基于石墨烯沟道的器件及其制造方法技术

提供基于石墨烯沟道的器件及其制造技术。在一方面，一种半导体器件包括：第一晶片，其具有形成于第一衬底上的至少一个石墨烯沟道、包围所述石墨烯沟道的第一氧化物层、以及接到所述石墨烯沟道并延伸穿过所述第一氧化物层的源极接触和漏极接触；以及第二晶片，其具有形成于第二衬底中的CMOS器件层、包围所述CMOS器件层的第二氧化物层、以及接到所述CMOS器件层并延伸穿过所述第二氧化物层的多个接触，所述晶片通过所述氧化物层之间的氧化物与氧化物接合而被接合在一起。接到所述CMOS器件层的所述多个接触中的一个或多个接触与所述源极接触和漏极接触相接触。接到所述CMOS器件层的所述多个接触中的一个或多个另外的接触为用于所述石墨烯沟道的栅极接触。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及基于石墨烯(graphene)的器件，更具体而言涉及基于石墨烯沟道的器件及其制造技术。
技术介绍
石墨稀为单层石墨。石墨稀具有非凡的电子特性。例如，石墨稀中的电子载流子呈现对闻性能射频(rf)电路而目有吸引力的非常闻的迁移率。利用涉及石墨稀的器件和复杂电路的一个主要挑战在于，石墨烯的生长条件与当前互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的工艺限制不兼容。例如，从碳化硅(SiC)衬底外延生长的石墨烯层需要至少1200摄氏度(°C)的反应温度，该反应温度大大超出了 CMOS工艺的约350°C到约400°C的温度上限。在较低温度下获得石墨烯片的一种方式是通过机械剥脱(mechanical exfoliation)体石墨并转移到合适的衬底而实现的。然而，在后续工艺期间，从任一方法获得的石墨烯可能通过氧化而被破坏，且石墨烯的特性也可能改变。由于其高载流子迁移率，石墨烯在rf电路应用中是作为有源部件的有吸引力的材料。对rf电路而言，晶体管的性能主要决定于截止频率，即，晶体管的电流增益变成一致的频率。为了改善晶体管的截止频率，需要最小化与晶体管的互连和接触相关联的剩余电阻以及寄生电容。一般而言，场效晶体管(FET)包含源极、漏极以及连接源极与漏极的沟道。通过电介质与沟道分隔的栅极调节通过沟道的电子流。典型地向源极、漏极和栅极提供金属接触(电极)。对于常规的基于石墨烯的FET，通常采用两种类型的栅极结构。在第一种类型中，栅极接触与源极金属接触/漏极金属接触重叠(overlap)，以确保良好的栅极控制。在第二种类型中，栅极与源极金属接触/漏极金属接触负重叠(underlap)，以避免栅极与源极/漏极接触之间的寄生电容。在第一种设计中，由于接触重叠，所以器件性能有显著的寄生电容。在第二种设计中，栅极与源极/漏极接触之间的非栅极化Ungated)区域造成剩余串联电阻。任一种设计都不能针对高性能操作同时解决寄生电容和剩余串联电阻的问题。因此，需要一种有效地结合现有CMOS技术与石墨烯的新制造方案，以允许成功地利用石墨烯作为实际器件/或电路中的有源或无源元件，例如基于石墨烯的晶体管器件设计使得寄生电容和剩余串联电阻二者最小化。
技术实现思路
本专利技术提供基于石墨烯沟道的器件及其制造技术。在本专利技术的一个方面中，提供一种半导体器件。所述半导体器件包括第一晶片，其具有形成于第一衬底上的至少一个石墨烯沟道、包围所述石墨烯沟道的第一氧化物层、以及接到所述石墨烯沟道并延伸穿过所述第一氧化物层的源极接触和漏极接触；以及第二晶片，其具有形成于第二衬底中的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件层、包围所述CMOS器件层的第二氧化物层、以及接到所述CMOS器件层并延伸穿过所述第二氧化物层的多个接触，所述第一晶片和所述第二晶片通过所述第一氧化物层与所述第二氧化物层之间的氧化物与氧化物接合而被接合在一起。接到所述CMOS器件层的所述多个接触中的一个或多个接触与接到所述石墨烯沟道的所述源极接触和漏极接触相接触。接到所述CMOS器件层的所述多个接触中的一个或多个另外的接触为用于所述石墨烯沟道的栅极接触。在本专利技术的另一方面中，提供一种制造半导体器件的方法。该方法包括以下步骤。形成第一晶片，所述第一晶片具有形成于第一衬底上的至少一个石墨烯沟道、包围所述石墨烯沟道的第一氧化物层、以及接到所述石墨烯沟道并延伸穿过所述第一氧化物层的源极接触和漏极接触。形成第二晶片，所述第二晶片具有形成于第二衬底中的CMOS器件层、包围所述CMOS器件层的第二氧化物层、以及接到所述CMOS器件层并延伸穿过所述第二氧化物层的多个接触。通过所述第一氧化物层与所述第二氧化物层之间的氧化物与氧化物接合将所述第一晶片和所述第二晶片接合在一起，使得接到所述CMOS器件层的所述多个接触中的一个或多个接触与接到所述石墨烯沟道的所述源极接触和漏极接触相接触，且接到所述CMOS器件层的所述多个接触中的一个或多个另外的接触为用于所述石墨烯沟道的栅极接触。 在本专利技术的又一方面中，提供一种晶体管器件。所述晶体管器件包括衬底；形成于所述衬底上的源极接触和漏极接触；形成于所述衬底上的石墨烯沟道，其连接所述源极接触和漏极接触；以及位于所述石墨烯沟道上方的栅极接触，其通过电介质而与所述石墨烯沟道分隔，其中所述栅极接触处于与所述源极接触和漏极接触非重叠的位置，使得所述石墨烯沟道的位于所述栅极接触与所述源极接触和漏极接触之间的部分暴露，且其中所述石墨烯沟道的暴露部分被掺杂有η型或P型掺杂剂。在本专利技术的再一方面中，提供一种制造晶体管器件的方法。所述方法包括以下步骤。提供衬底。在所述衬底上形成源极接触和漏极接触。在所述衬底上形成石墨烯沟道，所述石墨烯沟道连接所述源极接触和漏极接触。在所述石墨烯沟道上方形成栅极接触，所述栅极接触通过电介质而与所述石墨烯沟道分隔，其中所述栅极接触处于与所述源极接触和漏极接触非重叠的位置，使得所述石墨烯沟道的位于所述栅极接触与所述源极接触和漏极接触之间的部分暴露。用η型或P型掺杂剂掺杂所述石墨烯沟道的暴露部分。将参考以下详细说明和附图获得对本专利技术以及本专利技术的其它特征和优点的更完整的了解。附图说明图I为截面图，示例出根据本专利技术实施例已在衬底上沉积或生长石墨烯层；图2为三维(3D)图，示例出根据本专利技术实施例在衬底上的石墨烯层的自顶向下视图；图3为3D图，示例出根据本专利技术实施例已在石墨烯/衬底上方形成掩模；图4为3D图，示例出根据本专利技术实施例已在掩模周围蚀刻石墨烯层以构图并由此限定沟槽；图5为截面图，示例出根据本专利技术实施例已在构图的石墨烯层和衬底之上沉积氧化物层；图6为截面图，示例出根据本专利技术实施例已在氧化物层之上形成蚀刻掩模；图7为截面图，示例出根据本专利技术实施例已将沟槽蚀刻到氧化物层中而暴露下面的(underlying)石墨烯部分；图8为截面图，示例出根据本专利技术实施例已在氧化物层之上沉积金属而填充沟槽；图9为截面图，示例出根据本专利技术实施例已由所沉积的金属形成源极区金属接触和漏极区金属接触；图10为截面图，示例出根据本专利技术实施例使用晶片至晶片接合(wafer-to-waferbonding)技术来集成图9的石墨烯晶片与互补金属氧化物半导体(CMOS)器件晶片；图11为截面图，示例出根据本专利技术实施例已利用晶片接合工艺以面对面方式将石墨稀晶片与CMOS器件晶片接合在一起；图12为截面图，示例出根据本专利技术实施例已从石墨烯晶片去除衬底；图13为截面图，示例出根据本专利技术实施例已从CMOS器件晶片去除衬底；·图14为截面图，示例出根据本专利技术实施例已将另外的金属层加到图12的结构；图15为截面图，示例出根据本专利技术实施例已将另外的金属层加到图13中示出的结构；图16为截面图，提供了根据本专利技术实施例可如何将CMOS器件晶片部件配置为与石墨稀晶片集成的实例；图17为截面图，示例出根据本专利技术实施例已在衬底上沉积或生长石墨烯层；图18为3D图，示例出根据本专利技术实施例已在衬底上沉积或生长的石墨烯层的自顶向下视图；图19为截面图，示例出根据本专利技术实施例在石墨烯层/衬底之上构图抗蚀剂掩模；图20为3D图，示例出根据本专利技术实施例在石墨烯层/衬底之上构图抗蚀剂掩模的自顶向下视图；图21为截面图，示例出根据本专利技术实施例已在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·陈，YM·林，P·阿沃里斯，D·B·法默，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：
国别省市：