TW201201340A - Graphene based three-dimensional integrated circuit device - Google Patents

Description

201201340 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體而言係有關於半導體裝置之製造，並且更 明確地說，有關於石墨烯基之三維（3D)積體電路裝置。 【先前技術】 石墨烯意指以六角笨環結構排列的碳原子之二維平面 薄片。獨立的石墨烯結構理論上僅能在二維空間中保持 穩定，這意味著在三維空間中一確實平面的石墨烯結構 並不存在，其因彎曲結構的形成而變得不穩定，該彎曲 結構例如為碳粒（soot)、碳60(fuUerenes)、奈米碳管或皺 曲的二維結構。但是，當支樓在基板上時，二維石墨烯 結構可以是穩定的’例&，在碳化⑪（Sic)結晶表面上。 也已製造過獨立的石墨烯薄膜’但其無法擁有理想的平 坦幾何構形。 結構上，石墨烯擁有由 2 2 查砰佛，由邛混成作用形成的混成執域。 在SP混成作用中，2s軌域知=袖ο ^ . 场矛一個2p執域中的兩個混合 形成二個sp2軌域。剩下的 P 』下的一個P執域在該等碳原子之 間形成7Γ鍵。與苯結構相彻 傅相似，石墨烯結構擁有該等p轨 域的共軛環，即，石墨烯έ士諶a 旆、、。構疋方香族。不像其他碳的 同素異形體，例如鑽石、非晶磁、 反不米泡；未（carbon nanofoam)、或石炭60，石黑祕乂岔士 墨烯僅有一個原子層厚。 石墨烯擁有不尋常的能帶結复 ”千錐形電子與電洞 4 201201340 口袋僅在動量空間中布里淵_rillGuin z_)的〖點相 遇。該等電荷載子（即電子或電洞）的能量與該等載子的 動量呈線性相關。因此，該等載子如同相對的狄拉克費 米子（Dirac-Fermions)，具有零有效質量並由迪拉克方程 式支配。石墨烯薄片在4K時具有大於2〇〇 〇〇〇 的高載子遷移率。即使在3G()K時，載子遷移率也可高至 1 5,000 cm2/V -sec ° 即藉由從碳化石夕結 。在約1，150°C下， 可利用固態石墨化成長石墨烯層， 晶表面昇華矽原子’例如（000丨）表面 複雜的表面重組圖案在石墨化的初始階段開始出現。通 常，需要較高溫度來形成石墨烯層。技藝中也熟知位於 另-材料上的石墨烯層。例如’由f含碳之前驅物進行 :炭原子的化學沉積’在一金屬表面上(例如銅與鎳)形成 單一個或多個石墨烯層。 石墨稀展現出許多其他優越的電性，例如在接近室溫 下的電子同調性及量子干涉效應。也預期石墨烯層具有 小規模結構的衝擊傳輸特性。 册儘s石墨烯僅在若干年前首次被分離出(使用一般膠 帶)’但此領域目前受到密集研究。由於如上述之獨特電 如高電荷載子遷移率等)，石墨稀在電子應用上终 究是=有前景的。例如，近來展示過石墨烯電晶體，並 咸L更先進的石，麗烯電路或許是在*來積豸電路技術 中可望取代發的候選者。但是，目前缺乏簡單且低成本 的石墨稀製造製程’而限制了石墨稀應用的發展。 201201340 【發明内容】 在一範例實施例中，一種三維（3D)積韙電路（1C)結構包 含：形成在一基板上的第一石墨烯層；利用該第一石墨 烯層形成的一或多個主動裝置之第一層；形成在該一或 多個主動裝置之第一層上的絕緣層；形成在該絕緣層上 的第一石墨稀層；以及到用該第二石墨稀層形成的一或 多個主動裝置之第二層，該一或多個主動裝置的第二層 與該一或多個主動裝置的第一層電氣内連接。 在另一實施例中，一種形成三維（3D)積體電路（1C)結構 的方法包含：在一基板上形成第一石墨烯層；利用該第 一石墨烯層形成一或多個主動裝置的第一層；在該一或 多個主動裝置的第一層上形成一絕緣層；在該絕緣層上 形成一第二石墨烯層；以及利用該第二石墨烯層形成一 或多個主動裝置的第二層，該一或多個主動裝置的第二 層與該一或多個主動裝置的第一層電氣内連接。 【實施方式】 在此揭示—種石墨稀基的三維㈤)積體電路裝置之實 施例，及其製造方法。在半導妒 千等體產業十，3D積體電路（ic)

身又4曰擁有兩或多層主動雷V ^ 夕增動電子構件的晶片，該等電子構 件係垂直且平行地整合在單一 ^ 平電路内。3D 1C可能提供 δ午多顯著優勢，例如較小的覆 復盖區（在一小空間中納入更 201201340 多功能性）、速度（平均線路長度變短許多，#而減少訊 號傳播延遲並增強總體效能）、功率消耗（藉由維持一訊 號單晶#，所形成的較短線路降低功率消耗並產生較小 的寄生電容）、以及異質整合，僅舉幾個例子。在異質整 合的情況中，可以不同製程，或甚至在不同類型晶圓上 形成不同電路層。此外，其他具有完全不相容之製造製 程的構件可結合在單一個裝置内。 目刖，3D 1C可用例如晶圓堆疊晶圓接合 (wafer-on-wafer b〇nding)之技術形成其中電子構件係 建構在兩個或多個半導體晶圓上，然後校直、接合、並 切割成3D 1C。可在接合之前或之後薄化每一個晶圓。 可在接合之前在該等晶圓内建置垂直連接，或在接合後 才在堆疊内建置垂直連接。這些”矽穿孔（TSV)”在主動層 間及/或一主動層與一外部銲墊間穿過該（等）矽基板。 在晶圓上晶粒（die-on-wafer)製程中，電 兩個半導截晶圓上。一晶圓經過切割，然後== 一晶粒並接合至該第二晶圓的晶粒位置上。如同晶圓堆 疊晶圓法，在接合之前或之後執行薄化與Tsv製作。可 在切割前在該等堆疊中添加額外晶粒。或者，在晶粒堆 疊晶粒（die-on-die)製程中，電子構件係建構在多個晶粒 上，然後將電子構件進行校直並接合。薄化與tsv製作 可在接合之前或之後進行。 為了避免多重基板以及校直、薄化、接合 術’傾向於單晶形成3D 1C。也就是說 或TSV技 該等電子構件 201201340 /、連接（佈線）係建構在單_個 θ 卞等媸日日圓上之數層 +幸地，此法之既存庫用曰&必，丨 道“ 仔應用目則党到限制，因為在半 導體層内製作習知電晶體（例如摻 心雊怖植與活化退火）需 要足以應付任何既存佈線的處理溫度。 因此，f i⑷至1(h)圖是—系列剖面圖，示出形成石 墨烯基的三維(3D)積體電路之範例方法。從第丨⑷圖開 始，初始基板102(例如矽）擁有形成在其上的絕緣層ι〇4 (例如氧化物，像二氧化矽）。在第1(b)圖中，—全覆石 墨缔層106係、經轉印至該絕緣層1〇4上。可以技藝中熟 知的任何適當方法執行石墨烯薄膜的轉印，例如Z式熱 剝離膠帶（thermal release tape)製程。在一範例實施例 中，該石墨烯層106係一石墨烯單層。明確地說，由於 石墨烯係以此法沈積在此種基板表面上，所以石墨烯是 一種特別適用於3 D整合的材祠·。 如第1(c)圖所示’該石墨烯層106係透過適當微影技 術（例如硬光罩及/或光阻層形成、顯影與蝕刻）進行圖 案化’以形成預期的石墨烯基裝置之主動區。接著進行 第一層電體裝置的形成。如第1(d)圖所示，將該等石 墨烯主動區106覆以電晶體閘極堆疊材料，例如間極介 電層108與閘極電極層1丨〇。在一範例實施例中，該閑 極介電層1〇8可以是一種高k(介電常數）材料，例如給、 铪矽酸鹽、氧化锆、鍅矽酸鹽、氮化介電質、及其組合 物。該閘極電極層11 〇可包含多晶矽、金屬、或其組人 物。 201201340 現在參見第1(e)圖， 接考圖案化該閘極介電質層1Q8 和間極電極層110,以在 電負層108 ,„ ^ _ 系化石墨稀主動區106

疋’，曰日體裝置（例如場效電晶體或F 裝置包含閘極電極112盥a 。哀電日日體 …山 12與間極介電層…。應注意該等圖 式中不出的圖案化操作本質上僅為例示，可使用多於一 種圖案化與RIE(反應性離子敍刻）製程，例如，根據不同 的閘極堆疊需求，其取決 #厌於忒電曰曰體裝置的類型與極 因此，在所示範例實施例中，”⑽，，代號表示用於η 型裝置（例如刪Τ)的電晶體間極，而” ΡΝ，，代號表示用於 Ρ型裝置（例如PFET)的電晶體閘極。 在圖案化閑極堆疊之後，第1_示出源極Α及極接 點m與傳導墊結構118的形成。源極和沒極接點的形 成包含，例如源極/汲極接點材料的沈積與圖案化◊該 源極/汲極接點材料可以是金屬材料，例如鈦（τ〇、鈀 ⑼）、鋁（A1)、鎢（|)、或其合金。該沈積法可包含，例 如賤鍍、及原子層沈積（ALD)。 在完成第-層石墨稀電路裝置後，如第1(g)圖所示般 在該等裝置上形成一絕緣層12〇(例如氧化物卜然後，根 據3D 1C的結構’在絕緣層12〇内蝕刻穿孔ι22，以便 提供垂直電氣連接至一或多個額外的石墨烯基主動裝置 層。在第1 (h)圖中，石墨烯基主動裝置的下層丨24係經 示為與石墨烯基主動裝置的上層126連接。該上層126 的形成與該下層124的形成相似，其首先沈積/轉印一 石墨烯層（例如單層）至該完成的下層124上，接著圖案 201201340 化預期的石墨稀主動區，形成並圖案化該閘極堆疊材 料’形成並圖案化該等源極/没極接點與傳導塾以及 在該等上層裝置上形成絕緣層。 雖然所示實施例示出—對石墨稀基主動裝置層，但能 理解可依需求重覆上述製程’以形成又額外的石墨稀基 主動裝置層。在-預期實施例中，每—層石墨稀可有不 同功能（例如邏輯、類比、記憶體）。 第1⑷至1 (h)圖之製程流程順序所示的範例冗裝 置實施例係-頂部閑極定位（〇Hentati 〇n )的範例，在此 範例中該閘極電極和介電f係設置在料主動石墨稀源 極/及極區上方。但是，該等主動石墨烯裝置也可利用 底。P疋位形成，如第2(a)至2(k)圖的製程流程順序中所 π者。從帛2(a)圖開始’一初始基板2〇2(例如石夕）擁有形 成在其上的絕緣層204 (例如氧化物，像二氧化矽），與 第1 (a)圖的頂部閘極定位製程相似。 不同於在此製程點將石墨烯層轉印至該絕緣層2〇4， 而是對應該下層石‘墨稀基裝置的W極位置將該絕緣層 2〇4 @案化形成穿孔2〇6 ’如第2(b)圖所示。然後，如第 2(c)圖所示，在該裝置上形成一閘極電極層2〇8，填充該 穿孔。一旦該閘極電極層2〇8已經平坦化，即界定個別 開極電極21 0 ’如第2(d)圖所示。然後在該絕緣層2〇4 與該等閘極電極210上形成一閘極介電層212，如第2(匀 圖所示般。如第一實施例的情況，該閘極介電層212可 以疋一種高k閘極介電層。 10 201201340 現在參見第2( f)圖，在該閘極介電層212上形成一石 墨烯層2 14。再次’可以技藝中熟知的任何適當方法執 行石墨烯薄膜的轉印’例如乾式熱剝離膠帶法。在一範 例實施例中’該石墨烯層2 14係一石墨烯單層。如也在 第2(f)圖中示出者’該等閘極電極係經標示為”GN” 和”GP”之代號’以表示範例η型與p型FET裝置。 在第2(g)圖中’根據預期的主動區，圖案化該石墨烯 層’並對應該等底部定位閘極電極的位置。該全覆閘極 介電層212此時保持完整。如接下來在第2(h)圖中示出 者’形成該專石墨烯基FET裝置的源極/汲極接點2 1 6， 然後進行閘極介電層圖案化並形成傳導塾2 1 8，如第2 (i) 圖所示。如此配置，第一或下層石墨烯基主動裝置即完 成，接著在該等裝置上形成一絕緣層22〇(例如氧化物）， 如第2(j)圖所示。然後’根據3D IC的結構，在該絕緣 層220内蝕刻穿孔222，以便提供垂直電氣連接至一或 多個額外的石墨烯基主動裝置層。最後，在第2(k)圖中， 石墨烯基主動裝置的第二層224係經示為與石墨烯基主 動裝置的第一層連接。在此，該第二層224的FET裝置 也是底部定位閘極。但是，仍進一步預期一石墨烯基3d 1C結構能夠在相同或不同的裝置層内具有頂部定位與底 部定位閘極兩者。 雖然已參考較佳實施例來描述本發明，但熟知技藝者 能夠了解可在不背離本發明範圍下做出諸多改變，並且 等效物可取代本發明的元件。此外，可做出眾多調整以 201201340 使特定情況或材料適用本發明之教示， 的基本範圍。因此’並不意欲使本發明=背離本發明 特定實施例，其做為執行 又、於所揭示之 勺钒仃本發明所能預期 而是本發明會包含以附屬中請專利範 =式’ 有實施例。 乾可内的所 【圖式簡單說明】 參見範例圖式，其中在數個圖式中之相 的元件符號编號： w同樣 第1⑷至1(h)圖是—系列剖面圖，根據本發 施例示出形成一石墨烯基的三維（3D 貫 法；以及 ㈣體電路之範例方 第2⑷至2(k)B!是―系列剖面圖，根據

施例示出形成一石墨烯基的3D積體電路之範例方法 【主要元件符號說明】 102、202 基板 104、204 絕緣層 106、214 石墨烯層 108 閘極介電層 110、208 閘極電極層 112 ' 210 閘極電極 114、212 閘極介電層 12 201201340 116 > 216 源極/汲極接點 118 ' 218 傳導墊結構 120、220 絕緣層 122 、 206 、 222 穿孔 124 下層 126 上層 224第二層 13

Claims (1)

1. 201201340 七、申請專利範圍： 1 · 一種三維（3D)積體電路（ic)結構，其包含： 一第一石墨烯層，形成在一基板上； 一或多個主動裝置之一第一層，其利用該第/石墨烯層 所形成； 一絕緣層，形成在該一或多個主動裝置之第一層上； 一第二石墨烯層，形成在該絕緣層上；以及 一或多個主動裝置之一第二層，利用該第二石墨烯層所 形成，該一或多個主動裝置的第二層與該一或多個主動 裝置的第一層電氣内連接。 2.如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該第一與第 二石墨烯層包含單層。 3·如申請專利範圍第丨項所述之結構，其中該一或多個 主動裝置的第一與第二層包含場效電晶體，其相對於該 連結的石墨烯層具有一頂部閘極定位關係。 4’如申請專利範圍第3項所述之結構，更包含複數個源 極與没極接點，設置在該等石㈣層上，與該等石墨烯 層上之頂部定位閘極電極相鄰。 •如申w專利範圍第！項所述之結構，其中該—或多個 14 201201340 主動裝置的第一與第二層包含場效電晶體，其相對於該 連結的石墨烯層具有一底部閘極定位關係。 6.如申睛專利範圍第5項所述之結構，更包含複數個源 極與汲極接點，其設置在該等石墨烯層上，並位於在該 等石墨烯層下方的底部定位閘極電極上方。 7·~種形成三維（3D)積體電路（1(：)結構的方法，該方法包 含： 在—基板上形成一第一石墨烯層； 利用该第一石墨烯層形成一或多個主動裝置的第一層： 在°亥或夕個主動裝置的第一層上形成一絕緣層； 在該絕緣層上形成-第二石墨烯層；以及 J用。亥第一石墨烯層形成一或多個主動裝置的第二層， 該一或多㈤主動|1的第二層肖該一或多㈤主動裝置的 第—層電氣内連接。 申π專利範圍第7項所述之方法，其中該第一與第 二石墨烯層包含單層。 申明專利範圍第7項所述之方法，其中該一或多個 主動裝置的第-與第二層包含場效電晶體，其相對於該 連、。的石墨烯層具有-頂部閘極定位關係。 15 201201340 ’更包含形成複數 墨缔層上，與該等 10 ·如申s月專利範圍第9項所述之方法 個源極與汲極接點，其設置在該等石 石墨稀層上之頂部定位閘極電極相鄰 11·如申睛專利範圍第9項所述 加M k 更包含形成該頂 4閘極疋位場效電晶體，藉由： 根據-預期的主動佈局區，圖案化該連結的石墨稀層； :〆圖案化石墨烯層上形成一閘極介電層與一閘極電極 層；以及 除去該閑極介電層與閘極電極 根據一預期的閘極圖案 層的一部分。 請專利範圍第7項所述之方法，其中該—或多個 連-的：：弟一與第二層包含場效電晶體，其相對於該 墨稀層具有—底和極定位關係。 13.如申請專利範圍第12 數個源極與及極接m置成複 /、°在邊等石墨烯層上，並位 #石墨烯層下方的底部定位間極電極上方。 14·如申請專利範圍第12 底部間；厅过·之方法，更包含形成該 原p間極定位場效電晶體，藉由： 根據-預期的閘極圖案，在―： 以—間杌+ α 逆，、°的絶緣層内形成開口； 電極材料填充該連結的絕緣層内之該等開口， 16 201201340 並平坦化該閘極電極材料以形成個別閘極電極； 在該等個別閘極電極上形成一閘極介電層，· 在該閘極介電層上形成該連結的石墨烯層；以及 根據一預期的主動佈局區 閘極介電層。 圖案化該連結的石墨烯層與 二如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該形成該第 石墨烯層包含―乾^熱剝離膠帶製程。 17