200上形成柵介質400。所述柵介質400是六方氮化硼(h-BN)，可以通過化學氣相沉積或外延的方法形成，柵介質400具有2?5個原子層的厚度。然后利用公知的半導體加工技術光刻和刻蝕來實現對柵介質的圖形化，只保留溝道層上的柵介質。
[0051]參考圖6，執(zhí)行步驟S104，在所述柵介質400上形成柵極410。所述柵極410可以是通過沉積形成的重摻雜多晶硅，或是通過沉積例如TaC，TiN, TaTbN, TaErN, TaYbN, TaSiN,HfSiN, MoSiN, RuTax, NiTax形成功函數金屬層(即柵極410)，其厚度大約為10nm_20nm。
[0052]雖然關于示例實施例及其優(yōu)點已經詳細說明，應當理解在不脫離本發(fā)明的精神和所附權利要求限定的保護范圍的情況下，可以對這些實施例進行各種變化、替換和修改。對于其他例子，本領域的普通技術人員應當容易理解在保持本發(fā)明保護范圍內的同時，工藝步驟的次序可以變化。
[0053]此外，本發(fā)明的應用范圍不局限于說明書中描述的特定實施例的工藝、機構、制造、物質組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開內容，作為本領域的普通技術人員將容易地理解，對于目前已存在或者以后即將開發(fā)出的工藝、機構、制造、物質組成、手段、方法或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對應實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結果，依照本發(fā)明可以對它們進行應用。因此，本發(fā)明所附權利要求旨在將這些工藝、機構、制造、物質組成、手段、方法或步驟包含在其保護范圍內。
【權利要求】
1.一種半導體結構，其特征在于，該半導體結構包括襯底(100)、溝道層(200)、源/漏區(qū)(300)、柵介質(400)和柵極(410)，其中: 所述溝道層(200)位于所述襯底(100)之上，并在邊緣處與所述源/漏區(qū)(300)相接: 所述柵介質(400)位于所述溝道層(200)之上； 所述柵極(410)位于所述柵介質(400)之上； 所述柵介質400的材料是六方氮化硼(h-BN);以及 所述溝道層(200)的材料為單原子層硅、雙原子層硅或石墨烯。
2.根據權利要求1所述的結構，其特征在于: 還包括絕緣層，所述絕緣層位于所述襯底(100)與所述溝道層(200)之間并覆蓋整個襯底(100)。
3.根據權利要求2所述的結構，其特征在于: 所述絕緣層的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或組合。
4.根據權利要求1所述的半導體結構，其特征在于: 構成所述柵介質(400)的六方氮化硼(h-BN)具有2?5個原子層的厚度。
5.根據權利要求1所述的半導體結構，其特征在于: 所述源/漏區(qū)(300)是金屬T1、Cr、Au及其組合，或重摻雜多晶硅。
6.一種半導體結構的制造方法，其特征在于，該方法包括: a)提供半導體襯底(100)，所述襯底(100)上形成溝道層(200)，所述溝道層(200)為單原子層硅、雙原子層硅或石墨烯； b)對所述溝道層(200)進行圖形化，形成各個場效應晶體管對應的溝道區(qū): c)在所述溝道層邊緣處(200)和襯底(100)上形成源/漏區(qū)(300)； d)在所述溝道層(200)上形成六方氮化硼構成的柵介質(400): e)在所述柵介質(400)上形成柵極(410)。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟a中，在形成溝道層(200)前，步驟a還包括: 在所述襯底上形成覆蓋襯底的絕緣層。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟a中，通過如下方法形成所述半導體襯底(100)和絕緣層(110)和溝道層: 將SOI硅片的體型硅襯底和埋氧層通過化學機械拋光或刻蝕技術將SOI片正面硅膜減薄到I?2個原子層，形成單原子層或雙原子層硅溝道層(200)。
9.根據權利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述步驟a中，還可以通過外延、原子層沉積或在納米狹孔中淬火冷卻液態(tài)硅的方法形成單原子層硅、雙原子層硅，或是通過加熱SiC、化學氣相沉積(CVD)、轉移或其他合適的方法形成石墨烯作為溝道層(200)。
10.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟C中，源/漏區(qū)(300)的材料為金屬T1、Cr、Au及其組合，或重摻雜多晶硅。
11.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，構成所述柵介質400的六方氮化硼(h-BN)具有2?5個原子層的厚度。
【文檔編號】H01L29/43GK104282749SQ201310286654
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月9日 優(yōu)先權日:2013年7月9日
【發(fā)明者】鐘匯才, 梁擎擎, 朱慧瓏 申請人:中國科學院微電子研究所