[发明专利]石墨烯器件用的具有低等效氧化物厚度的双层栅极电介质

说明书

技术领域

本公开涉及半导体结构及其制造方法。更具体地，本公开涉及包括在石墨烯的顶上形成的、具有低等效氧化物厚度（EOT）的双层栅极电介质的半导体结构及其形成方法。

背景技术

当前在半导体和电子工业中存在若干趋势，包括例如相比于之前几代器件，器件被制作为更小、更快且需要更少的能量。这些趋势的一个原因是因为诸如蜂窝电话和个人计算设备的个人设备被制造地更小且更便携。除了变得更小和更便携，个人设备也需要增加的内存、更大的计算能力和速度。考虑到这些持续的趋势，在工业中对用来提供在这些设备中使用的集成电路的核心功能的更小和更快的晶体管有不断增加的需求。

因此，在半导体工业中，具有朝向制造具有更高密度的集成电路（IC）的持续趋势。为了实现更高密度，已经做出且将继续做出努力以使通常从体硅制造的半导体晶片上的器件的尺寸按比例缩小。这些趋势将当前的技术推到其极限。为了实现这些趋势，要求集成电路（IC）具有高密度、更小的特征尺寸、特征之间的更小距离以及更精确的特征形状。

大量的资源被用于按比例缩小器件的尺寸并增加组装密度（packingdensity）。例如，可能需要大量的时间来设计这样的按比例缩小的晶体管。而且，生产这样的器件所必需的设备会很昂贵，和/或与生产这样的器件有关的处理必须被严格控制和/或在特定条件下操作。因此，存在与对半导体制造进行质量控制有关的大量成本。

考虑到以上问题，半导体工业正将石墨烯应用到某些前述目标。实质上为碳原子的平板的石墨烯对于射频（RF）晶体管和其他电子晶体管来说是很有前途的材料。典型的RF晶体管是从硅、硅合金（例如SiGe）或更昂贵的半导体（例如磷化铟（InP））制成的。

发明内容

在石墨烯层的最上表面上设置氮化硅层，随后在氮化硅层的最上表面上设置二氧化铪层。氮化硅层用作二氧化铪层的润湿剂，并由此阻止在石墨烯层的顶上形成不连续的二氧化铪柱。一起形成双层栅极电介质的氮化硅层和二氧化铪层呈现在石墨烯的顶上的连续形态。而且，本公开的双层栅极电介质具有低等效氧化物厚度（EOT）。EOT是SiO₂的厚度，其将产生与具有更高的介电常数的电介质的比电容相同的比电容。对于厚度相同的电介质来说，电介质的介电常数越高，EOT越低。“低EOT”通常是指电介质叠层的EOT小于该电介质叠层的实际总厚度的一半，更具体地，任何低于20nm的EOT值在此被定义为“低EOT”。

在本公开的一个方面中，提供一种半导体结构。本公开的半导体结构包括位于基础基板（base substrate）的最上表面上的石墨烯层。双层栅极电介质位于所述石墨烯层的最上表面上。所述双层栅极电介质从底部到顶部包括氮化硅层和二氧化铪（HfO₂）层。在本公开的半导体结构中，所述氮化硅层和所述HfO₂层二者都连续地存在于所述石墨烯层的最上表面的顶上。

在本公开的另一方面中，提供了一种半导体器件。本公开的半导体器件包括具有最上表面的基础基板和位于所述基础基板的最上表面上的包含石墨烯的半导体器件。本公开的所述包含石墨烯的半导体器件包括位于所述基础基板的最上表面上的石墨烯层以及位于所述石墨烯层的最上表面上的双层栅极电介质。所述双层栅极电介质从底部到顶部包括氮化硅层和二氧化铪（HfO₂）层。在本公开的半导体器件中，所述氮化硅层和所述HfO₂层二者都连续地存在于所述石墨烯层的最上表面的顶上。

在本公开的又一方面中，提供了一种方法。本公开的方法包括在基础基板的最上表面上设置石墨烯层。然后在所述石墨烯层的最上表面上形成氮化硅层。然后在所述氮化硅层的最上表面上形成二氧化铪（HfO₂）层。根据本公开，所述氮化硅层和所述HfO₂层连续地存在于所述石墨烯层的最上表面的顶上。

在其中二氧化铪直接在石墨烯层的最上表面上形成的比较用结构和方法中，申请人观察到所产生的二氧化铪层成团块（ball up），在石墨烯层的顶上形成不连续的二氧化铪柱。由于不连续材料中的大量泄露路径，所产生的不连续的HfO₂柱生长对于顶栅电介质公开来说是不合适的。

附图说明

图1是可在本公开的一个实施例中采用的基础基板的（通过横截面图）图形表示；

图2是（通过横截面图）示例出在向基础基板的最上表面提供石墨烯层之后图1的基础基板的图形表示；