本發(fā)明涉及微電子制造領(lǐng)域，尤其涉及一種微電子結(jié)構(gòu)及其形成方法。

背景技術(shù)：

目前，在微電子制造領(lǐng)域愈來越重視石墨烯的應(yīng)用，以期將具有低電阻率及輕薄結(jié)構(gòu)的石墨烯應(yīng)用于其中，助于提升微電子組件的電子移動(dòng)速度跟尺寸的微型化?，F(xiàn)有技術(shù)中，應(yīng)用石墨烯制作微電子組件的發(fā)展非常迅速，已提出數(shù)種模型。首先請(qǐng)參考圖1所示的結(jié)構(gòu)示意圖，金氧半場(chǎng)效晶體管(mosfet)1是將制作于硅襯底120上的石墨烯層140作為連結(jié)在源極160與漏極150之間的溝道層，以二氧化硅層130作為絕緣層，藉由后柵極110控制溝道層內(nèi)的電子流通與否。這樣的金氧半場(chǎng)效晶體管雖然可以經(jīng)現(xiàn)今制造工藝做出，但其中具有過大的寄生電容，也無法與其他組件整合制造，所以無法符合工業(yè)制造的需求。

另請(qǐng)參考圖2及圖3，其中圖2的金氧半場(chǎng)效晶體管2是以覆蓋有二氧化硅230的硅襯底220后表面摻雜形成后柵極210，前表面上以化學(xué)剝離法(chemicalexfoliationmethod)或在鎳、銅等金屬上制作出石墨烯層240，圖3的金氧半場(chǎng)效晶體管3是以外延生長(zhǎng)(epitaxialgrowth)技術(shù)在碳化硅襯底310上形成石墨烯層330，并氧化形成二氧化硅層320。接著，再制作出上柵極絕緣層及上柵極270、360，并藉由上柵極270、360控制源極260、350與漏極250、340之間是否導(dǎo)通溝道。但由于上柵極形式的金氧半場(chǎng)效晶體管2、3中石墨烯層240、330的能隙不足，導(dǎo)致溝道導(dǎo)通之后無法切斷，喪失金氧半場(chǎng)效晶體管的重要功能。

因此，目前亟需要開發(fā)應(yīng)用石墨烯表現(xiàn)其良好組件功能并符合工業(yè)制作需求的微電子結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種嶄新的微電子結(jié)構(gòu)及其形成方法，將石墨烯的卓越超導(dǎo)性質(zhì)應(yīng)用于微電子結(jié)構(gòu)中，提升微電子組件的電子特性。

依據(jù)本發(fā)明的一面向，提供一種微電子結(jié)構(gòu)，包括：一襯底，其上形成多個(gè)微電子組件，且此些微電子組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，石墨烯層與襯底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，石墨烯層具有大于300mev的能隙，且第二絕緣層包括多個(gè)隔離層定義出微電子組件的范圍。

依據(jù)本發(fā)明的另一面，提供一種微電子結(jié)構(gòu)的形成方法，包括：在一襯底上形成多個(gè)摻雜區(qū)域；選擇性地在此些摻雜區(qū)域上形成一石墨烯層，其包括至少一層石墨烯結(jié)構(gòu)，且具有大于300mev的能隙；氧化形成一第一絕緣層，使石墨烯層與襯底之間以第一絕緣層間隔；在石墨烯層上形成一第二絕緣層，其包括多個(gè)隔離層定義出多個(gè)微電子組件的范圍；且在第二絕緣層上此些微電子組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(fā)明可選擇性地變化，在此舉例而不限制于：襯底可選擇性地采用任何襯底，如硅襯底；石墨烯層可選擇性地包括任意數(shù)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襯底材質(zhì)的氧化物或高介電質(zhì)薄膜等材質(zhì)形成，較佳地，第一絕緣層可以是藉由使氧氣通過石墨烯層，氧化襯底而形成，第二絕緣層是高介電質(zhì)薄膜；第一電極、第二電極及第三電極可選擇性地均是金屬電極。舉例來說，若所形成的微電子組件為一雙柵極場(chǎng)效晶體管，此第一電極、第二電極及第三電極可分別為源極、漏極和第一柵極，襯底可為第二柵極。

其次，在本發(fā)明提供的微電子結(jié)構(gòu)的形成方法中，在一襯底上形成多個(gè)摻雜區(qū)域的步驟可以額外包括以離子注入技術(shù)將一摻雜物摻雜于該襯底上的該些摻雜區(qū)域中及一快速熱退火處理(rapidthermalannealing)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(jìn)行1～1000秒，在此無須限制。其次，摻雜區(qū)域中的摻雜物較佳可作為催化劑，協(xié)助選擇性地在該些摻雜區(qū)域上形成一石墨烯層的步驟的進(jìn)行。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供嶄新的微電子結(jié)構(gòu)及其形成方法將石墨烯材料應(yīng)用于其中，并提升石墨烯材料的能隙，藉此大幅提升微電子結(jié)構(gòu)的電子特性，并且可藉由于制作過程中在形成石墨烯層之前先行形成多個(gè)摻雜區(qū)域，協(xié)助制作出尺寸與形狀一致的石墨烯層，達(dá)成量產(chǎn)微電子結(jié)構(gòu)的需求。

附圖說明

圖1至圖3為現(xiàn)有技術(shù)中的微電子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的微電子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5至圖9為依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的微電子結(jié)構(gòu)在形成過程中的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的微電子結(jié)構(gòu)的形成方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合示意圖對(duì)本發(fā)明的微電子結(jié)構(gòu)及其形成方法進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中表示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)該理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以修改在此描述的本發(fā)明，而仍然實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的有益效果。因此，下列描述應(yīng)當(dāng)被理解為對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員的廣泛知道，而并不作為對(duì)本發(fā)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(fā)明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

本發(fā)明的核心思想是，提供一種微電子結(jié)構(gòu)及其形成方法。該方法包括：在一襯底上形成多個(gè)摻雜區(qū)域；選擇性地在此些摻雜區(qū)域上形成一石墨烯層，其包括至少一層石墨烯結(jié)構(gòu)，且具有大于300mev的能隙；氧化形成一第一絕緣層，使石墨烯層與襯底之間以第一絕緣層間隔；在石墨烯層上形成一第二絕緣層，其包括多個(gè)隔離層定義出多個(gè)微電子組件的范圍；且在第二絕緣層上此些微電子組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(jié)構(gòu)中應(yīng)用石墨烯材料，提高了微電子組件的電子特性。

下面，請(qǐng)參考圖4，對(duì)本發(fā)明的微電子結(jié)構(gòu)及其形成方法進(jìn)行詳細(xì)說明，在此顯示的微電子組件是以一雙柵極場(chǎng)效晶體管為例，然本發(fā)明并不限于圖4所示的特定結(jié)構(gòu)。圖10為本發(fā)明的微電子結(jié)構(gòu)的形成方法的流程圖；圖5至圖9為本發(fā)明的微電子結(jié)構(gòu)在形成過程中的結(jié)構(gòu)示意圖。

請(qǐng)參考圖4，并結(jié)合圖10，微電子結(jié)構(gòu)4的形成方法，包括：

首先，如圖5所示，進(jìn)行步驟s100，在一襯底410上形成多個(gè)摻雜區(qū)域411、412。在本實(shí)施例中，舉例來說是選擇性地采用硅襯底，將襯底410適當(dāng)?shù)厍鍧嵵螅鶆蛲坎家粚庸庾?，接著?jīng)曝光、顯影、蝕刻步驟將光阻圖形化，再以離子注入技術(shù)形成摻雜區(qū)域411、412。詳細(xì)地說，離子注入的進(jìn)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注入于摻雜區(qū)域411、412中，然而本發(fā)明并不限于此處的參數(shù)與材質(zhì)，亦可依據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)其他的參數(shù)或選用其他材質(zhì)的摻雜物，如銅、銀及金等。以本例來說，將鎳離子注入于摻雜區(qū)域411、412之后，再進(jìn)行一快速熱退火處理(rapidthermalannealing)的步驟。此快速熱退火處理示例性地是以400～1200℃的溫度進(jìn)行1～1000秒，在此無須限制。經(jīng)過快速熱退火處理之后，摻雜區(qū)域411、412的硅原子與鎳原子形成鍵結(jié)，且此鎳硅化合物較佳是延續(xù)原本襯底410的硅材質(zhì)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(qū)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(jié)構(gòu)，且具有大于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(jié)構(gòu)或由眾多納米帶(nano-ribbons)組成的石墨烯結(jié)構(gòu)，且可包括一層或多層石墨烯結(jié)構(gòu)，石墨烯層430與襯底410之間亦可視需求額外包括其他材料的膜層。由于在摻雜區(qū)域411、412中的摻雜物在此可作為形成石墨烯層430的反應(yīng)催化劑，協(xié)助選擇性地在摻雜區(qū)域411、412上形成一石墨烯層的步驟的進(jìn)行，有助于幫助石墨烯納米帶的聚集并控制石墨烯層430外型與邊界的整齊劃一程度，制作出符合需求的尺寸與形狀的石墨烯層430。

在本步驟之后，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與襯底410之間以第一絕緣層420間隔。在此示例性地經(jīng)由將圖6所示的結(jié)構(gòu)置入含有氧氣的環(huán)境中，使氧氣通過石墨烯層430，將襯底 410氧化而形成第一絕緣層420。以本例來說，氧氣將硅襯底410氧化為二氧化硅形成第一絕緣層420。

接著，如圖8所示，執(zhí)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(shù)形成的任意高介電質(zhì)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)，并以二氧化鉿為優(yōu)選，在此以原子層沉積工藝(atomiclayerdeposition，ald)形成的二氧化鉿為例。

此合并實(shí)施光阻覆蓋、曝光、顯影、蝕刻等圖形化步驟，定義第二絕緣層460內(nèi)的多個(gè)隔離層461，此些隔離層461設(shè)置在微電子組件與微電子組件a、b(示于圖9)之間，作為絕緣層并定義出各個(gè)微電子組件a、b的范圍。

之后，請(qǐng)參考圖9，執(zhí)行步驟s500，在第二絕緣層460上此些微電子組件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。制作第一電極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，并經(jīng)由光阻覆蓋欲蝕刻處之外的其他區(qū)域，經(jīng)過濕法蝕刻完成去除等程序?qū)⒋私饘賹佣x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(dá)成。由于在本例微電子組件a、b是以一雙柵極場(chǎng)效晶體管為例，前述第一電極450是作為源極，第二電極440是作為漏極，第三電極470是作為第一柵極，如上柵極(topgate)，襯底410是作為第二柵極，如后柵極(backgate)。因此，微電子結(jié)構(gòu)4具有上柵極與后柵極一起協(xié)同控制其中的溝道導(dǎo)通與否，上柵極的存在可大為減少寄生電容，使得微電子組件a、b可有效操作。

請(qǐng)繼續(xù)參考圖9，經(jīng)由上述步驟，本發(fā)明獲得一種微電子結(jié)構(gòu)4，包括：一襯底410，其上形成多個(gè)微電子組件a、b，且此些微電子組件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與襯底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具有大于300mev的能隙，且第二絕緣層 460包括多個(gè)隔離層461定義出此些微電子組件a、b的范圍。

由上述過程獲得的微電子結(jié)構(gòu)，由于提升石墨烯材料的能隙，如此大幅提升微電子組件的電子特性，并且藉由制作過程中適當(dāng)?shù)膿诫s過程，制作出尺寸與形狀一致的石墨烯層，達(dá)成量產(chǎn)微電子結(jié)構(gòu)的需求。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些修改和變型在內(nèi)。