半导体装置结构的制作方法

本公开实施例涉及半导体技术，且特别涉及具有晶体管的半导体装置结构。

背景技术：

半导体集成电路(integratedcircuit，ic)工业已经历了快速成长。在集成电路材料和设计上的技术进步产生了数代集成电路，每一代都比前一代具有更小且更复杂的电路。然而，这些进步增加了加工与制造集成电路的复杂性。

在集成电路的发展史中，功能密度(即每一晶片区互连的装置数目)增加，同时几何尺寸(即制造过程中所产生的最小的组件(或线路))缩小。此元件尺寸微缩化的工艺一般来说具有增加生产效率与降低相关费用的益处。

然而，由于特征部件(feature)尺寸持续缩减，制造过程持续变的更加复杂。因此，在越来越小的尺寸形成可靠的半导体装置是一个挑战。

技术实现要素：

在一些实施例中，提供半导体装置结构，此半导体装置结构包含基底，半导体层位于基底上方，其中半导体层包含过渡金属硫属化物，以及源极电极和漏极电极位于半导体层上方并连接半导体层，且通过间隙彼此间隔开，其中源极电极和漏极电极由石墨烯制成。

在一些其他实施例中，提供半导体装置结构，此半导体装置结构包含基底，源极电极和漏极电极位于基底上方，且通过间隙彼此间隔开，其中源极电极和漏极电极由石墨烯制成，以及半导体层覆盖间隙、源极电极的第一部分和漏极电极的第二部分，其中半导体层包含过渡金属硫属化物。

在另外一些实施例中，提供半导体装置结构的形成方法，此方法包含形成半导体层于基底上方，其中半导体层包含过渡金属硫属化物，形成石墨烯层于半导体层上方或半导体层下方，以及将石墨烯层图案化为源极电极和漏极电极，其中源极电极和漏极电极通过间隙彼此间隔开，并各自连接半导体层。

附图说明

根据以下的详细说明并配合所附附图可以更加理解本公开的概念。应注意的是，根据本产业的标准惯例，图示中的各种特征部件并未必按照比例绘制。事实上，可能任意的放大或缩小各种特征部件的尺寸，以做清楚的说明。

图1a-1至图1h-1为依据一些实施例的形成半导体装置结构的工艺的各个阶段的上视图。

图1a-2至图1h-2为依据一些实施例的半导体装置结构，分别沿图1a-1至图1h-1中的剖面线i-i’的剖面示意图。

图2a-1至图2b-1为依据一些实施例的形成半导体装置结构的工艺的各个阶段的上视图。

图2a-2至图2b-2为依据一些实施例的半导体装置结构，分别沿图2a-1至图2b-1中的剖面线i-i’的剖面示意图。

图3a-1至图3l-1为依据一些实施例的形成半导体装置结构的工艺的各个阶段的上视图。

图3a-2至图3l-2为依据一些实施例的半导体装置结构，分别沿图3a-1至图3l-1中的剖面线i-i’的剖面示意图。

图4-1为依据一些实施例的形成半导体装置结构的工艺的一阶段的上视图。

图4-2为依据一些实施例的半导体装置结构，沿图4-1中的剖面线i-i’的剖面示意图。

图5a-1至图5b-1为依据一些实施例的形成半导体装置结构的工艺的各个阶段的上视图。

图5a-2至图5b-2为依据一些实施例的半导体装置结构，分别沿图5a-1至图5b-1中的剖面线i-i’的剖面示意图。

附图标记说明：

100、200、300、500半导体装置结构

110基底

120、142绝缘层

130、320a半导体层

132、134、144a、146a侧壁

140石墨烯层

142a顶部

144源极电极

146漏极电极

150、310掩模层

152、154、312开口

160导电层

162第一导电结构

164第二导电结构

170栅极介电层

180栅极电极

320过渡金属层

320b半导体材料层

g间隙

l长度

m原子力显微镜(afm)探针

t1、t2、t3厚度

w宽度

具体实施方式

要了解的是本说明书以下的公开内容提供许多不同的实施例或范例，以实施所提供的标的的不同特征部件。而本说明书以下的公开内容是叙述各个构件及其排列方式的特定范例，以求简化本公开的说明。当然，这些描述仅作为并非用以限定本公开。例如，本说明书以下的公开内容叙述了将一第一特征部件形成于一第二特征部件之上或上方，即表示其包含了所形成的上述第一特征部件与上述第二特征部件是直接接触的实施例，亦包含了尚可将附加的特征部件形成于上述第一特征部件与上述第二特征部件之间，而使上述第一特征部件与上述第二特征部件可能未直接接触的实施例。另外，本公开的说明中不同范例可能使用重复的参考符号及/或用字。这些重复符号或用字是为了简化与清晰的目的，并非用以限定各个实施例及/或所述外观结构之间的关系。

再者，为了方便描述附图中一元件或特征部件与另一(复数)元件或(复数)特征部件的关系，可使用空间相关用语，例如“在...之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”及类似的用语。除了附图所绘示的方位之外，空间相关用语涵盖使用或操作中的装置的不同方位。所述装置也可被另外定位(例如，旋转90度或者位于其他方位)，并对应地解读所使用的空间相关用语的描述。应当理解的是，可提供额外的操作于本公开实施例的方法之前、本公开实施例的方法中和本公开实施例的方法之后，且在本公开实施例的方法的其他实施例中，可取代或消除所述的一些操作。

图1a-1至图1h-1为依据一些实施例的形成半导体装置结构100的工艺的各个阶段的上视图。图1a-2至图1h-2为依据一些实施例的半导体装置结构100，分别沿图1a-1至图1h-1中的剖面线i-i’的剖面示意图。

依据一些实施例，如图1a-1和图1a-2所示，提供基底110。基底110可为半导体晶圆，例如硅晶圆。可替换地或额外地，基底110可包含元素半导体材料、化合物半导体材料及/或合金半导体材料。

元素半导体材料的例子可为结晶硅、多晶硅、非晶硅、锗及/或钻石，但不限定于此。化合物半导体材料的例子可为碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟及/或锑化铟，但不限定于此。合金半导体材料例子可为sige、gaasp、alinas、algaas、gainas、gainp及/或gainasp，但不限定于此。

依据一些实施例，在一些实施例中，装置元件(未显示)形成于基底110中。装置元件的例子可包含晶体管、二极管及/或其他可应用的元件，但不限定于此。晶体管的例子可包含金属氧化物半导体场效晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransisors，mosfet)、互补式金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)晶体管、双极性接面型晶体管(bipolarjunctiontransistors，bjt)、高电压晶体管、高频率晶体管、p沟道场效晶体管及/或n沟道场效晶体管(pfets/nfets)或类似晶体管，但不限定于此。实施各种工艺以形成装置元件，例如沉积、蚀刻、注入、光微影、退火及/或其他可应用的工艺。在一些其他实施例中，基底110包含金属材料、玻璃材料或聚合物材料。

依据一些实施例，如图1a-1和图1a-2所示，绝缘层120形成于基底110上方。依据一些实施例，绝缘层120包含绝缘材料。依据一些实施例，绝缘材料包含氧化硅或其他合适的材料。依据一些实施例，绝缘层120通过使用化学气相沉积(chemicalvapordeposition，cvd)工艺、高密度等离子体化学气相沉积(highdensityplasmacvd，hdp-cvd)工艺、旋转涂布工艺或前述的组合形成。

依据一些实施例，如图1a-1和图1a-2所示，半导体层130形成于绝缘层120上方。依据一些实施例，半导体层130直接接触绝缘层120。

依据一些实施例，半导体层130包含过渡金属硫属化物(transitionmetalchalcogenide)。依据一些实施例，过渡金属硫属化物包含过渡金属二硫属化物(transitionmetaldichalcogenide，tmd)。过渡金属二硫属化物具有通式mx2，其中m为过渡金属(例如mo、w或hf)，且x为硫属化物(例如s、se或te)。例示性的过渡金属二硫属化物包含mos2、ws2、hfs2、mote2、wte2、wse2或mose2。此处，mo、hf、w、s、se和te分别为钼、铪、钨、硫、硒和碲。

依据一些实施例，过渡金属硫属化物为二维(two-dimensional，2d)材料。因此，依据一些实施例，半导体层130包含一个二维(2d)层或多个二维(2d)层的堆叠。依据一些实施例，二维(2d)层的原子通过层内共价键及/或离子键(即强的化学键结)保持在一起。依据一些实施例，大致较弱的力量(例如凡得瓦力(vanderwallsforces))将堆叠的相邻的二维(2d)层保持在一起。

依据一些实施例，半导体层130包含一层至三十层的过渡金属硫属化物。依据一些实施例，半导体层130的厚度t1在约0.65nm至约20nm的范围内。依据一些实施例，半导体层130直接沉积于绝缘层120上。依据一些实施例，半导体层130通过使用化学气相沉积(cvd)工艺、机械剥离工艺及后续的膜贴附工艺或其他合适的工艺形成。

依据一些实施例，如图1a-1和图1a-2所示，石墨烯层140形成于半导体层130上方。依据一些实施例，石墨烯层140直接接触半导体层130。依据一些实施例，石墨烯层140包含一层至五层的石墨烯。

在一些实施例中，石墨烯层140的厚度t2在约至约的范围内。在一些实施例中，厚度t2小于半导体层130的厚度t1。依据一些实施例，石墨烯层140直接沉积于半导体层130上。依据一些实施例，石墨烯层140通过使用化学气相沉积(cvd)工艺、机械剥离工艺及后续的膜贴附工艺或其他合适的工艺形成。

依据一些实施例，石墨烯与过渡金属硫属化物之间的接触电阻低于金属与过渡金属硫属化物之间的接触电阻。举例来说，石墨烯与mos2之间的接触电阻为6.4*10³ω*mm，而金与mos2之间的接触电阻为7.1*10⁸ω*mm。

依据一些实施例，如图1b-1和图1b-2所示，移除部分的半导体层130和石墨烯层140。依据一些实施例，此移除工艺包含光微影工艺和蚀刻工艺。依据一些实施例，此移除工艺也被称为图案化工艺。

依据一些实施例，如图1c-1和图1c-2所示，掩模层150形成于绝缘层120、半导体层130和石墨烯层140上方。依据一些实施例，掩模层150具有开口152和154暴露部分的石墨烯层140。依据一些实施例，掩模层150包含光致抗蚀剂材料。

依据一些实施例，如图1d-1和图1d-2所示，导电层160形成于掩模层150上方和开口152和154中。依据一些实施例，导电层160(电性)连接通过开口152和154暴露的石墨烯层140。依据一些实施例，导电层160直接接触通过开口152和154暴露的石墨烯层140。

依据一些实施例，导电层160包含金(au)、银(ag)或铝(al)。在一些实施例中，银与石墨烯之间的接触电阻为4.8ω*mm，而金与石墨烯之间的接触电阻为20.1ω*mm。依据一些实施例，银(或金)与石墨烯之间的接触电阻低于铝与石墨烯之间的接触电阻(642.5ω*mm)。导电层160通过使用物理气相沉积工艺或其他合适的工艺形成。

依据一些实施例，如图1e-1和图1e-2所示，移除掩模层150和在掩模层150上方的导电层160。依据一些实施例，此移除工艺包含掀离(lift-off)工艺。依据一些实施例，在此移除工艺之后，余留的导电层160形成第一导电结构162和第二导电结构164于石墨烯层140上方。

依据一些实施例，如图1f-1和图1f-2所示，阳极氧化工艺实施于一部分的石墨烯层140上，以将此部分的石墨烯层140氧化为绝缘层142。依据一些实施例，绝缘层142包含碳和氧化物。

依据一些实施例，绝缘层142定义并电性隔离石墨烯层140的源极电极144和漏极电极146。依据一些实施例，第一导电结构162和第二导电结构164分别位于源极电极144和漏极电极146上方，并分别电性连接源极电极144和漏极电极146。

依据一些实施例，源极电极144和漏极电极146通过间隙g彼此间隔开。依据一些实施例，绝缘层142填入间隙g中并从间隙g突出。依据一些实施例，绝缘层142比源极电极144厚。依据一些实施例，绝缘层142比漏极电极146厚。

也就是说，依据一些实施例，绝缘层142的厚度t3大于源极电极144或漏极电极146的厚度t2。依据一些实施例，厚度t3与厚度t2之间的差异在约1nm至约5nm的范围内。依据一些实施例，半导体层130的厚度t1大于绝缘层142的厚度t3。

依据一些实施例，间隙g具有长度l和宽度w。依据一些实施例，长度l等于源极电极144与漏极电极146之间的距离。因此，依据一些实施例，长度l也等于间隙g下方的半导体层130中的沟道的沟道长度。依据一些实施例，宽度w等于间隙g下方的半导体层130中的沟道的沟道宽度。依据一些实施例，宽度w大于长度l。

依据一些实施例，阳极氧化工艺包含原子力显微镜阳极氧化工艺。也就是说，依据一些实施例，阳极氧化工艺使用原子力显微镜(atomicforcemicroscope，afm)来氧化此部分的石墨烯层140。

依据一些实施例，原子力显微镜阳极氧化工艺将原子力显微镜(afm)探针m放置在靠近此部分的石墨烯层140，并提供电压差于石墨烯层140与原子力显微镜探针m之间，以氧化此部分的石墨烯层140。

依据一些实施例，原子力显微镜(afm)探针m的尖端具有宽度小于10nm。依据一些实施例，由于原子力显微镜探针m具有窄的尖端，因此长度l也小于10nm。依据一些实施例，长度l在约2nm至约7nm的范围内。依据一些实施例，小的长度l改善了半导体装置结构100的移动率和效能。

依据一些实施例，阳极氧化工艺在30％至100％的相对湿度中实施。依据一些实施例，阳极氧化工艺在包含氧原子的周围环境中实施，例如o2、o3及/或h2o。

依据一些实施例，将半导体层130配置为提供源极电极144与漏极电极146之间的沟道。在一些实施例中，将基底110配置为底栅极电极。在一些其他实施例中，顶栅极电极形成于源极电极144与漏极电极146之间的沟道上方，且详细描述如下。

依据一些实施例，如图1g-1和图1g-2所示，栅极介电层170形成于绝缘层142、源极电极144和漏极电极146上方。依据一些实施例，栅极介电层170覆盖全部的绝缘层142以及与绝缘层142相邻的部分的源极电极144和漏极电极146。

在一些实施例中，绝缘层142的顶部142a埋置于栅极介电层170中。依据一些实施例，绝缘层142的顶部142a延伸进入栅极介电层170。依据一些实施例，栅极介电层170更覆盖一部分的绝缘层120。依据一些实施例，栅极介电层170覆盖间隙g(或绝缘层142)下方的半导体层130。

栅极介电层170包含氧化硅、氮氧化硅、前述的组合或其他合适的材料。依据一些实施例，在一些实施例中，栅极介电层170包含高介电常数材料(high-k材料)。

依据一些实施例，高介电常数(high-k)材料包含金属氧化物、金属氮化物、金属硅酸盐(silicates)、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属硅酸盐、金属的氮氧化物、氧化铝、二氧化铪-氧化铝(hfo2-al2o3)合金、其他合适的材料或前述的组合。

依据一些实施例，高介电常数(high-k)材料包含氧化铪(hfo2)、氧化铪硅(hfsio)、氮氧化铪硅(hfsion)、氧化铪钽(hftao)、氧化铪钛(hftio)、氧化铪锌(hfzro)或前述的组合。栅极介电层170通过使用化学气相沉积或其他合适的工艺形成。

依据一些实施例，如图1h-1和图1h-2所示，栅极电极180形成于间隙g上方的栅极介电层170上方。依据一些实施例，栅极电极180形成于间隙g(或绝缘层142)下方的半导体层130上方。依据一些实施例，将栅极电极180配置为半导体装置结构100的顶栅极电极。

半导体装置结构100可为顶栅极晶体管或双栅极晶体管，双栅极晶体管具有作为顶栅极电极的栅极电极180和作为底栅极电极的基底110。依据一些实施例，如图1h-1和图1h-2所示，源极电极144的侧壁144a与半导体层130的侧壁132对齐。在一些实施例中，漏极电极146的侧壁146a与半导体层130的侧壁134对齐。

由于源极电极144(或漏极电极146)与半导体层130之间的接触电阻很低，因此可改善半导体装置结构100的效能。相似地，由于第一导电结构162与源极电极144之间的接触电阻和第二导电结构164与漏极电极146之间的接触电阻很低，因此可改善半导体装置结构100的效能。

图2a-1至图2b-1为依据一些实施例的形成半导体装置结构200的工艺的各个阶段的上视图。图2a-2至图2b-2为依据一些实施例的半导体装置结构200，分别沿图2a-1至图2b-1中的剖面线i-i’的剖面示意图。

依据一些实施例，在图1e-1和图1e-2的步骤之后，如图2a-1和图2a-2所示，移除一部分的石墨烯层140。依据一些实施例，在此移除工艺之后，间隙g形成于石墨烯层140中。依据一些实施例，间隙g暴露一部分的半导体层130。依据一些实施例，间隙g定义并电性隔离石墨烯层140的源极电极144和漏极电极146。

依据一些实施例，间隙g具有长度l和宽度w。依据一些实施例，将半导体层130配置为提供源极电极144与漏极电极146之间的沟道。依据一些实施例，长度l等于源极电极144与漏极电极146之间的距离。

因此，依据一些实施例，长度l也等于间隙g下方的半导体层130中的沟道的沟道长度。依据一些实施例，宽度w等于间隙g下方的半导体层130中的沟道的沟道宽度。依据一些实施例，宽度w大于长度l。

依据一些实施例，此移除工艺包含离子束蚀刻工艺。离子束蚀刻工艺包含氦离子束蚀刻工艺、聚焦离子束蚀刻工艺或其他合适的离子束蚀刻工艺。依据一些实施例，此移除工艺包含电子束微影(electronbeamlithography，ebl)工艺和蚀刻工艺。

由于离子束蚀刻工艺或电子束微影工艺能够形成精细的图案，因此长度l(或沟道长度)小于10nm。依据一些实施例，小的长度l改善了半导体装置结构200的移动率和效能。

在一些实施例中，将基底110配置为底栅极电极。在一些其他实施例中，顶栅极电极形成于源极电极144与漏极电极146之间的沟道上方，且详细描述如下。

依据一些实施例，在图1g-1、图1g-2、图1h-1和图1h-2的步骤之后，如图2b-1和图2b-2所示，栅极介电层170形成于通过间隙g暴露的半导体层130上方，以及源极电极144和漏极电极146上方。依据一些实施例，栅极介电层170填满整个间隙g，并覆盖与间隙g相邻的部分的源极电极144和部分的漏极电极146。依据一些实施例，栅极介电层170更覆盖部分的绝缘层120。

栅极介电层170包含氧化硅、氮氧化硅、前述的组合或其他合适的材料。依据一些实施例，在一些实施例中，栅极介电层170包含高介电常数材料(high-k材料)。

依据一些实施例，高介电常数(high-k)材料包含金属氧化物、金属氮化物、金属硅酸盐、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属硅酸盐、金属的氮氧化物、氧化铝、二氧化铪-氧化铝(hfo2-al2o3)合金、其他合适的材料或前述的组合。

依据一些实施例，高介电常数(high-k)材料包含氧化铪(hfo2)、氧化铪硅(hfsio)、氮氧化铪硅(hfsion)、氧化铪钽(hftao)、氧化铪钛(hftio)、氧化铪锌(hfzro)或前述的组合。栅极介电层170通过使用化学气相沉积或其他合适的工艺形成。

依据一些实施例，如图2b-1和图2b-2所示，栅极电极180形成于间隙g上方的栅极介电层170上方。依据一些实施例，栅极电极180在通过间隙g暴露的半导体层130上方。依据一些实施例，将栅极电极180配置为半导体装置结构200的顶栅极电极。半导体装置结构200可为顶栅极晶体管或双栅极晶体管，双栅极晶体管具有作为顶栅极电极的栅极电极180和作为底栅极电极的基底110。

依据一些实施例，如图2b-1和图2b-2所示，源极电极144的侧壁144a与半导体层130的侧壁132对齐。在一些实施例中，漏极电极146的侧壁146a与半导体层130的侧壁134对齐。

图3a-1至图3l-1为依据一些实施例的形成半导体装置结构300的工艺的各个阶段的上视图。图3a-2至图3l-2为依据一些实施例的半导体装置结构300，分别沿图3a-1至图3l-1中的剖面线i-i’的剖面示意图。

在图3a-1至图3l-1和图3a-2至图3l-2中，与图1a-1至图1h-1和图1a-2至图1h-2中的元件标示为相同参考符号的元件可具有与图1a-1至图1h-1和图1a-2至图1h-2中的元件相同的材料和相同或类似的制造方法。

依据一些实施例，如图3a-1和图3a-2所示，提供基底110。在一些实施例中，绝缘层120形成于基底110上方。在一些实施例中，石墨烯层140形成于绝缘层120上方。依据一些实施例，石墨烯层140直接接触绝缘层120。依据一些实施例，石墨烯层140包含一层至五层的石墨烯。

在一些实施例中，石墨烯层140的厚度t2在约至约的范围内。依据一些实施例，石墨烯层140直接沉积于绝缘层120上。依据一些实施例，石墨烯层140通过使用化学气相沉积工艺、机械剥离工艺及后续的膜贴附工艺或其他合适的工艺形成。

依据一些实施例，如图3b-1和图3b-2所示，移除部分的石墨烯层140。依据一些实施例，此移除工艺包含光微影工艺和蚀刻工艺。依据一些实施例，此移除工艺也被称为图案化工艺。

依据一些实施例，如图3c-1和图3c-2所示，掩模层150形成于绝缘层120和石墨烯层140上方。依据一些实施例，掩模层150具有开口152和154暴露部分的石墨烯层140。依据一些实施例，掩模层150包含光致抗蚀剂材料。

依据一些实施例，如图3d-1和图3d-2所示，导电层160形成于掩模层150和通过开口152和154暴露的石墨烯层140上方。依据一些实施例，导电层160包含金(au)、银(ag)或铝(al)。导电层160通过使用物理气相沉积工艺或其他合适的工艺形成。

依据一些实施例，如图3e-1和图3e-2所示，移除掩模层150和在掩模层150上方的导电层160。依据一些实施例，此移除工艺包含掀离工艺。依据一些实施例，在此移除工艺之后，余留的导电层160形成第一导电结构162和第二导电结构164于石墨烯层140上方。

依据一些实施例，如图3f-1和图3f-2所示，阳极氧化工艺实施于一部分的石墨烯层140上，以将此部分的石墨烯层140氧化为绝缘层142。依据一些实施例，绝缘层142包含碳和氧化物。

依据一些实施例，绝缘层142定义并电性隔离石墨烯层140的源极电极144和漏极电极146。依据一些实施例，第一导电结构162位于源极电极144上方，并电性连接源极电极144。依据一些实施例，第二导电结构164位于漏极电极146上方，并电性连接漏极电极146。

依据一些实施例，源极电极144和漏极电极146通过间隙g彼此间隔开。依据一些实施例，绝缘层142填入间隙g中并从间隙g突出。依据一些实施例，绝缘层142比源极电极144或漏极电极146厚。也就是说，依据一些实施例，绝缘层142的厚度t3大于源极电极144或漏极电极146的厚度t2。

依据一些实施例，厚度t3与厚度t2之间的差异在约1nm至约5nm的范围内。依据一些实施例，间隙g具有长度l和宽度w。依据一些实施例，长度l等于源极电极144与漏极电极146之间的距离。依据一些实施例，宽度w大于长度l。

依据一些实施例，阳极氧化工艺包含原子力显微镜阳极氧化工艺。也就是说，依据一些实施例，阳极氧化工艺使用原子力显微镜(afm)来氧化此部分的石墨烯层140。依据一些实施例，原子力显微镜阳极氧化工艺将原子力显微镜探针m放置在靠近此部分的石墨烯层140，并提供电压差于石墨烯层140与原子力显微镜探针m之间，以氧化此部分的石墨烯层140。

依据一些实施例，原子力显微镜(afm)探针m的尖端具有宽度小于10nm。依据一些实施例，由于原子力显微镜探针m具有窄的尖端，因此长度l也小于10nm。依据一些实施例，长度l在约2nm至约7nm的范围内。依据一些实施例，小的长度l改善了半导体装置结构300的移动率和效能。

依据一些实施例，阳极氧化工艺在30％至100％的相对湿度中实施。依据一些实施例，阳极氧化工艺在包含氧原子的周围环境中实施，例如o2、o3及/或h2o。

依据一些实施例，如图3g-1和图3g-2所示，掩模层310形成于绝缘层120、源极电极144、漏极电极146、第一导电结构162和第二导电结构164上方。依据一些实施例，掩模层310具有开口312暴露绝缘层142、部分的源极电极144、部分的漏极电极146以及绝缘层120。依据一些实施例，掩模层310包含光致抗蚀剂材料。

依据一些实施例，如图3h-1和图3h-2所示，过渡金属层320形成于掩模层310上方和开口312中。过渡金属层320包含过渡金属材料，例如mo、w或hf。依据一些实施例，过渡金属层320直接沉积于绝缘层142和通过开口312暴露的部分的源极电极144、漏极电极146以及绝缘层120上。过渡金属层320通过使用物理气相沉积或其他合适的沉积工艺形成。

依据一些实施例，如图3i-1和图3i-2所示，移除掩模层310和在掩模层310上方的过渡金属层320。依据一些实施例，余留的过渡金属层320覆盖绝缘层142以及与绝缘层142相邻的部分的源极电极144、漏极电极146和绝缘层120。依据一些实施例，余留的过渡金属层320直接接触绝缘层142以及与绝缘层142相邻的部分的源极电极144、漏极电极146和绝缘层120。

依据一些实施例，如图3j-1和图3j-2所示，实施硫化工艺、硒化工艺或碲化工艺于过渡金属层320，以将过渡金属层320转换为半导体层320a。依据一些实施例，半导体层320a覆盖全部的间隙g。

依据一些实施例，半导体层320a覆盖全部的绝缘层142。依据一些实施例，半导体层320a更覆盖与绝缘层142相邻的部分的源极电极144、漏极电极146和绝缘层120。

依据一些实施例，半导体层320a直接接触绝缘层142以及与绝缘层142相邻的部分的源极电极144、漏极电极146和绝缘层120。在一些实施例中，绝缘层142的顶部142a埋置于半导体层320a中。也就是说，依据一些实施例，绝缘层142的顶部142a延伸进入半导体层320a中。

依据一些实施例，半导体层320a包含过渡金属硫属化物。依据一些实施例，过渡金属硫属化物包含过渡金属二硫属化物(tmd)。过渡金属二硫属化物具有通式mx2，其中m为过渡金属(例如mo、w或hf)，且x为硫属化物(例如s、se或te)。例示性的过渡金属二硫属化物包含mos2、ws2、hfs2、moce2、mose2、wse2或mose2。

依据一些实施例，过渡金属硫属化物为二维(2d)材料。因此，依据一些实施例，半导体层130包含一个二维(2d)层或多个二维(2d)层的堆叠(未显示)。

依据一些实施例，半导体层320a包含一层至三十层的过渡金属硫属化物。依据一些实施例，半导体层320a的厚度t1在约0.65nm至约20nm的范围内。依据一些实施例，半导体层320a的厚度t1大于源极电极144或漏极电极146的厚度t2。依据一些实施例，半导体层320a的厚度t1大于绝缘层142的厚度t3。

在一些实施例中，将基底110配置为底栅极电极。依据一些实施例，将半导体层320a配置为提供源极电极144与漏极电极146之间的沟道。因此，依据一些实施例，间隙g的长度l接近于间隙g上方的半导体层320a中的沟道的沟道长度。依据一些实施例，间隙g的宽度w等于间隙g上方的半导体层320a中的沟道的沟道宽度。

或者，在一些其他实施例中，如图4-1和图4-2所示，半导体层320a通过沉积半导体材料层320b于绝缘层142、源极电极144、漏极电极146、绝缘层120、第一导电结构162和第二导电结构164上方，并实施光微影工艺和蚀刻工艺形成。依据一些实施例，半导体材料层320b通过使用例如化学气相沉积(cvd)工艺沉积。依据一些实施例，半导体材料层320b包含过渡金属硫属化物。

依据一些实施例，如图3k-1和图3k-2所示，栅极介电层170形成于半导体层320a上方。依据一些实施例，栅极介电层170设置于间隙g(或绝缘层142)、源极电极144、漏极电极146和绝缘层120上方。栅极介电层170通过使用化学气相沉积或其他合适的工艺形成。

依据一些实施例，如图3l-1和图3l-2所示，栅极电极180形成于栅极介电层170上方。依据一些实施例，栅极电极180在间隙g(或绝缘层142)上方的半导体层320a上方。依据一些实施例，将栅极电极180配置为半导体装置结构300的顶栅极电极。半导体装置结构300可为顶栅极晶体管或双栅极晶体管，双栅极晶体管具有作为顶栅极电极的栅极电极180和作为底栅极电极的基底110。

图5a-1至图5b-1为依据一些实施例的形成半导体装置结构500的工艺的各个阶段的上视图。图5a-2至图5b-2为依据一些实施例的半导体装置结构500，分别沿图5a-1至图5b-1中的剖面线i-i’的剖面示意图。

在图5a-1至图5b-1和图5a-2至图5b-2中，与在图3a-1至图3l-1和图3a-2至图3l-2中的元件标示为相同参考符号的元件可具有与图3a-1至图3l-1和图3a-2至图3l-2中的元件相同的材料和相同或类似的制造方法。

依据一些实施例，在图3e-1和图3e-2的步骤之后，如图5a-1和图5a-2所示，移除一部分的石墨烯层140。依据一些实施例，间隙g形成于石墨烯层140中。依据一些实施例，间隙g暴露一部分的绝缘层120。依据一些实施例，间隙g定义并电性隔离石墨烯层140的源极电极144和漏极电极146。

依据一些实施例，此移除工艺包含离子束蚀刻工艺。离子束蚀刻工艺包含氦离子束蚀刻工艺、聚焦离子束蚀刻工艺或其他合适的离子束蚀刻工艺。依据一些实施例，此移除工艺包含电子束微影(ebl)工艺和蚀刻工艺。

依据一些实施例，在图3g-1至图3l-1和图3g-2至图3l-2的步骤之后，如图5b-1和图5b-2所示，半导体层320a形成于源极电极144与漏极电极146之间的间隙g中。依据一些实施例，半导体层320a覆盖与间隙g相邻的部分的源极电极144、漏极电极146和绝缘层120。

依据一些实施例，如图5b-1和图5b-2所示，栅极介电层170形成于半导体层320a上方。依据一些实施例，栅极介电层170设置于间隙g、源极电极144、漏极电极146和绝缘层120上方。栅极介电层170通过使用化学气相沉积或其他合适的工艺形成。

依据一些实施例，如图5b-1和图5b-2所示，栅极电极180形成于栅极介电层170上方。依据一些实施例，栅极电极180在间隙g中的半导体层320a上方。依据一些实施例，将栅极电极180配置为半导体装置结构500的顶栅极电极。

半导体装置结构500可为顶栅极晶体管。在一些实施例中，将基底110配置为底栅极电极。半导体装置结构500可为双栅极晶体管，其具有作为顶栅极电极的栅极电极180和作为底栅极电极的基底110。

依据一些实施例，间隙g具有长度l和宽度w。依据一些实施例，长度l等于源极电极144与漏极电极146之间的距离。因此，依据一些实施例，长度l也等于间隙g中及/或间隙g上方的半导体层320a中的沟道的沟道长度。依据一些实施例，宽度w等于间隙g中及/或间隙g上方的半导体层320a中的沟道的沟道宽度。依据一些实施例，宽度w大于长度l。

由于离子束蚀刻工艺或电子束微影工艺能够形成精细的图案，因此长度l(或沟道长度)小于10nm。依据一些实施例，小的长度l改善了半导体装置结构500的移动率和效能。

依据一些实施例，提供半导体装置结构及其形成方法。这些(形成半导体装置结构的)方法形成石墨烯源极电极和石墨烯漏极电极于过渡金属硫属化物半导体层上方。由于石墨烯与过渡金属硫属化物之间的接触电阻很低，因此改善了半导体装置结构的效能。这些方法形成窄间隙于石墨烯源极电极与石墨烯漏极电极之间，以缩减过渡金属硫属化物半导体层中的沟道的沟道长度，其改善了半导体装置结构的移动率和效能。

依据一些实施例，提供半导体装置结构，此半导体装置结构包含基底。此半导体装置结构包含半导体层于基底上方，半导体层包含过渡金属硫属化物。此半导体装置结构包含源极电极和漏极电极于半导体层上方并连接半导体层，且通过间隙彼此间隔开，源极电极和漏极电极由石墨烯制成。

在一些其他实施例中，上述半导体装置结构还包括绝缘层填入间隙中，并从间隙突出。

在一些其他实施例中，其中绝缘层比源极电极或漏极电极厚。

在一些其他实施例中，其中绝缘层为氧化物层。

在一些其他实施例中，其中绝缘层包含碳和氧化物。

在一些其他实施例中，上述半导体装置结构还包括栅极介电层覆盖绝缘层，以及栅极电极位于栅极介电层上方且位于绝缘层上方。

在一些其他实施例中，其中绝缘层的顶部埋置于栅极介电层中。

在一些其他实施例中，其中过渡金属硫属化物包含mos2、ws2、hfs2、mote2、wte2、wse2或mose2。

在一些其他实施例中，上述半导体装置结构还包括第一导电结构位于源极电极上方并电性连接源极电极，以及第二导电结构位于漏极电极上方并电性连接漏极电极，其中第一导电结构和第二导电结构由金或银制成。

在一些其他实施例中，上述半导体装置结构还包括栅极介电层覆盖间隙下方的半导体层，以及栅极电极位于栅极介电层和间隙上方。

依据一些实施例，提供半导体装置结构，此半导体装置结构包含基底。此半导体装置结构包含源极电极和漏极电极于基底上方，且通过间隙彼此间隔开，源极电极和漏极电极由石墨烯制成。此半导体装置结构包含半导体层覆盖间隙、源极电极的第一部分和漏极电极的第二部分，半导体层包含过渡金属硫属化物。

在一些其他实施例中，上述半导体装置结构还包括绝缘层填入间隙中，并从间隙突出，其中半导体层覆盖绝缘层。

在一些其他实施例中，其中绝缘层的顶部延伸进入半导体层。

在一些其他实施例中，上述半导体装置结构还包括栅极介电层覆盖间隙上方的半导体层，以及栅极电极位于栅极介电层上方且位于间隙上方。

在一些其他实施例中，上述半导体装置结构还包括第一导电结构位于源极电极上方并电性连接源极电极，以及第二导电结构位于漏极电极上方并电性连接漏极电极，其中第一导电结构和第二导电结构由金或银制成。

依据一些实施例，提供半导体装置结构的形成方法，此方法包含形成半导体层于基底上方，半导体层包含过渡金属硫属化物。此方法包含形成石墨烯层于半导体层上方或半导体层下方。此方法包含将石墨烯层图案化为源极电极和漏极电极，源极电极和漏极电极通过间隙彼此间隔开，并分别地连接半导体层。

在一些其他实施例中，其中石墨烯层的图案化包含实施阳极氧化工艺，以将间隙中的石墨烯层氧化为绝缘层，其中绝缘层填入间隙中，并从间隙突出。

在一些其他实施例中，其中阳极氧化工艺使用原子力显微镜。

在一些其他实施例中，其中半导体层和石墨烯层的形成包含实施第一化学气相沉积工艺以形成半导体层，以及实施第二化学气相沉积工艺以形成石墨烯层。

在一些其他实施例中，上述方法还包括形成栅极介电层覆盖与间隙相邻的半导体层，以及形成栅极电极于栅极介电层上方和间隙上方。

前述内文概述了许多实施例的特征，使本领域技术人员可以从各个方面更佳地了解本公开。本领域技术人员应可理解，可轻易地以本公开为基础来设计或修饰其他工艺及结构，以实现与在此介绍的多个实施例相同的目的及/或达到相同的优点。本领域技术人员也应了解这些相等的结构并未背离本公开的发明精神与范围。在不背离本公开的发明精神与范围的前提下，可对本公开进行各种改变、置换或修改。