半导体装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种半导体装置及其制造方法，涉及半导体工艺技术领域。该制造方法包括：提供衬底结构，衬底结构包括衬底、在衬底上的第一材料层，衬底中形成有凹陷，第一材料层包括纳米线；在衬底结构上形成基础层，在基础层上选择性生长石墨烯层；在石墨烯层上形成第二电介质层；在衬底结构上形成电极材料层以覆盖第二电介质层；有源区限定处理；以及栅极限定处理，对叠层的至少一部分进行蚀刻至少至第二电介质层，来形成环绕纳米线中间部分的栅极结构，栅极结构包括电极材料层和第二电介质层的一部分。本发明专利技术将石墨烯引入半导体工艺中，利用石墨烯的特性和双栅极结构，可以更好的控制器件的工作电流以及提高器件性能。

【技术实现步骤摘要】
半导体装置及其制造方法
本专利技术涉及半导体领域，尤其涉及半导体装置及其制造方法，更具体地，涉及石墨烯半导体装置及其制造方法。
技术介绍
随着半导体技术的不断发展，半导体装置的尺寸不断减小。基于硅材料的半导体装置尺寸已经按照摩尔定律发展了近40年。互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，简称CMOS)技术几乎可以看作是全球信息社会发展的基石之一。至少在未来相当长的一段时间内，基于硅材料的半导体装置依然是半导体技术发展的主流。然而，若使半导体工艺技术依然保持按照摩尔定律发展，仅按比例减小装置的尺寸是无法满足需求的，因此，需要引入新的材料到现有CMOS制造工艺中，从而进一步降低生产制造成本，提高装置性能以及减小漏电流的功耗。基于石墨烯的电子装置被认为是装置可选方案之一。
技术实现思路
本专利技术的专利技术人针对上述问题中的至少一个问题提出了本专利技术。根据本专利技术的一个方面，提供一种半导体装置的制造方法，包括：提供衬底结构，衬底结构包括衬底、在衬底上的第一材料层，衬底中形成有凹陷，第一材料层包括纳米线，纳米线横跨凹陷并悬置于该凹陷上方；在衬底结构上形成基础层，基础层至少包括覆盖纳米线的露出的表面的第一部分以及覆盖凹陷的露出的表面的第二部分；在基础层上选择性生长石墨烯层；在石墨烯层上形成第二电介质层；在形成第二电介质层之后，在衬底结构上形成电极材料层以覆盖第二电介质层；有源区限定处理，对电极材料层、第二电介质层以及石墨烯层进行部分去除，以限定有源区范围，并在有源区范围中至少保留在纳米线上的电极材料层、第二电介质层以及石墨烯层的叠层的至少一部分；栅极限定处理，对叠层的至少一部分进行蚀刻至少至第二电介质层，来形成环绕纳米线中间部分的栅极结构，栅极结构包括电极材料层和第二电介质层的一部分。在一个实施例中，还包括：在栅极限定处理之后，去除石墨烯层和第二电介质层的在凹陷的表面上的部分。在一个实施例中，有源区限定处理包括：在电极材料层之上形成图案化的掩模，图案化的掩模遮蔽纳米线的至少一部分，利用图案化的掩模，去除电极材料层、第二电介质层以及石墨烯层的未被图案化的掩模遮蔽的部分。在一个实施例中，图案化的掩模遮蔽纳米线以及凹陷。在一个实施例中，衬底包括基底层以及在基底层上的第一电介质层，第一材料层在第一电介质层上，第一电介质层中形成有凹陷；提供衬底结构包括：提供初始衬底结构，初始衬底结构包括衬底和在第一电介质层上的第一材料层；将第一材料层图案化，以形成纳米线；进行去除处理，以至少去除第一电介质层的在纳米线下以及在纳米线的长度方向两侧的区域的上部部分，从而形成凹陷。在一个实施例中，凹陷进一步延伸穿过第一电介质层到基底层中。在一个实施例中，石墨烯层包括在基础层的第一部分的表面上的第一部分，以及在基础层的第二部分的表面上的第二部分；第二电介质层包括在石墨烯层的第一部分的表面上的第一部分，以及在石墨烯层的第二部分的表面上的第二部分；在形成电极材料层的步骤中，电极材料层还被形成为填充纳米线下的、在第二电介质层的第一部分与第二电介质层的第二部分之间的空间。在一个实施例中，第一材料层还包括在凹陷两端的在第一电介质层之上的部分，纳米线的两端分别接合到第一材料层的部分；图案化的掩模遮蔽纳米线，并且还遮蔽第一材料层的与纳米线接合的至少一部分。在一个实施例中，还包括下列中的至少一项：第一材料层由多晶硅或者掺杂的多晶硅或锗硅形成，基础层的材料包括铝的氧化物，第一电介质层的材料包括硅的氧化物，和/或第二电介质层的材料包括氮化硼、硅的氧化物、铪的氧化物、铝的氧化物、或铝的氮化物。在一个实施例中，基础层的材料包括铝的氧化物，并且在基础层上选择性生长石墨烯层的步骤包括：利用甲烷和氢气，在900～1000摄氏度的温度，采用化学气相沉积工艺选择性生长石墨烯层。在一个实施例中，纳米线由掺杂的多晶硅形成，栅极结构中所包括的电极材料层的部分作为第一栅极，纳米线作为第二栅极。在一个实施例中，在栅极限定处理的步骤包括：形成第三电介质层以至少覆盖衬底结构以及有源区范围，利用图案化掩模对叠层的至少一部分进行蚀刻至少至第二电介质层，来形成环绕纳米线中间部分的栅极结构，栅极结构包括电极材料层和第二电介质层的一部分。在一个实施例中，还包括：形成第四电介质层以至少覆盖衬底结构以及有源区范围；形成穿过在第四电介质层和第二电介质层到石墨烯层的孔，孔与栅极结构分离；以及以导电材料填充孔，以形成到石墨烯层的接触件。在一个实施例中，在栅极限定处理之后，还包括：形成第四电介质层以至少覆盖衬底结构以及有源区范围；形成穿过在第四电介质层、第二电介质层和石墨烯层到第一材料层的孔；在孔的侧壁上形成绝缘材料层；以及在形成绝缘材料层后，以导电材料填充孔，以形成到第一材料层的接触件。在一个实施例中，还包括：形成第四电介质层以至少覆盖衬底结构以及有源区范围；形成穿过在第四电介质层、第二电介质层和石墨烯层到第一材料层的至少一部分的孔；在孔的侧壁上形成绝缘材料层；以及在形成绝缘材料层后，以导电材料填充孔，以形成到第一材料层的至少一部分的接触件，其中，绝缘材料层将石墨烯层与接触件电隔离。根据本专利技术的另一方面，提供了一种半导体装置，包括：衬底结构，包括衬底、在衬底上的第一材料层，衬底中形成有凹陷，第一材料层包括纳米线，纳米线横跨凹陷并悬置于该凹陷上方；在纳米线的露出的表面上的基础层；在基础层上的石墨烯层；在石墨烯层上的第二电介质层；栅极结构，其环绕纳米线中间部分，栅极结构包括电极材料层和第二电介质层的一部分。在一个实施例中，衬底包括基底层以及在基底层上的第一电介质层，第一材料层在第一电介质层上，第一电介质层中形成有凹陷。在一个实施例中，凹陷进一步延伸穿过第一电介质层到基底层中。在一个实施例中，电极栅极结构还包括在在纳米线下的、在凹陷中的部分。在一个实施例中，第一材料层还包括在凹陷两端的在第一电介质层之上的部分，纳米线的两端分别接合到第一材料层的部分。在一个实施例中，至少包括下列中的一项：第一材料层由多晶硅或者掺杂的多晶硅或锗硅形成，基础层的材料包括铝的氧化物，第一电介质层的材料包括硅的氧化物，和/或第二电介质层的材料包括氮化硼、硅的氧化物、铪的氧化物、铝的氧化物、或铝的氮化物。在一个实施例中，石墨烯层选择性生长在基础层上。在一个实施例中，纳米线由掺杂的多晶硅形成，栅极结构中所包括的电极材料层的部分作为第一栅极，纳米线作为第二栅极。在一个实施例中，还包括：在凹陷的露出的表面上的第二基础层；在第二基础层上的第二石墨烯层；在第二石墨烯层上的第二电介质层；其中，基础层与第二基础层一体地形成，石墨烯层与第二石墨烯层一体地形成，第二电介质层与第二电介质层一体地形成。在一个实施例中，还包括：第四电介质层，至少覆盖衬底结构以及其上形成基础层、石墨烯层和第二电介质层的叠层的纳米线；穿过在第四电介质层和第二电介质层到石墨烯层的孔；以及填充孔的到石墨烯层的接触件。在一个实施例中，还包括：第四电介质层，至少覆盖衬底结构以及其上形成基础层、石墨烯层和第二电介质层的叠层的纳米线；形成穿过在第四电介质层、第二电介质层和石墨烯层到第一材料层的孔；在孔的侧壁上的绝缘材料层；以及填充孔的到第一材料层的接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：提供衬底结构，所述衬底结构包括衬底、在所述衬底上的第一材料层，所述衬底中形成有凹陷，所述第一材料层包括纳米线，所述纳米线横跨所述凹陷并悬置于该凹陷上方；在所述衬底结构上形成基础层，所述基础层至少包括覆盖所述纳米线的露出的表面的第一部分以及覆盖所述凹陷的露出的表面的第二部分；在所述基础层上选择性生长石墨烯层，；在所述石墨烯层上形成第二电介质层，；在形成第二电介质层之后，在所述衬底结构上形成电极材料层以覆盖所述第二电介质层；有源区限定处理，对所述电极材料层、所述第二电介质层以及所述石墨烯层进行部分去除，以限定有源区范围，并在有源区范围中至少保留在所述纳米线上的所述电极材料层、所述第二电介质层以及所述石墨烯层的叠层的至少一部分；栅极限定处理，对所述叠层的所述至少一部分进行蚀刻至少至所述第二电介质层，来形成环绕所述纳米线中间部分的栅极结构，所述栅极结构包括所述电极材料层和所述第二电介质层的一部分。

【技术特征摘要】
1.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：提供衬底结构，所述衬底结构包括衬底、在所述衬底上的第一材料层，所述衬底中形成有凹陷，所述第一材料层包括纳米线，所述纳米线横跨所述凹陷并悬置于该凹陷上方；在所述衬底结构上形成基础层，所述基础层至少包括覆盖所述纳米线的露出的表面的第一部分以及覆盖所述凹陷的露出的表面的第二部分；在所述基础层上选择性生长石墨烯层，；在所述石墨烯层上形成第二电介质层，；在形成第二电介质层之后，在所述衬底结构上形成电极材料层以覆盖所述第二电介质层；有源区限定处理，对所述电极材料层、所述第二电介质层以及所述石墨烯层进行部分去除，以限定有源区范围，并在有源区范围中至少保留在所述纳米线上的所述电极材料层、所述第二电介质层以及所述石墨烯层的叠层的至少一部分；栅极限定处理，对所述叠层的所述至少一部分进行蚀刻至少至所述第二电介质层，来形成环绕所述纳米线中间部分的栅极结构，所述栅极结构包括所述电极材料层和所述第二电介质层的一部分。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在所述栅极限定处理之后，去除所述石墨烯层和所述第二电介质层的在所述凹陷的表面上的部分。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有源区限定处理包括：在所述电极材料层之上形成图案化的掩模，所述图案化的掩模遮蔽所述纳米线的至少一部分，利用所述图案化的掩模，去除所述电极材料层、所述第二电介质层以及所述石墨烯层的未被所述图案化的掩模遮蔽的部分。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述图案化的掩模遮蔽所述纳米线以及所述凹陷。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底包括基底层以及在所述基底层上的第一电介质层，所述第一材料层在第一电介质层上，所述第一电介质层中形成有所述凹陷；提供衬底结构包括：提供初始衬底结构，所述初始衬底结构包括所述衬底和在第一电介质层上的第一材料层；将所述第一材料层图案化，以形成纳米线；进行去除处理，以至少去除第一电介质层的在所述纳米线下以及在所述纳米线的长度方向两侧的区域的上部部分，从而形成所述凹陷。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述凹陷进一步延伸穿过所述第一电介质层到所述基底层中。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石墨烯层包括在所述基础层的第一部分的表面上的第一部分，以及在所述基础层的第二部分的表面上的第二部分；所述第二电介质层包括在所述石墨烯层的第一部分的表面上的第一部分，以及在所述石墨烯层的第二部分的表面上的第二部分；在形成电极材料层的步骤中，所述电极材料层还被形成为填充所述纳米线下的、在所述第二电介质层的第一部分与所述第二电介质层的第二部分之间的空间。8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述第一材料层还包括在所述凹陷两端的在所述第一电介质层之上的部分，所述纳米线的两端分别接合到所述第一材料层的所述部分；所述图案化的掩模遮蔽所述纳米线，并且还遮蔽所述第一材料层的与所述纳米线接合的至少一部分。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于下列中的至少一项：所述第一材料层由多晶硅或者掺杂的多晶硅或锗硅形成，所述基础层的材料包括铝的氧化物，所述第一电介质层的材料包括硅的氧化物，和/或所述第二电介质层的材料包括氮化硼、硅的氧化物、铪的氧化物、铝的氧化物、或铝的氮化物。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基础层的材料包括铝的氧化物，并且在所述基础层上选择性生长石墨烯层的步骤包括：利用甲烷和氢气，在900～1000摄氏度的温度，采用化学气相沉积工艺选择性生长石墨烯层。11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米线由掺杂的多晶硅形成，所述栅极结构中所包括的所述电极材料层的部分作为第一栅极，所述纳米线作为第二栅极。12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在栅极限定处理的步骤包括：形成第三电介质层以至少覆盖所述衬底结构以及所述有源区范围，利用图案化掩模对所述叠层的所述至少一部分进行蚀刻至少至所述第二电介质层，来形成环绕所述纳米线中间部分的栅极结构，所述栅极结构包括所述电极材料层和所述第二电介质层的一部分。13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，在栅极限定处理之后：形成第四电介质层以至少覆盖所述衬...

【专利技术属性】
技术研发人员：周鸣，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造北京有限公司，中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11