石墨烯晶体管以及制造石墨烯器件的方法

专利名称：石墨烯晶体管以及制造石墨烯器件的方法
技术领域：
本公开涉及石墨烯器件及其制造方法。
背景技术：
硅(Si)基半导体器件的集成度和容量已经被极大地提高。然而，由于Si材料的特性和制造工艺的限制，预计在将来实现更高集成和更高容量的Si基半导体器件会更加困难。因此，正在对克服Si基半导体器件的限制的下一代器件进行研究。例如，已经试图通过使用诸如石墨烯的碳基纳米结构来制造高性能器件。石墨烯是由碳原子构成的单层六边形结构，它是化学稳定和结构稳定的，并表现出期望的电/物理性质。例如，石墨烯具有高达约2X 105cm2/Vs的电荷迁移率，比硅的电荷迁移率快一百倍以上，并具有约108A/cm2的电流密度，比铜(Cu)的电流密度大一百倍以上。因此，石墨烯作为克服一般器件的限制的下一代材料已经受到 关注。然而，因为在石墨烯的形成工艺中存在一些限制，所以利用石墨烯来制造器件是相对困难的。通过现有的技术，在绝缘薄膜上生长高质量的石墨烯是相对困难的。因此，石墨烯不得不形成在金属薄膜上然后被转移到另一基板上。然而，在转移石墨烯期间，石墨烯会具有一些缺陷或被暴露于污染物。此外，对石墨烯的操作也是不容易的。因此，制造应用石墨烯的器件受到限制。

发明内容
各个实施例涉及高性能石墨烯器件及其制造方法。各个实施例还涉及制造石墨烯器件的方法，在该方法中对石墨烯的损伤或污染被防止或最小化。—种制造石墨烯器件的方法可以包括:在第一基板上形成石墨烯层；在第一基板上形成器件部分，该器件部件包括石墨烯层；将第二基板附接到器件部分上；以及移除第
一基板。形成器件部分可以包括形成分别接触石墨烯层的第一区和第二区的源电极和漏电极。形成器件部分可以包括:形成覆盖石墨烯层、源电极和漏电极的栅绝缘层；以及在栅绝缘层上且在源电极与漏电极之间形成栅极。该方法还可以包括:形成覆盖器件部分且设置于器件部分与第二基板之间的绝缘层；以及蚀刻部分的绝缘层和部分的栅绝缘层以暴露源电极、漏电极和栅极。该方法还可以包括:在移除第一基板之后，将第三基板附接在器件部分上，其中器件部分设置在第二基板与第三基板之间。该方法还可以包括移除第二基板。第三基板可以是玻璃基板、塑料基板和聚合物基板之一。
第三基板可以是柔性基板。该方法还可以包括在器件部分与第三基板之间形成保护层。该方法还可以包括在移除第一基板之后形成覆盖器件部分的绝缘层，其中器件部分设置在绝缘层与第二基板之间。源电极、漏电极和栅极可以形成为分别包括第一焊垫部、第二焊垫部和第三焊垫部，其中绝缘层形成为覆盖第一至第三焊垫部。该方法还可以包括蚀刻部分的绝缘层以暴
露第一至第三焊垫部。该方法还可以包括:在移除第一基板之后形成覆盖石墨烯层、源电极和漏电极的栅绝缘层；以及在栅绝缘层上且在源电极与漏电极之间形成栅极。源电极和漏电极可以形成为分别包括第一焊垫部和第二焊垫部，该方法还可以包括蚀刻部分的栅绝缘层以暴露第一焊垫部和第二焊垫部。该方法还可以包括在第一基板与石墨烯层之间形成催化剂层。该方法还可以包括在第一基板与催化剂层之间形成中间层。移除第一基板可以包括蚀刻催化剂层。移除第一基板可以包括蚀刻催化剂层和中间层之一。该方法还可以包括在附接第二基板之前，在第一基板上形成覆盖器件部分的保护层。

第二基板可以是聚合物基板。该方法还可以包括:在第一基板上形成包括多个器件部分的器件层；以及通过图案化器件层而分离多个器件部分。牺牲层可以进一步设置在第一基板与器件层之间。移除第一基板可以包括通过在多个器件部分之间注入蚀刻溶液而蚀刻牺牲层。牺牲层可以是金属层或绝缘层。一种石墨烯晶体管可以包括:在基板上的第一绝缘层，该第一绝缘层具有凹入部；石墨烯器件部分，形成在第一绝缘层的凹入部上；以及第二绝缘层，形成为覆盖石墨烯器件部分，其中石墨烯器件部分可以包括:栅极；覆盖栅极的栅绝缘层；在栅极两侧的栅绝缘层上的源电极和漏电极；以及接触源电极和漏电极的石墨烯层。 栅绝缘层可以在石墨烯层周围延伸到第一绝缘层上。栅绝缘层的延伸到第一绝缘层上的部分可以具有与石墨烯层相同的高度。栅极可以与源电极和漏电极交叠。基板可以是聚合物基板。根据另一非限制实施例，一种石墨烯晶体管可以包括:形成在基板上的保护层；形成在保护层中的源电极和漏电极；石墨烯层，形成为连接源电极和漏电极并设置在与保护层的上表面相同的高度处；栅绝缘层，形成在保护层上并覆盖石墨烯层；以及栅极，形成在栅绝缘层上。石墨烯层的上表面与在石墨烯层周围的保护层的上表面可以处于相同的高度。源电极可以设置在石墨烯层的第一区下面，漏电极可以设置在石墨烯层的第二区下面。基板可以是聚合物基板。


通过结合附图的下列描述，示例实施例的以上和/或其他的方面将变得更加明显并更易于理解，在附图中:图1A至图1L是示出根据非限制实施例的制造石墨烯器件的方法的截面图；图2A至图2D是示出根据非限制实施例的形成图1B中示出的结构的方法的截面图；图3A至图3D是示出根据非限制实施例的制造石墨烯器件的另一方法的截面图；图4A是示出根据非限制实施例的图3C的石墨烯器件的平面结构的平面图；图4B是示出根据非限制实施例的图3D的平面结构的平面图；图5是示出图4A的修改示例的平面图；图6A至图6D是示出根据非限制实施例的制造石墨烯器件的另一方法的截面图；图7A是示出图6C的平面结构的平面图；图7B是示出图6D的平面结构的平面图；以及图8A至图SE是示出根据非限制实施例的制造石墨烯器件的另一方法的截面图。
具体实施例方式现在将更详细地参照各个示例实施例，示例实施例可以在附图中示出，其中相似的附图标记通篇指代相似的元 件。在这点上，示例实施例可以具有不同的形式且不应被解释为限于这里给出的描述。因此，以下通过参照附图仅描述各个示例实施例来解释本说明书的多个方面。如这里所用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任何及所有组合。诸如“……中至少之一”的表述，当在一列元件之前时，修改元件的整个列表而不修改该列表中的各个兀件。现在将参照附图更充分地描述各个示例实施例，在附图中示出示例实施例。将理解，当一元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接到或直接耦接到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，则没有中间元件存在。如这里所用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任何及所有组合。将理解，虽然这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各个元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分应不受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分区别开。因此，以下讨论的第一元件、第一部件、第一区域、第一层或第一部分可以被称为第二元件、第二部件、第二区域、第二层或第二部分，而不背离示例实施例的教导。为了描述的方便，这里可以使用空间相对性术语诸如“下面”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等来描述如附图所示的一个元件或特征与另一个(另一些)元件或特征的关系。将理解，空间相对性术语旨在涵盖除附图所示的取向之外器件在使用或操作中的不同方向。例如，如果附图中的器件被翻转，被描述为在其他元件或特征的“下面”或“下方”的元件将会取向在所述其他元件或特征的“上方”。因此，术语“下面”能够涵盖之上和之下两种取向。器件也可以有其它取向(旋转90度或在其它取向)，这里所使用的空间相对描述符作相应地解释。这里所使用的术语只是为了描述特定的实施例的目的，而不意在限制示例实施例。如这里所用的，单数形式“一”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地指示另外的意思。还将理解，术语“包括”和/或“包含”，当在本说明书中使用时，指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其组合的存在或增加。这里参照截面图描述了示例实施例，这些截面图是示例实施例的理想化实施例(和中间结构)的示意图。因此，由例如制造技术和/或公差引起的图示形状的变化是可能发生的。因此，示例实施例不应被解释为限于这里所示的区域的特定形状，而是包括由例如制造引起的形状偏差在内。例如，示出为矩形的注入区将通常具有倒圆或弯曲的特征和/或在其边缘处的注入浓度的梯度而不是从注入区到非注入区的二元变化。类似地，通过注入形成的埋入区可以导致在埋入区与通过其发生注入的表面之间的区域中的一些注入。因此，附图中示出的区域在本质上是示意性的，它们的形状不旨在示出器件的区域的真实形状并且不旨在限制示例实施例的范围。除非另行定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有本发明所属领域内的普通技术人员所通常理解的同样的含义。将进一步理解的是，诸如通用词典中所定义的术语，除非此处加以明确定义，否则应当被解释为具有与它们在相关领域的语境中的含义相一致的含义，而不应被解释为理想化的或过度形式化的意义。在下文，将参照附图更详细地描述根据示例实施例的石墨烯器件及其制造方法。在附图中，为了清晰，层和区域的宽度和厚度可以被夸大。相同的附图标记在所有附图中代表相同的兀件。图1A至图1L是示出根据非限制实施例的制造石墨烯器件的方法的截面图。

参照图1A，催化剂层CTl可以形成在第一基板SUBl上。可以使用例如硅基板作为第一基板SUB1。在形成催化剂层CTl之前，期望的或预定的中间层NI可以首先形成在第一基板SUBl上，然后催化剂层CTl可以形成在中间层NI上。中间层NI可以防止或减少基板SUBl与催化剂层CTl之间的反应，例如硅化反应。此外，中间层NI可以防止或减少第一基板SUBl与催化剂层CTl之间的材料扩散。中间层NI可以形成为绝缘层，例如硅氧化物层。当第一基板SUBl是硅基板时，第一基板SUBl的表面部分(上表面部分)可以被氧化以形成硅氧化物层，该硅氧化物层将被用作中间层NI。中间层NI的厚度可以为约IOOnm至约300nm。形成中间层NI的材料和方法不限于如上所述的材料和方法且可以改变。例如，中间层NI可以形成为氮化物层，而且也可以利用除氧化法之外的其他方法形成。根据情况，也可以不形成中间层NI。催化剂层CTl可以由选自由N1、Cu、Co、Pt和Ru及其组合构成的组中的至少一种金属形成。催化剂层CTl可以具有单层结构或多层结构。催化剂层CTl可以使用各种方法形成，诸如镀覆、蒸镀(evaporation)、派射、化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)。催化剂层CTl可以形成为具有约IOOnm至约500nm的厚度。接着，石墨烯层GPl可以形成在催化剂层CTl上。石墨烯层GPl可以利用CVD法或热解法形成。当利用CVD法形成石墨烯层GPl时，含碳的源气体可以供应到催化剂层CTl上。可以采用例如CH4、C2H2、C2H4、C0等作为源气体。为了形成石墨烯层GP1，可以使用在约700°C至1100°C执行的相对高温工艺。因此，第一基板SUBl可以由耐高温工艺的材料形成。在此方面，第一基板SUBl可以是硅基板。然而，除硅基板之外的耐高温工艺的任何其他的基板可以用作第一基板SUBl。例如，石英基板可以用作第一基板SUB1。根据情况，SiC基板可以用作第一基板SUB1。当使用SiC基板作为第一基板SUBl时，石墨烯层GPl可以直接形成在SiC基板上而在其间没有催化剂层CTl。参照图1B，在将石墨烯层GPl图案化为预定的、期望的或给定的形状之后，可以形成分别接触石墨烯层GPl的第一区和第二区的源电极SI和漏电极D1。源电极SI和漏电极Dl可以分别形成在石墨烯层GPl的第一端和第二端处。石墨烯层GPl的位于源电极SI与漏电极Dl之间的部分可以被称为“沟道区”。如图1B所示的石墨烯层GP1、源电极SI和漏电极Dl可以利用各种方法形成。例如，图1A的石墨烯层GPl可以在第一掩模操作中被图案化，然后形成在石墨烯层GPl上的导电层可以在第二掩模操作中被图案化以形成源电极SI和漏电极D1。或者，用于形成源极/漏极的导电层可以形成在图1A的石墨烯层GPl上，然后石墨烯层GPl和导电层可以利用掩模被一起图案化(第一图案化)。接着，导电层可以利用另一掩模被图案化(第二图案化)。通过第一图案化操作，可以获得图1B示出的石墨烯层GP1，源电极SI和漏电极Dl可以通过第一和第二图案化操作而获得。或者，在以图1B所示的形式图案化石墨烯层GPl之后，源电极SI和漏电极Dl可以利用剥离法形成在石墨烯层GPl上。在下文，将参照图2A至图2D描述用于形成图1B的结构的各种非限制方法之一。参照图2A，用于形成源电极和漏电极的导电层SDl可以形成在图1A的石墨烯层GPl上,第一掩模图案Ml可以形成在导电层SDl上。参照图2B，导电层SDl和石墨烯层GPl可以利用第一掩模图案Ml作为蚀刻阻挡物而被依次蚀刻。 因此，导电层SDl和石墨烯层GPl可以被图案化为相同的形状(当从上方观看时)。参照图2C，在移除第一掩模图案Ml之后，第二掩模图案M2可以形成在导电层SDl上。第二掩模图案M2可以是用于形成源电极和漏电极的蚀刻掩模。参照图2D，通过利用第二掩模图案M2作为蚀刻阻挡物，导电层SDl可以被蚀刻。结果，可以形成源电极SI和漏电极D1。然后，通过移除第二掩模图案M2，可以获得如图1B所示的结构。可以利用例如蒸镀法形成用于形成源电极SI和漏电极Dl的导电层，即导电层SDl0由于石墨烯层GPl会被等离子体损伤，所以导电层SDl可以利用不使用等离子体的方法形成。该方法的示例是蒸镀法。然而，形成用于形成源极/漏极的导电层SDl的方法不限于蒸镀法且可以改变。此外，当图案化(蚀刻)导电层SDl时，可以采用不使用等离子体的方法，例如湿法蚀刻法。或者，可以使用剥离法直接形成彼此分离的源电极SI和漏电极D1。再次参照图1B，源电极SI和漏电极Dl可以由能与石墨烯层GPl形成欧姆接触的材料形成。例如，源电极SI和漏电极Dl可以由选自Au、Cu、N1、T1、Pt、Ru和Pd或其组合构成的组的材料(金属)形成。具体地，源电极SI和漏电极Dl可以例如由Ti/Au或Pd/Au形成。根据情况，欧姆接触层(未示出)可以进一步形成在石墨烯层GPl与源电极SI和漏电极Dl中的每个之间。在此情形下，即使是不与石墨烯层GPl形成欧姆接触的材料也可以用于形成源电极SI和漏电极Dl。
参照图1C，覆盖石墨烯层GPl以及源电极SI和漏电极Dl的栅绝缘层GIl可以形成在催化剂层CTl上。栅绝缘层GIl可以由Si氧化物、Si氮化物、Si氮氧化物、或具有比Si氮化物高的介电常数的高k材料、或诸如聚合物的有机材料形成，该高k材料诸如是Al氧化物、Hf氧化物等。或者，至少两种上述材料的混合物可以用于形成栅绝缘层GI1。栅绝缘层GIl可以利用诸如热ALD法、热CVD发或蒸镀法的方法形成。当形成栅绝缘层GIl时，工艺温度可以为约400°C或以下。然而，根据情况，工艺温度可以高于400°C。栅绝缘层GIl的厚度可以例如为约IOnm至约30nm。接着，栅极Gl可以形成在源电极SI与漏电极Dl之间的栅绝缘层GIl上。栅极Gl可以在一定程度上延伸至源电极SI和漏电极Dl上方。S卩，栅极Gl可以具有与源电极SI和漏电极Dl交叠一定程度的结构。然而，根据情况，栅极Gl可以不与源电极SI和漏电极Dl交叠。此外，即使图1C的栅极Gl高于栅绝缘层GIl，但是栅极Gl的高度也可以基本上与栅绝缘层GIl的高度相同或相似。栅绝缘层GIl的高度是指形成在源电极S I和漏电极Dl上的栅绝缘层GIl的高度。栅极Gl可以由典型的半导体器件中使用的导电材料(例如金属、导电氧化物等)形成。如果栅极Gl如上所述形成，则栅极Gl相对于源电极SI和漏电极Dl的位置可以被自对准。由于栅极Gl填满源电极SI与漏电极Dl之间的空间，所以栅极Gl相对于源电极S I和漏电极Dl的位置可以被自对准。此外，当栅极Gl与源电极SI和漏电极Dl交叠时，即使当栅极Gl稍微未对准时，有效栅极区的位置也不改变，而是可以保持不变。有效栅极区指的是栅极Gl位于源电极SI和漏电极Dl之间的区域。如上所述，由于栅极Gl相对于源电极SI和漏电极Dl的位置被自对准，所以可以防止(或减少)未对准，并可以最小化源电极SI与漏电极Dl之间的电阻。参照图1D，覆盖栅绝缘层GIl和栅极Gl的绝缘层ILl可以形成在第一基板SUBl上。绝缘层ILl可以例如由Si氧化物、Si氮化物或Si氮氧化物形成。绝缘层ILl的厚度例如可以为约IOOnm至约500nm。参照图1E，部分的绝缘层ILl和栅绝缘层GIl可以被蚀刻以分别暴露部分的栅极G1、源电极SI和漏电极D1。然而，应该理解，可以在不同的时刻(阶段)执行暴露部分的栅极G1、源电极SI和漏电极 Dl的开口操作。例如，根据非限制实施例，开口操作可以在制造石墨烯器件的方法的最后阶段执行。通过利用以上参照图1A至图1E描述的方法，包括石墨烯层GPl的器件部分DPl可以形成在第一基板SUBl上。器件部分DPl可以是“石墨烯晶体管”。参照图1F，覆盖器件部分DPl的第一保护层Pl可以形成在第一基板SUBl上。第一保护层Pl可以通过例如旋涂法由聚合物材料或旋涂玻璃(SOG)材料形成。第一保护层Pl可以形成为具有平面结构。如果第一保护层Pl的表面不是平面的，则可以额外执行用于平坦化表面的平坦化工艺。第一保护层Pl可以用于使在后续操作中附接第二基板SUB2容易(见图1G)。此外，当在后续操作中移除第一基板SUBl时，第一保护层Pl可以保护器件部分 DPI。参照图1G，第二基板SUB2可以附接在第一保护层Pl上。第二基板SUB2可以被看作是附接在第一基板SUBl上，器件部分DPl和第一保护层Pl插设在其间。例如，第二基板SUB2可以是包括聚合物的基板。具体地，第二基板SUB2可以是胶带。胶带可以是基于紫外线而失去粘着力的紫外(UV)释放型胶带或基于热而失去粘着力的热释放型胶带。或者，第二基板SUB2可以由聚合物形成，该聚合物可以通过使用预定的或期望的溶剂来移除。然而，用于形成第二基板SUB2的材料不限于诸如胶带的聚合物，并且可以改变。根据情况，第二基板SUB2可以由玻璃或硅(Si )形成。在此情形下，在第一保护层Pl与第二基板SUB2之间可以进一步包括预定的或期望的粘着层(未示出)。第二基板SUB2可以防止或减少在随后分离第一基板SUBl时或在另一后续操作中器件部分DPl的起皱和折叠。根据情况，第一保护层Pl可以起到第二基板SUB2的功能。在此情形下，第一保护层Pl可以被看作基板，因此，可以不包括第二基板SUB2。参照图1H，第一基板SUBl可以被移除/分离。第一基板SUBl可以通过蚀刻催化剂层CTl和/或中间层NI而被移除/分离。根据非限制实施例，第一基板SUBl通过蚀刻催化剂层CTl而被移除/分离。当蚀刻催化剂层CTl时，可以使用用于蚀刻金属的蚀刻剂诸如FeCl3或!1勵3。如果第一基板SUBl通过蚀刻中间层NI而不是催化剂层CTl而被移除，则为了蚀刻中间层NI，可以使用例如含HF的蚀刻溶液。移除/分离第一基板SUBl的方法不限于以上所述，可以改变。例如，第一基板SUBl的大部分可以利用抛光(polishing)工艺移除，第一基板SUBl的剩余部分可以利用预定的或期望的蚀刻溶液移除，然后中间层NI和催化剂层CTl可以被依次移除。作为用于移除剩余的第一基板SUBl的蚀刻溶液，可以使用例如KOH或四甲基氢氧化铵(TMAH)。参照图1I，第二保护层P2可以形成在通过移除第一基板SUBl而暴露的器件部分DPl的下表面上。第二保护层P2可以保护石墨烯层GPl使得石墨烯层GPl的性质/特性不改变。例如，第二保护层P2可以由Si氧化物、Si氮化物、Si氮氧化物、或者诸如Al氧化物或Hf氧化物的高k材料或聚合物形成。第二保护层P2可以利用不损伤石墨烯层GPl的方法形成，诸如热ALD法、热CVD法或蒸镀法。虽然在图1I中，第二保护层P2被示出为形成在器件部分DPl的下表面上，但是实际上，第二保护层P2可以在翻转包括第二基板SUB2和器件部分DPl的结构(即，翻转器件部分DPl的石墨烯层GPl以面朝上)之后形成。参照图1J，第三基板SUB3可以附接在第二保护层P2上。第三基板SUB3可以被看作附接到器件部分DP1，第二保护层P2插设在其间。第三基板SUB3可以为例如玻璃基板、塑料基板或聚合物基 板。第三基板SUB3可以是柔性基板或也可以是刚性基板。当选择第三基板SUB3的材料时，没有诸如工艺温度的限制，因此，各种基板都可以用作第三基板SUB3。
参照图1K，可以移除第二基板SUB2。例如，当第二基板SUB2是热释放型胶带时，第二基板SUB2可以通过施加热在约200°C被容易地移除。移除方法可以根据第二基板SUB2的类型而改变。接着，可以移除第一保护层P1。第一保护层Pl可以利用氧等离子体工艺或湿法蚀刻工艺移除。如果第一保护层Pi是聚合物，则第一保护层Pi可以利用氧等离子体工艺移除，如果第一保护层Pl是电介质层，则第一保护层Pl可以利用湿法蚀刻工艺移除。在移除第一保护层Pl之后的所得结构在图1L中示出。参照图1L，包括石墨烯层GPl的器件部分DPl可以形成在第三基板SUB3上。如上所述，根据非限制实施例，在第一基板SUBl上制造包括石墨烯层GPl的器件部分DPl之后，器件部分DPl可以被附接在另一基板上，也就是在第三基板SUB3上。在此工艺中，为了可操作性，可以临时地使用支撑器件部分DPl的第二基板SUB2，并且第一基板SUBl可以被移除。换言之，根据非限制实施例的工艺可以包括在第一基板SUBl上的石墨烯生长和器件制造操作、以及将制造的器件附接在另一基板(即，第三基板SUB3)上。在此工艺中，可以防止或最小化对石墨烯层GPl的损伤或污染，因此可以制造具有更高质量的石墨烯器件。根据现有技术，石墨烯生长在第一基板上然后被转移到另一基板，器件制造操作在该另一基板上执行。在此情形下，由于石墨烯被单独转移而没有被图案化，所以石墨烯会破裂或起皱，且会暴露于污染物使得石墨烯的质量会容易劣化。然而，根据非限制实施例，在第一基板SUBl上形成包括石墨烯GPl的器件部分DPl之后，整个器件部分DPl可以附接在另一基板(即，第三基板SUB3)上。因此，可以最小化对石墨烯层GPl的损伤或污染，因而，可以制造具有更闻质量的石墨稀器件。而且，由于栅极Gl关于源电极S I和漏电极Dl的位置是自对准的，所以可以最小化源电极SI与漏电极Dl之间的电阻，并可以改善石墨烯器件的操作特性。此外，由于各种基板可以作为用作最终基板的第三基板SUB3，所以石墨烯器件的可用性可以提高，其应用领域可以扩大。例如，当柔性基板用作第三基板SUB3时，根据非限制实施例的石墨烯器件可以用在柔性显示器件中；当诸如玻璃基板的透明基板用作第三基板SUB3时，石墨烯器件可以应用于透明显示器件。此外，根据非显示实施例的石墨烯器件可以应用于用于高频应用(applications)的射频(RF)器件而不是显示器件。图3A至图3D是示出根据非限制实施例的制造石墨烯器件的另一方法的截面图。参照图3A，类似于参照图1A至图1G描述的方法，可以制备这样的结构，其中器件部分DPI’形成在第一基板SUBl上且第二基板SUB2附接在器件部分DPI’上。器件部分DPI’可以包括石墨烯层GP1、源电极S1、漏电极D1、栅绝缘层GIl和栅极G1。此外，可以进一步包括覆盖这些层的绝缘层IL1。在图3A的结构中，与图1G的结构不同，绝缘层ILl和栅绝缘层GIl可以不被图案化(蚀刻)。第一保护层Pl可以形成在绝缘层ILl上，第二基板SUB2可以附接在第一保护层Pl上。参照图3B，类似于图1H的操作，第一基板SUBl可以被移除/分离。虽然在非限制实施例中第一基板SUBl通过蚀刻催化剂层CTl来移除/分离，但是可以蚀刻中间层NI来移除/分离第一基板SUB1。当通过蚀刻中`间层NI来移除或分离第一基板SUBl时，可以额外执行移除催化剂层CTl的工艺。参照图3C，其上形成器件部分DPI’的第二基板SUB2可以被翻转，第二绝缘层IL2可以形成在器件部分DPI’上。第二绝缘层IL2可以由与绝缘层ILl (在下文称为第一绝缘层ILl)相同或相似的材料形成。第二绝缘层IL2可以利用不损伤石墨烯层GPl的方法形成，诸如热ALD法、热CVD法或蒸镀法。图3C的器件部分DPI’可以具有例如图4A所示的平面结构。参照图4A，石墨烯层GPl可以在X轴方向延伸。源电极SI可以接触石墨烯层GPl的第一端并可以包括延伸到石墨烯层GPl外侧的第一焊垫部roi。类似地，漏电极Dl可以接触石墨烯层GPl的第二端并可以包括延伸到石墨烯层GPl外侧的第二焊垫部TO2。栅极Gl可以与石墨烯层GPl的中心部分交叠并可以包括在Y轴方向延伸的第三焊垫部TO3。第二绝缘层IL2可以形成为覆盖石墨烯层GP1、源电极S1、漏电极Dl和栅极G1。沿图4A的线A-A’截取的截面图可以类似于图3C。因此，虽然在图3C中没有示出，但是源电极S1、漏电极Dl和栅极Gl可以分别包括第一焊垫部HH、第二焊垫部PD2和第三焊垫部TO3。接着，可以形成如图3D所示的结构。图3D所示的结构可以对应于与图4A的第一至第三焊垫部PDl至PD3相关的操作。具体地，可以通过蚀刻部分的第二绝缘层IL2和部分的栅绝缘层GIl而形成暴露第一至第三焊垫部PDl至PD3的第一至第三接触孔Hl至H3。图3D的截面图可以对应于图4B的平面结构。沿图4B的线B-B’截取的截面图可以是图3D的视图。在图4A和图4B中，石墨烯层GP1、源电极S1、漏电极Dl和栅极Gl的形状仅为示例，可以改变。例如，石墨烯层GPl可以被变更为图5所示的结构。参照图5，石墨烯层GP1’可以具有与源电极SI和漏电极Dl相同或相似的平面结构，但是包括与源电极SI与漏电极Dl之间的部分相对应的中心部分。换言之，石墨烯层GP1’可以包括具有与源电极SI相同或相似的平面结构的第一区、具有与漏电极Dl相同或相似的平面结构的第二区、以及连接第一区与第二区的第三区(中心部分)。如以上参照图2A至图2D所述的，通过利用第一掩模图案Ml (见图2B)依次图案化石墨烯层GPl和用于源极/漏极的导电层SD1，它们可以具有相同的平面结构，通过在后续操作中利用第二掩模图案M2 (见图2C)图案化用于形成源极/漏极的导电层SDl，可以形成源电极SI和漏电极Dl并且可以暴露源电极SI与漏电极Dl之间的沟道区(第三区)。根据参照图3A至图3D描述的实施例，第二基板SUB2可以用作最终器件的基板，可以省略图1J的附接第三基板SUB3的操作和图1K的移除第二基板SUB2的操作。由于制造工艺的数目减少，所以整个制造方法可以被简化。此外，根据参照图3A至图3D描述的方法，当第一基板SUBl和第二基板SUB2形成在器件部分DPI’的两侧(B卩，下面和上面)时，第一基板SUBl被移除，第二基板SUB2用作最终基板。因此，可以不包括石墨烯层GPl的直接转移操作。因此，根据非限制实施例的方法可以被称为不转移石墨烯而制造石墨烯器件的方法，即无转移工艺(transfer-free process)。沿图4B的线A-A’截取的截面图可以与图3C相同，因此图3C的结构可以被看作根据非限制实施例的晶体管的截面图。将参照图3C描述根据非限制实施例的晶体管。第一保护层Pl可以设置在第二基板SUB2上，第一绝缘层ILl可以设置在第一保护层Pl上。第二基板SUB2可以为例如聚合物基板。第一保护层Pl可以由绝缘材料形成，因此第一保护层Pl和第一绝缘层ILl可以被看作形成多层绝缘层。第一绝缘层ILl可以具有在其表面中的凹入部，“石墨烯器件部分”可以形成在该凹入部中。石墨烯器件部分可以包括栅极G1、形成在栅极Gl上的栅绝缘层GI1、在栅极Gl的两侧处形成在栅绝缘层GII上的源电极SI和漏电极Dl、以及形成为接触源电极SI和漏电极Dl的石墨烯层GPl。石墨烯层GPl可以是沟道层。栅绝缘层GIl可以在石墨烯层GPl周围延伸到第一绝缘层ILl上。栅绝缘层GIl的延伸到第一绝缘层ILl上的部分可以设置在与石墨烯层GPl相同(或相似)的高度处。栅极Gl可以与源电极SI和漏电极Dl交叠。可以进一步提供覆盖石墨烯层GPl和栅绝缘层GIl的第二绝缘层IL2。图6A至图6D是示出根据非限制实施例的制造石墨烯器件的另一方法的截面图。参照图6A，在制备图1B的结构之后，覆盖源电极S1、漏电极Dl和石墨烯层GPl的保护层Pl可以形成在第一基板SUBl上。保护层Pl可以利用与图1F示出的第一保护层Pl相同(或相似)的材料和方法形成。接着，第二 基板SUB2可以附接在保护层Pl上。第二基板SUB2可以利用与图1G示出的第二基板SUB2相同(或相似)的材料和方法形成。根据情况，预定的或期望的粘着层(未示出)可以进一步设置在保护层Pl与第二基板SUB2之间。石墨烯层GP1、源电极S I和漏电极Dl可以构成器件部分DP2。与图1E所示的器件部分DPl不同，器件部分DP2可以不完全地形成。参照图6B，第一基板SUBl可以被移除/分离。第一基板SUBl可以通过蚀刻催化剂层CTl或中间层NI而被移除/分离。根据当前实施例，催化剂层CTl被蚀刻以移除/分离第一基板SUBl。移除/分离第一基板SUBl的方法可以与参照图1H描述的方法相同(或类似)，或者可以改变。参照图6C，其上形成石墨烯层GPl、源电极SI和漏电极Dl的第二基板SUB2可以被翻转，栅绝缘层Gil’可以形成在石墨烯层GPl和保护层Pl上。栅绝缘层Gil’可以利用与图1C的栅绝缘层GIl相同(或相似)的材料和方法形成。栅极G1’可以形成在栅绝缘层Gil’上。栅极G1’可以设置在源电极SI和漏电极Dl之间的石墨烯层GPl上方。图6C中示出的晶体管可以具有如图7A所示的平面结构。图7A的平面结构类似于图4A的平面结构。然而，栅极G1’设置在石墨烯层GPl和栅绝缘层Gil’上。在图7A中，附图标记HH、PD2和TO3’分别表示第一焊垫部、第二焊垫部和第三焊垫部。沿图7A的线A-A’截取的截面图可以为图6C的视图。接着，可以形成图6D所示的结构。图6D可以对应于关于图7A的第一焊垫部roi和第二焊垫部ro2的操作。具体地，分别暴露第一焊垫部PDi和第二焊垫部TO2的第一接触孔ΗΓ和第二接触孔H2’可以通过蚀刻部分的栅绝缘层Gir而形成。图6D的截面图可以对应于图7B的平面结构。沿图7B的线B-B’截取的截面图可以如图6D所示。图7A和图7B的石墨烯层GP1、源电极S1、漏电极Dl和栅极G1’仅是示例，也可以改变。例如，石墨烯层GPl可以具有与图5的石墨烯层GP1’相同或相似的形式。在参照图6A至图6D描述的实施例中，第二基板SUB2用作最终基板，可以省略图1J的附接第三基板SUB3的操作和图1K的移除第二基板SUB2的操作。因此，制造方法可以被简化。此外，在参照图6A至图6D描述的方法中，在第一基板SUBl和第二基板SUB2形成在器件部分DP2两侧上(B卩，下面和上面)时，第一基板SUBl被移除，第二基板SUB2被用作最终基板，因此，不包括石墨烯层GPl的直接转移操作。因此，可以防止或最小化在石墨烯层被直接转移时发生的对石墨烯层的损伤或污染。沿图7B的线A-A’截取的截面图可以是图6C的视图，因此，图6C可以被看作根据非限制实施例的晶体管的截面图。将参照图6C描述根据非限制实施例的晶体管。保护层Pl可以设置在第二基板SUB2上。第二基板SUB2可以为例如聚合物基板。彼此分离的源电极SI和漏电极Dl可以被包括在保护层Pl中。可以形成连接源电极SI和漏电极Dl的石墨烯层GP1。源电极SI和漏电极Dl可以分别设置在石墨烯层GPl的第一区和第二区下面。石墨烯层GPl可以设置在与保护层Pl的上表面相同的高度处。换言之，石墨烯层GPl的上表面和在石墨烯层GPl附近的保护层Pl的上表面可以具有相同的水平(高度)。覆盖石墨烯层GPl的栅绝缘层Gil’可以设置在保护层Pl上。栅极G1’可以设置在栅绝缘层Gil’上。栅极G1’可以设置在源电极SI与漏电极Dl之间的石墨烯层GPl上方。根据非限制实施例，多个器件部分DPl可以形成在第一基板SUBl上，然后该多个器件部分DPl可以 利用图案化操作被分离。然后，可以移除第一基板SUB1。这将参照图8A至图8E详细描述。
参照图8A，包括多个器件部分DPlO的堆叠结构(器件层)可以形成在第一基板SUBlO上。多个器件部分DPlO可以每个具有与图1F的器件部分DPl相同的结构。包括多个器件部分DPlO的堆叠结构(器件层)可以具有连续结构。催化剂层CTlO可以设置在第一基板SUBlO与多个器件部分DPlO之间。中间层NlO可以进一步设置在第一基板SUBlO与催化剂层CTlO之间。附图标记GP10、S10、D10、GI10、G10、IL10和PlO分别表示石墨烯层、源电极、漏电极、栅绝缘层、栅极、绝缘层和保护层。参照图8B，形成在第一基板SUBlO上的堆叠结构，也就是包括多个器件部分DPlO的器件层，可以被图案化以分离多个器件部分DP10。可以通过从保护层PlO蚀刻到中间层NlO来执行该图案化操作直到暴露第一基板SUBlO的上表面。或者，蚀刻操作也可以仅从保护层PlO执行到催化剂层CT10。在此情况下，中间层NlO可以不被蚀刻而是保持为连续层。预定的或期望的沟槽TlO可以通过图案化操作而形成在器件部分DPlO之间。当从上方观看时，通过图案化操作分离的多个器件部分DPlO可以规则地布置为多个行和列。此外，当从上方观看时，形成在多个器件部分DPlO之间的沟槽TlO可以具有类似于网状结构的结构。在这方面，上述图案化操作可以被称作网状图案化。参照图SC，第 二基板SUB2可以被附接在多个器件部分DPlO上。由于沟槽TlO形成在多个器件部分DPlO之间，所以当第二基板SUB20被附接时，气泡(空气)可以通过沟槽TlO泄漏。因此，第二基板SUB20可以被容易地附接。第二基板SUB20可以支撑多个器件部分DP10。第二基板SUB20可以由利用与图1G的第二基板SUB2基本相同的材料形成的基板来形成。参照图8D，预定的、期望的或给定的蚀刻溶液(未示出)可以注入到多个器件部分DPlO之间的沟槽TlO以蚀刻催化剂层CTlO或中间层N10。根据非限制实施例，示出了对于催化剂层CTlO的蚀刻工艺。由于蚀刻溶液可以相对容易地注入在多个器件部分DPlO之间，所以催化剂层CTlO可以被相对容易地蚀刻。即使当第一基板SUBlO是大尺寸基板时，催化剂层CTlO也可以在短时间内被相对容易地移除。这意味着第一基板SUBlO可以相对容易地移除/分离。由于催化剂层CTlO被蚀刻以移除第一基板SUB10，所以催化剂层CTlO可以被称为一种牺牲层。当通过蚀刻中间层NlO而不是催化剂层CTlO来移除第一基板SUBlO时，中间层NlO可以被称为牺牲层。催化剂层CTlO可以是金属层，中间层NlO可以是绝缘层，牺牲层可以是金属层或绝缘层。在图SE中示出了图8D中移除/分离第一基板SUBlO之后的所得结构。器件部分DPlO可以具有与图1H的器件部分DPl相同的结构。然后，虽然没有在附图中示出，但是可以对图SE的结构执行预定的或期望的后续操作。后续操作可以类似于图1I至图1L示出的那些。图8A至图SE所示的方法可以类似地不仅应用于图1A至图1L所示的操作，还应用于图3A至图3D所示的操作以及图6A至图6D所示的操作。当使用图8A至图SE所示的方法时，根据示例实施例的制造石墨烯器件的方法也可以应用于具有300mm或更大直径的大尺寸基板。因此，根据以上非限制实施例中的一个或多个，可以提高石墨烯器件的生产率并且可以降低其制造成本。虽然已经参照不同的示例实施例具体示出和描述了本公开，但是示例实施例应当仅被认为是描述性的含义而不是为了限制的目的。例如，本领域技术人员将理解，可以对根据示例实施例的石墨烯器件的制造方法及通过所述方法制造的石墨烯器件进行形式和细节上的各种变化。此外，除石墨烯晶体管之外，上述示例实施例也可以应用于其他石墨烯器件。因此，本公开的范围不受具体描述中的示例的限制，而由权利要求书限定。本申请要求于2012年I月26日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请N0.10-2012-00077 97的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。
权利要求
1.一种制造石墨烯器件的方法，该方法包括: 在第一基板上形成石墨烯层； 在所述第一基板上形成器件部分，所述器件部件包括所述石墨烯层； 将第二基板附接到所述器件部分上；以及 移除所述第一基板。
2.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述器件部分包括形成分别接触所述石墨烯层的第一区和第二区的源电极和漏电极。
3.根据权利要求2所述的方法，其中形成所述器件部分包括: 形成覆盖所述石墨烯层、所述源电极和所述漏电极的栅绝缘层；和 在所述栅绝缘层上且在所述源电极与所述漏电极之间形成栅极。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括: 形成覆盖所述器件部分且在所述器件部分与所述第二基板之间的绝缘层；和蚀刻部分的所述绝缘层和部分的所述栅绝缘层以暴露所述源电极、所述漏电极和所述栅极。
5.根据权利要求3所述的方法，还包括: 在移除所述第一基板之后，将第三基板附接在所述器件部分上，其中所述器件部分设置在所述第二基板与所述第三基板之间。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括: 移除所述第二基板。
7.根据权利要求5所述的方法，其中附接所述第三基板包括选择玻璃基板、塑料基板和聚合物基板之一作为所述第三基板。
8.根据权利要求5所述的方法，其中附接所述第三基板包括选择柔性基板作为所述第二基板。
9.根据权利要求5所述的方法，还包括: 在所述器件部分与所述第三基板之间形成保护层。
10.根据权利要求3所述的方法，还包括: 在移除所述第一基板之后，形成覆盖所述器件部分的绝缘层，其中所述器件部分设置在所述绝缘层与所述第二基板之间。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括: 形成分别从所述源电极、所述漏电极和所述栅极延伸的第一焊垫部、第二焊垫部和第三焊垫部，所述绝缘层覆盖所述第一至第三焊垫部；和 蚀刻部分的所述绝缘层以暴露所述第一至第三焊垫部。
12.根据权利要求2所述的方法，还包括: 在移除所述第一基板之后，形成覆盖所述石墨烯层、所述源电极和所述漏电极的栅绝缘层；和 在所述栅绝缘层上且在所述源电极与所述漏电极之间形成栅极。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括: 从所述源电极和所述漏电极分别形成第一焊垫部和第二焊垫部；和 蚀刻部分的所述栅绝缘层以暴露所述第一焊垫部和所述第二焊垫部。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括: 在所述第一基板与所述石墨烯层之间形成催化剂层。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括: 在所述第一基板与所述催化剂层之间形成中间层。
16.根据权利要求14所述的方法，其中移除所述第一基板包括蚀刻所述催化剂层。
17.根据权利要求15所述的方法，其中移除所述第一基板包括蚀刻所述催化剂层和所述中间层之一。
18.根据权利要求1所述的方法，还包括: 在附接所述第二基板之前，在所述第一基板上形成覆盖所述器件部分的保护层。
19.根据权利要求1所述的方法，其中附接所述第二基板包括选择聚合物基板作为所述第二基板。
20.根据权利要求1所述的方法，还包括: 在所述第一基板上形成包括多个所述器件部分的器件层；和 通过图案化所述器件层而分离所述多个器件部分。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括: 在所述第一基板与所述器件层之间形成牺牲层。
22.根据权利要求21所述的方法，其中移除所述第一基板包括通过在所述多个器件部分之间注入蚀刻溶液而蚀刻所述牺牲层。
23.根据权利要求21所述的方法，其中形成所述牺牲层包括选择金属层或绝缘层作为所述牺牲层。
24.一种石墨稀晶体管，包括: 在基板上的第一绝缘层，所述第一绝缘层具有凹入部； 石墨烯器件部分，在所述第一绝缘层的所述凹入部上；和 第二绝缘层，覆盖所述石墨烯器件部分， 其中所述石墨烯器件部分包括: 栅极； 栅绝缘层，覆盖所述栅极； 源电极和漏电极，在所述栅极两侧的所述栅绝缘层上；和 石墨烯层，接触所述源电极和所述漏电极。
25.根据权利要求24所述的石墨烯晶体管，其中所述栅绝缘层在所述石墨烯层周围延伸到所述第一绝缘层上。
26.根据权利要求25所述的石墨烯晶体管，其中所述栅绝缘层的一部分延伸到所述第一绝缘层上并具有与所述石墨烯层相同的高度。
27.根据权利要求24所述的石墨烯晶体管，其中所述栅极与所述源电极和所述漏电极交叠。
28.根据权利要求24所述的石墨烯晶体管，其中所述基板是聚合物基板。
29.—种石墨稀晶体管，包括: 在基板上的保护层； 在所述保护层中的彼此分离的源电极和漏电极；石墨烯层，连接所述源电极和所述漏电极并设置在与所述保护层的上表面相同的高度处； 栅绝缘层，在所述保护层上并覆盖所述石墨烯层；和 栅极，在所述栅绝缘层上并设置在所述源电极与所述漏电极之间的石墨烯层上方。
30.根据权利要求29所述的石墨烯晶体管，其中所述石墨烯层的上表面与在所述石墨烯层周围的所述保护层的上表面处于相同的高度。
31.根据权利要求29所述的石墨烯晶体管，其中所述源电极设置在所述石墨烯层的第一区下面，所述漏电极设置在所述石墨烯层的第二区下面。
32.根据权利要求29 所述的石墨烯晶体管，其中所述基板是聚合物基板。
全文摘要
本发明提供了石墨烯晶体管以及制造石墨烯器件的方法。制造石墨烯器件的方法可以包括在第一基板上形成包括石墨烯层的器件部分；将第二基板附接在第一基板的器件部分上；以及移除第一基板。移除第一基板可以包括蚀刻第一基板与石墨烯层之间的牺牲层。在移除第一基板之后，第三基板可以附接在器件部分上。在附接第三基板之后，可以移除第二基板。
文档编号H01L29/78GK103227103SQ201210497438
公开日2013年7月31日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年1月26日
发明者李昌承, 李周浩, 金容诚, 文彰烈 申请人:三星电子株式会社