具有波导的集成石墨烯检测器的制作方法

本公开涉及半导体结构，以及更具体地，涉及与光波导结构集成的石墨烯检测器和制造方法。

背景技术

硅光子学是使用硅作为光学介质的光子系统的应用。硅通常以亚微米精度图案化为微光子部件。硅光子器件可以使用现有的半导体制造技术制造，并且由于硅已经用作大多数集成电路的衬底，因此可以创建混合器件，其中光学和电子部件被集成到单个微芯片上。硅光子学包括硅波导，由于硅波导独特的导引特性，可以将硅波导用于通信、互连、生物传感器等。

硅光子学的整体集成对于下一代t比特通信和高度集成的密集结构是需要的。目前，这种结构中的互连是铜。然而，铜是，因为转向更高的千兆字节(例如，25千兆字节及以上)性能的扭转点，涉及附加的成本和功耗。这就产生了对传输数据的硅光子技术的需求。

技术实现要素：

在本公开的一个方面中，一种结构，包括：由衬底材料构成的多个非平面鳍片结构；以及整体在所述多个非平面鳍片结构中的每一个之上延伸的非平面石墨烯材料片。

在本公开的一个方面中，一种方法，包括：从衬底材料形成多个非平面波导鳍片结构；在所述非平面波导鳍片结构上形成材料；以及热分解所述材料以形成在所述多个非平面波导鳍片结构中的每一个之上延伸的非平面石墨烯材料片。

在本公开的一个方面中，一种方法，包括：由绝缘体上半导体材料形成多个非平面鳍片结构；在所述非平面鳍片结构上沉积基于碳的材料；退火所述基于碳的材料以将所述基于碳的材料热分解为在所述多个非平面鳍片结构中的每一个的整体之上延伸的应力非平面石墨烯材料片；以及形成与所述非平面石墨烯材料片电连接的接触。

附图说明

在以下通过本公开的示例性实施例的非限制性示例，以参考多个附图的详细说明来描述了本公开。

图1a-1c示出了根据本公开的方面的各结构和制造方法。

图2a-2c示出了根据本公开的附加方面的各结构和制造方法。

图3a-3c示出了根据本公开的附加方面的各结构和制造方法。

图4a和4b示出了根据本发明的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及相应的制造方法。

图5示出了根据本发明的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及相应的制造方法。

图6示出了根据本发明的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及相应的制造方法。

图7示出了根据本发明的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及相应的制造方法。

图8示出了根据本发明的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及相应的制造方法。

图9示出了根据本发明的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及相应的制造方法。

图10示出了根据本发明的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及各自的制造方法。

具体实施方式

本公开涉及半导体结构，更具体地，涉及与光波导结构集成的石墨烯检测器和制造方法。更具体地，本公开涉及石墨烯检测器与非平面硅波导结构的整体集成。通过利用这种设计，有利地，硅光子学的单片集成可以用于下一代的千吉比特通信和其他密集的片上系统(soc)应用。

在实施例中，石墨烯检测器是沉积在非平面波导结构上的石墨烯材料的非平面片。在更具体的实施例中，非平面硅波导结构由从绝缘体上硅(soi)衬底形成的硅基鳍片结构组成。石墨烯片可以通过在非平面鳍片结构上的热分解方法形成，这导致非平面的石墨烯片。通过实施本文所述的非平面设计，可以增加给定足印(footprint)区上的石墨烯的密度，从而提高基于石墨烯的应用的效率，例如提高检测效率，以及有助于缩放波导结构。此外，应当理解，石墨烯片的非平面性将应力引入到材料中，从而能够利用其全部带隙范围(例如，1.3-2.75μm)。

具有本公开的波导结构的集成石墨烯检测器可以使用许多不同的工具以多种方式制造。通常，该方法和工具被用于形成尺寸在微米和纳米级的结构。已经从集成电路(ic)技术中采用了用于制造本公开的具有波导结构的集成石墨烯检测器的方法，即，技术。例如，具有波导结构的集成石墨烯检测器构建在晶片上，并且通过在晶片顶部上通过光刻工艺图案化的材料的膜实现。特别地，具有波导结构的集成石墨烯检测器的制造使用三个基本构建块：(i)在衬底上沉积材料薄膜，(ii)通过光刻成像在膜的顶部上施加图案化掩模，以及(iii)将薄膜选择性地蚀刻到掩模。

图1a-1c示出了根据本公开的方面的各自的结构和制造方法。更具体地，图1a的结构10示出了由衬底材料(例如，优选地由下伏的半导体材料16和掩埋氧化物层14组成的绝缘体上硅(soi)衬底)形成的多个鳍片结构12。在实施例中，鳍片结构12可以由任何适宜的材料构成，包括但不限于si、sige、sigec、sic、gaas、inas、inp和其他iii/v或ii/vi化合物半导体。本领域技术人员应该理解，鳍片结构12可以是波导结构。

在实施例中，鳍片结构12可以是由常规cmos方法形成的超大的高度对宽度比率的鳍片结构(例如，用于22nm和更小的技术节点的高纵横比鳍片结构)。例如，鳍片结构12可以是通过侧壁图像转移(sit)方法形成的约10nm宽(尽管其中考虑了其它尺寸)。

在sit技术中，例如，使用常规cvd工艺在衬底的上表面上形成心轴材料，例如sio2。在该心轴材料上形成抗蚀剂并暴露于光以形成图案(开口)。通过开口进行反应离子蚀刻以形成心轴。在实施例中，依赖于鳍片结构12之间的期望尺寸，心轴可以具有不同的宽度和/或间隔。间隔物形成在心轴的侧壁上，其优选地是不同于心轴的材料，并且使用常规本领域技术人员已知的沉积方法形成。例如，间隔物可以具有与鳍片结构12的尺寸匹配的宽度。使用对心轴材料有选择性的常规蚀刻方法去除或剥离心轴。然后，在间隔物的间隔内进行蚀刻以形成亚光刻特征。然后，可以剥离侧壁间隔物。在实施例中，鳍片结构12还可以在该图案化方法或其他图案化方法期间形成，或者通过本公开所构思的其它常规图案化方法形成。

在图1b中，材料18将被选择性地沉积在鳍片结构12上，即在包括鳍片结构12的顶表面和侧壁的整个鳍片结构之上。在实施例中，材料18是选择性地沉积鳍片结构12的部分(端部)上。可以使用外延生长方法(例如化学气相沉积(cvd))方法将sic材料沉积在鳍片结构12上。

如图1c所示，sic材料18经历退火工艺以将sic热分解成位于鳍片结构12的整体(例如，鳍片结构12的顶表面和侧壁)之上的非平面石墨烯片20。根据在本公开的方面，石墨烯片20的非平面性导致在石墨烯片20的边缘处引入的应力，其又产生全带隙范围，例如1.3-2.75μm。该带隙范围有助于通过量化状态来放大信号以改善检测器特性。

热分解过程可以例如通过电子束加热、电阻加热等在真空环境中进行，以形成例如1nm厚的石墨烯单层片；尽管在本文中还考虑了约4层或更多层的其它相对厚的石墨烯层。在实施例中，退火工艺可以是尖峰退火工艺，更具体地说，可以在约1100℃至约1100℃的温度下在约1atm或以上的压力下进行，例如在约1e-9至约1e-8托。在更具体的实施方案中，退火工艺可以在氩气氛中进行，例如在1000℃下5分钟；在1100℃下5分钟；在1250℃下10分钟。

图2a-2c示出了根据本公开的附加方面的各个结构和制造方法。更具体地，图2a示出了包括由衬底(优选地，由半导体材料16和掩埋氧化物层14组成的绝缘体上硅(soi)衬底)形成的多个鳍片结构12的结构10'。如在本文所述的任何实施例中，鳍片结构12可以是由任何合适的材料构成的非平面波导结构，该材料包括但不限于si、sige、sigec、sic、gaas、inas、inp和其他iii/v或ii/vi化合物半导体。使用常规沉积工艺(例如cvd)将诸如siox的绝缘体材料22沉积在鳍片结构12上。诸如sic的材料18被均厚地沉积在绝缘体材料22上。

如图2b所示，材料18经历退火工艺以将sic热分解为石墨烯片20。石墨烯片20设置在整个鳍片结构上，包括鳍片结构20的侧壁和顶表面，从而在石墨烯片20的边缘处赋予石墨烯片20应力。如前所述，可以例如通过电子束加热、电阻加热等来进行热分解处理，以形成单层或多层石墨烯片。作为示例，在实施例中，退火工艺可以是尖峰退火工艺，更具体地，如本文所述的，在约900℃至约1100℃的温度下、约1atm或以上的压力下进行。在更具体的实施方案中，退火过程可以例如在1000℃下为5分钟；在1100℃下5分钟；在1250℃下10分钟。并且，如前所述，引入到非平面石墨烯片20上的应力允许利用大的带隙范围，例如1.3-2.75μm。

图2c示出了在热分解过程之后去除例如在soi衬底的氧化物材料14上的在鳍片结构12之间形成的石墨烯的可选步骤。例如，可以通过常规的各向异性蚀刻工艺去除在氧化物材料14上形成的任何石墨烯20，这将使非平面的石墨烯片20保留在鳍片结构12(例如波导结构)上。在实施例中，石墨烯片20也可以保留在氧化物材料14上，从而形成包围结构。

图3a-3c示出了根据本公开的附加方面的各个结构和制造方法。更具体地说，如图3a中所示，结构10”包括均厚沉积在鳍片结构12和器件的其它暴露区域(例如掩埋氧化物层14)上的材料层24。在实施例中，材料层24将具有与石墨烯类似的晶体结构，例如氮化硼。材料24可以使用例如原子层沉积(ald)的常规沉积工艺沉积到约2-3微米的厚度。诸如sic的材料18被均厚沉积在材料层24上。

如图3b所示，材料18经历退火工艺以将sic热分解为非平面石墨烯片20。如前所述，在包括鳍片结构20的侧壁和顶表面的鳍片结构12整体上的石墨烯片20，从而在石墨烯片20的边缘处的石墨烯片上施加应力。也就是说，引入到非平面石墨烯片20上的应力允许利用大的带隙范围，例如1.3-2.75μm。此外，热分解过程可以例如通过电子束加热、电阻加热等进行，以形成单层或多层石墨烯片。作为示例，在实施例中，退火工艺可以是尖峰退火工艺，更具体地，如本文所述，在约900℃至约1100℃的温度下，在约1atm或以上的压力下进行。在更具体的实施方案中，退火过程可以例如在1000℃下为5分钟；在1100℃下5分钟；在1250℃下10分钟。

在图3c中，衬底上的任何石墨烯和其它残余材料，例如soi衬底的氧化物材料14，可以使用掩蔽工艺通过对材料20、24有选择性的常规各向异性蚀刻工艺任意地去除。在实施例中，各向异性蚀刻工艺将在鳍片结构12(例如，波导结构)上保留非平面的石墨烯片20。在实施例中，石墨烯片20可以保留在氧化物材料14上，从而形成包围结构。

图4a和4b示出了根据本发明的方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及各自的制造方法。更具体地，图4a示出了集成石墨烯检测器和波导结构10”’的俯视图；然而，图4b示出了集成石墨烯检测器和波导结构10”’的局部剖视图。在图4a和4b的实施例中，结构10”’可以是具有重复鳍片结构12作为背栅极的pin(p+，本征，n+)检测器。

更具体地并参考参考图4a和4b，集成石墨烯检测器和波导结构10”’包括形成在例如掩埋氧化物层的绝缘体层14上的多个鳍片结构12。石墨烯片20形成在鳍片结构12的端部(例如波导的光出射区域)上，例如在鳍片结构20的侧壁和顶表面上并延伸到掩埋氧化物层14上。如本文所述，形成集成检测器的石墨烯片20可以以许多不同的方式形成，包括：(i)直接在鳍片结构12(图1a-1c)上，(ii)直接在绝缘体上的材料(图2a-2c)，或(iii)直接在具有类似于石墨烯的晶体结构的材料上(图3a-3c)。在附加的实施例中，石墨烯片20可以是包裹结构，例如设置在鳍片结构12之间并在鳍片结构12之间延伸。

在这些实施例中的任何一个中，鳍片结构12可被绝缘体材料34(例如，基于氧化物的材料)包围。包括指状电极的多个金属接触26、28形成为与鳍片结构12(并且在实施例中，在鳍状结构12之间)的最上顶表面之上的石墨烯片20直接电接触。在实施例中，接触26、28是正交于鳍片结构12定位的交错接触。接触26、28可以分别是通过本领域技术人员已知的常规光刻、蚀刻和沉积方法形成的n+掺杂和p+掺杂接触，因此不需要进一步的解释。在实施例中，通过离子注入工艺或扩散工艺，n+掺杂接触26掺杂有磷或砷，并且p+接触28掺杂有硼。金属接触26、28之间的部分是由石墨烯片20形成的本征区域30。

图5示出了根据本发明的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及相应的制造方法。在该实施例中，集成石墨烯检测器和波导结构10””可以是pin检测器，其包括氮化硼材料24(参见，例如图3a-3c)和/或绝缘体材料22(参见，例如，图2a-2c)。在本文所述的该实施例和其它实施例中，应当理解，石墨烯片20可以是在整个鳍片结构12上并且在掩鳍片结构12之间在埋氧化物材料14的表面上延伸的包围结构。

如图5中更具体地示出的，集成石墨烯检测器和波导结构10””包括与鳍片结构12的侧面上的石墨烯片20直接电接触的重掺杂n++接触32(例如，掺杂有磷或砷)、以及与鳍片结构12之上的石墨烯片20直接电接触的重掺杂的p++顶部接触28’(例如，掺杂有硼)。在实施例中，重掺杂的p++顶部接触28’是使用形成在层间电介质材料中的金属过孔30电连接到石墨烯片20的指状电极(其平行于鳍片结构12)。本领域普通技术人员还应该理解，接触32可以是p++掺杂的接触，并且顶部接触28’可以是n++掺杂的接触。此外，在本文描述的该实现和其它实现中，接触32可以是源极和漏极接触；而接触28’可以是顶栅极接触。

图6示出了根据本发明的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及相应的制造方法。在图6中，结构10””’包括由衬底12’的单体(monolithic)部分形成的波导结构，例如，未图案化以形成鳍片结构12的衬底的部分；而检测器部分包括鳍片结构12。此外，在该实现中，接触32可以是源极和漏极接触；而接触28’可以是形成顶栅接触的指状电极。结构10””的剩余特征与已经关于图1所描述的相似。并且，如在先前描述的实施例中，本领域普通技术人员应当理解，形成在层间电介质材料中的金属过孔可用于制造本文所述的电连接。

图7示出了根据本发明的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及各自的制造方法。在图6中，结构10”””包括选择性地沉积在鳍片结构12的侧壁上在石墨烯片20之上的绝缘体层14’，其将接触28’与接触32电绝缘(例如，电隔离)。因此，绝缘体层24’将防止在接触28’和32之间发生短路。另外，在该实施例中，为了说明的目的，接触32是重掺杂的p++接触，并且接触28’是重掺杂的n++接触。结构10”””还包括石墨烯片20和鳍片结构12之间的氮化硼材料24(参见，例如图3a-3c)和/或绝缘体材料22(参见例如图2a-2c)。此外，如本文所述的其它实施例，石墨烯片20可以是在掩埋氧化物材料14的表面上在鳍片结构12之间延伸的包围结构。此外，如在先前描述的实施例中，形成在层间电介质材料中的金属过孔可用于制造本文所述的电连接。

图8示出了包括与鳍片结构12之间的石墨烯片20电接触的源极和漏极接触32”(例如，包括指状电极)的结构10”””’。在该实施例中，相应地，石墨烯片20是整体在鳍片结构12之上和之间在掩埋氧化物材料14的表面上延伸的包围结构。此外，顶部接触28”(例如，包括与鳍片结构正交的指状电极)设置在鳍片结构12之上。在实施例中，顶部接触28”可以是通过绝缘体材料(例如sio2)与石墨烯片20分离的栅极接触。此外，在本实施例中，波导结构由衬底12'的单体部分形成，例如，未图案化以形成鳍片结构12的衬底的部分；而检测器部分包括鳍片结构12。如在先前描述的实施例中，形成在层间电介质材料中的金属过孔可用于制造本文所述的电连接。

图9示出了具有重复的鳍片结构12的集成石墨烯检测器和波导结构10””””(pin检测器)的部分透视图，该重复鳍片结构12是背栅极，其包括在鳍片结构12之上和之间延伸的源极接触36和漏极接触36’。相应地，在实施例中，源极接触36和漏极触头36’可以是与鳍片结构12正交地延伸(并由此鳍片结构之间在绝缘体材料14上的延伸)的指状电极。在该实施例和其它实施例中，石墨烯片20是整体在鳍片结构12之上和之间在掩埋氧化物材料14的表面上延伸的包围结构。此外，在该实施例中，波导结构由衬底12’的单体部分，例如，未图案化以形成鳍片结构12的衬底的部分；而检测器部分包括鳍片结构12。然而，还可以想到，石墨烯片20可以仅设置在鳍片结构12上，如图1c、2c和3c所示。

图10示出了集成石墨烯检测器和波导结构10””””’(pin检测器)的部分透视图，其包括在鳍片结构12之上和之间延伸的源极接触36和漏极接触36’。同样，在该实施例中，源极接触36和漏极触头36’可以是与鳍片结构12正交地延伸的指状电极(并由此鳍片结构之间在绝缘体材料14之上延伸)。在该实施例和其它实施例中，石墨烯片20是整体在鳍片结构12之上和之间在掩埋氧化物材料14的表面上延伸的包围结构。此外，在该实施例中，波导结构由鳍片结构形成。也可以想到，石墨烯片20只能设置在鳍片结构12上，如图1c、2c和3c所述。

如上所述的方法用于集成电路芯片的制造。所得到的集成电路芯片可以由制造商以原始晶片形式(即，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)作为裸芯片或以封装形式分发。在后一种情况下，芯片安装在单个芯片封装(例如，塑料载体，具有附着到母板或其它更高级别的载体上的引线)或多芯片封装(例如，具有单或双表面互连或掩埋互连的陶瓷载体)中。在任何情况下，芯片然后与其它芯片、分立电路元件和/或其他信号处理设备集成，作为(a)中间产品(例如主板)或(b)最终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的产品，从玩具和其他低端应用到具有显示器、键盘或其它输入设备的高级计算机产品以及中央处理器。

已经出于说明的目的呈现了本公开的各种实施例的描述，但并不旨在穷举或限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择这里使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、对市场中发现的技术的实际应用或技术改进，或使得本领域普通技术人员能够理解本文公开的实施例。