一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，該方法包括：a）提供半導(dǎo)體襯底，所述襯底上有絕緣層，在所述絕緣層上有單原子層或雙原子層硅溝道層；b）對所述的單原子層或雙原子層硅溝道層進(jìn)行圖形化，形成各個場效應(yīng)晶體管對應(yīng)的溝道區(qū)；c）在所述溝道層邊緣處和絕緣層上形成源/漏區(qū)；d）在所述溝道層上形成柵介質(zhì)和柵極。相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中，采用單原子層硅或雙原子層硅作為場效應(yīng)晶體管的溝道材料，可以利用單原子層或雙原子層硅的量子限制效應(yīng)，改變其能帶結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出新型的納米電子器件。
【專利說明】 一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造領(lǐng)域，尤其涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[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(yùn)結(jié)方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，期望能夠?qū)蝹€或幾個有機(jī)分子的電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征。在納米電子和分子電子學(xué)領(lǐng)域的最終目標(biāo)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(dǎo)體材料的低載流子濃度缺陷，而表現(xiàn)出很好的場效應(yīng)晶體管性質(zhì)。為實(shí)現(xiàn)這一終極目標(biāo)，至關(guān)重要的是制備新材料、研制新型器件結(jié)構(gòu)及為獲得高載流子遷移率和高柵效率而進(jìn)行的參數(shù)優(yōu)化新方法。目前，石墨烯由于其獨(dú)特的性質(zhì)及維度，已被廣泛用于先進(jìn)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]日本國家高級工業(yè)科技研究院的Tetsuya Morishita等人在文獻(xiàn)“Format1nof single-and double-layer silicon in slit pores，， (Physical review B77,081401R2008)中采用淬火冷卻液態(tài)硅的方法獲得在納米狹孔中獲得了準(zhǔn)二維的硅納米片晶，即單原子層或雙原子層的硅納米片。不同于體硅晶體的金剛石立方結(jié)構(gòu)，單原子層硅呈現(xiàn)與石墨烯類似的平面六角形結(jié)構(gòu)，雙原子層硅形成六方金剛石結(jié)構(gòu)。單原子層硅/雙原子層硅具有類似石墨烯的物理及電學(xué)特性，其在場效應(yīng)晶體管中的研究還鮮有報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造方法，采用單原子層或雙原子層硅作為場效應(yīng)晶體管的溝道層，制作新型的納米場效應(yīng)器件。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括:
[0006]a)提供半導(dǎo)體襯底，所述襯底上有絕緣層，在所述絕緣層上有單原子層或雙原子層硅溝道層；
[0007]b)對所述的單原子層或雙原子層硅溝道層進(jìn)行圖形化，形成各個場效應(yīng)晶體管對應(yīng)的溝道區(qū)；
[0008]c)在所述溝道層邊緣處和絕緣層上形成源/漏區(qū)；
[0009]d)在所述溝道層上形成柵介質(zhì)和柵極。
[0010]相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括襯底、絕緣層、溝道層、源/漏區(qū)、柵介質(zhì)和柵極，其中:
[0011 ] 所述絕緣層位于所述襯底之上；
[0012]所述溝道層位于所述絕緣層之上，并在邊緣處與所述源/漏區(qū)相接；
[0013]所述溝道層的材料為單原子層硅或雙原子層硅；
[0014]所述柵介質(zhì)位于所述溝道層之上，所述柵極位于所述柵介質(zhì)之上。
[0015]采用本發(fā)明提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法，可以得到一種新型的納米級場效應(yīng)晶體管器件，可以在納米級實(shí)現(xiàn)宏觀場效應(yīng)晶體管器件的所有功能，如聞遷移率和聞開關(guān)t匕，大大縮小了器件的尺寸。由于器件中的溝道層為單原子層或雙原子層硅，可以與現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體加工工藝技術(shù)很好的兼容。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
[0017]圖1是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造方法的【具體實(shí)施方式】的流程圖；
[0018]圖2至圖5是根據(jù)圖1示出的方法制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)過程中該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在各個制造階段的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]附圖中相同或相似的附圖標(biāo)記代表相同或相似的部件。

【具體實(shí)施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)描述。
[0021]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)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(shí)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。
[0022]下文的公開提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)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(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)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(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識到其他工藝的可應(yīng)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(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實(shí)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(shí)施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。
[0023]下面首先對本發(fā)明提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行概述，請參考圖5，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括襯底100、絕緣層110、溝道層200、源/漏區(qū)300、柵介質(zhì)400和柵極410，其中:
[0024]所述絕緣層110位于所述襯底100之上；
[0025]所述溝道層200位于所述絕緣層110之上，并在邊緣處與所述源/漏區(qū)300相接；
[0026]所述溝道層的材料為單原子層硅或雙原子層硅；
[0027]所述柵介質(zhì)400位于所述溝道層200之上所述柵極410位于所述柵介質(zhì)400之上。
[0028]下文對該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一種制造方法進(jìn)行闡述。
[0029]請參考圖1，該方法包括:
[0030]步驟S100，提供半導(dǎo)體襯底100，所述半導(dǎo)體襯底上有一層絕緣層110，在所述絕緣層I1上形成有一層單原子層硅或雙原子層硅構(gòu)成的溝道層200 ；
[0031]步驟S101，對所述單原子層硅或雙原子層硅的溝道層200進(jìn)行圖形化，形成各個場效應(yīng)晶體管對應(yīng)的溝道區(qū)；
[0032]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 ；
[0033]步驟S103，在所述溝道層200上形成柵介質(zhì)400和柵極410 ；
[0034]下面結(jié)合圖2至圖5對步驟SlOO至步驟S103進(jìn)行說明。需要說明的是，本發(fā)明各個實(shí)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。
[0035]參考圖2，執(zhí)行步驟S100，所示為半導(dǎo)體襯底100，并在襯底上有絕緣層110，以及在絕緣層I1之上形成單原子層或雙原子層硅構(gòu)成的溝道層200。
[0036]在本實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體襯底100可以為絕緣體上硅(SOI)，SOI片中的埋氧層即為絕緣層110，通過減薄技術(shù)如化學(xué)機(jī)械拋光或是刻蝕技術(shù)將SOI襯底100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溝道層200。
[0037]在其他實(shí)施例中，襯底100也可以是普通的硅襯底(例如晶片)，包括體硅硅片和SOI硅片。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)公知的設(shè)計(jì)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。襯底100還可以包括其他基本半導(dǎo)體，例如鍺?；蛘?，襯底100可以包括化合物半導(dǎo)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400μπι-800μπι的厚度范圍內(nèi)。絕緣層110可以包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或其組合，厚度可以是ΙΟΟηπι-δμπι，沉積在襯底100的表面。單原子層或雙原子層硅溝道層200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。
[0038]參考圖3，執(zhí)行步驟S101，對單原子層或雙原子層硅溝道層200進(jìn)行圖形化，形成各個場效應(yīng)晶體管對應(yīng)的溝道區(qū)。所述對單原子層硅或雙原子層硅圖形化，可以利用公知的半導(dǎo)體加工技術(shù)光刻和刻蝕來實(shí)現(xiàn)。
[0039]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(xué)氣相沉積形成。源/漏區(qū)300的材料也可以是化學(xué)氣相沉積或外延的硅，并通過離子注入或擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)對源/漏區(qū)的摻雜。對所淀積的材料進(jìn)行圖形化，形成源/漏區(qū)300。
[0040]參考圖5，執(zhí)行步驟S103，在所述溝道層200上形成柵介質(zhì)400和柵極410。所述柵介質(zhì)400可以是熱氧化層，包括氧化硅、氮氧化硅，也可為沉積而成的高K介質(zhì)，例如Hf02、HfS1, HfS1N, HfTaO, HfT1, HfZrO, A1203、La2O3> ZrO2 或 LaAlO 中的一種或其組合，柵介質(zhì)400的厚度大約為lnm-3nm。在其他的實(shí)施例中，柵介質(zhì)也可以是具有2?5個原子層厚度的六方氮化硼層。所述柵極可以是通過沉積形成的重?fù)诫s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(shù)金屬層(即柵極410)，其厚度大約為10nm-20nm。
[0041]雖然關(guān)于示例實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明的精神和所附權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍的情況下，可以對這些實(shí)施例進(jìn)行各種變化、替換和修改。對于其他例子，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解在保持本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)的同時，工藝步驟的次序可以變化。
[0042]此外，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不局限于說明書中描述的特定實(shí)施例的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)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(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)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(yīng)實(shí)施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié)果，依照本發(fā)明可以對它們進(jìn)行應(yīng)用。因此，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包含在其保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，該方法包括: a)提供半導(dǎo)體襯底(100)，所述襯底(100)上有絕緣層(110)，在所述絕緣層(110)上具有由單原子層或雙原子層硅構(gòu)成的溝道層(200)； b)對所述的單原子層或雙原子層硅的溝道層(200)進(jìn)行圖形化，形成各個場效應(yīng)晶體管對應(yīng)的溝道區(qū)； c )在所述溝道層邊緣處(200 )和絕緣層(110)上形成源/漏區(qū)(300 ); d)在所述溝道層(200)上形成柵介質(zhì)(400)和柵極(410)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1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(dǎo)體襯底(100)和絕緣層(I 10)和溝道層: 將SOI硅片的體型硅襯底和埋氧層通過化學(xué)機(jī)械拋光或刻蝕技術(shù)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)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟a中，所述半導(dǎo)體襯底(100)為硅片、鍺片或化合物半導(dǎo)體，通過沉積的方法在所述襯底(100)表面形成絕緣層(110)和單原子層或雙原子層硅溝道層(200 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述沉積單原子層或雙原子層硅溝道層(200)的方法為外延、原子層沉積或在納米狹孔中淬火冷卻液態(tài)硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述絕緣層(110)的材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅及其組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1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?fù)诫s多晶硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟d中，所述柵介質(zhì)(400)的材料為氧化硅、氮氧化硅，也可為沉積而成的高K介質(zhì)，包括Hf02、HfSi0、HfSi0N、HfTa0、HfTi0、HfZr0、Al203、La203、Zr02或LaAlO中的一種或其組合，或是具有2?5個原子層厚度的六方氮化硼層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟d中，所述柵極可以是通過沉積形成的重?fù)诫s多晶硅，或是通過沉積 TaC, TiN, TaTbN, TaErN, TaYbN, TaSiN, HfSiN, MoSiN, RuTax, NiTax形成功函數(shù)金屬層。
9.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括襯底(100)、絕緣層(110)、溝道層(200)、源/漏區(qū)(300)、柵介質(zhì)(400)和柵極(410)，其中: 所述絕緣層(110)位于所述襯底(100 )之上； 所述溝道層(200)位于所述絕緣層(110)之上，并在邊緣處與所述源/漏區(qū)(300)相接; 所述溝道層(200)的材料為單原子層硅或雙原子層硅； 所述柵介質(zhì)(400 )位于所述溝道層(200 )之上，所述柵極(410)位于所述柵介質(zhì)(400 )之上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述襯底(100)是體硅硅片、SOI硅片、鍺片或化合物半導(dǎo)體。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述源/漏區(qū)(300)是金屬T1、Cr、Au及其組合，或重?fù)诫s多晶硅。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述柵介質(zhì)(400)是氧化硅、氮氧化硅，也可為沉積而成的高K介質(zhì)，包括Hf02、HfSi0、HfS1N, HfTaO, HfT1, HfZrO, A1203、La2O3> ZrO2 或 LaAlO 中的一種或其組合，或是具有 2 ?5個原子層厚度的六方氮化硼層。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述柵極(410)是重?fù)诫s多晶硅，或是通過沉積TaC，TiN, TaTbN, TaErN, TaYbN, TaSiN,HfSiN, MoSiN, RuTax, NiTax形成功函數(shù)金屬層。
【文檔編號】H01L21/8234GK104282625SQ201310286637
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月9日 優(yōu)先權(quán)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(xué)院微電子研究所