CN102867753A

CN102867753A - 基于倒置工艺的射频功率管及其形成方法

Info

Publication number: CN102867753A
Application number: CN2012103311215A
Authority: CN
Inventors: 吕宏鸣; 肖柯; 吴华强; 钱鹤; 伍晓明
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: CN102867753B

Abstract

本发明公开了一种基于倒置工艺的射频功率管及其形成方法，该方法包括：提供衬底；形成过渡层；形成源极连接线、漏极连接线和栅极连接线；在过渡层之上形成层间介质层，层间介质层填充在连接线之间；在层间介质层之上形成金属接触层，金属接触层与连接线相连；刻蚀金属接触层以形成互相平行的N个源极、N个漏极和2N-1个栅极，其中，源栅漏极按照源极-栅极-漏极-栅极的顺序依次相邻排列，N个源极与源极连接线相连，N个漏极与漏极连接线相连，2N-1个栅极与栅极连接线相连；形成栅极介质层；以及形成石墨烯薄膜作为沟道层。本发明的方法采用倒置工艺，易于实现、稳定可靠；本发明的器件具有倒置结构，源漏接触小、栅控能力强。

Description

基于倒置工艺的射频功率管及其形成方法

技术领域

本发明半导体技术领域，特别涉及一种基于倒置工艺的射频功率管及其形成方法。

背景技术

在放大电路中担任末级输出的器件叫基于倒置工艺的射频功率管。现有射频功率管多为多个硅基场效应管并联而成，但由于受到沟道层材料的迁移率的限制，射频功率管性能提升空间有限。因此，研发新型材料、新型结构的射频功率管成为研究热点。

近年来，研究表明石墨烯材料具有本征载流子迁移率高、强场漂移速度高、电流承载能力高（比金属高一个数量级）、面内热导率高等优异性能特点。又因为该材料具有规模化制备材料的潜力，有望成为目前的Si基COMS的附加技术，广泛应用于半导体技术领域。

现有技术中的石墨烯场效应管的形成方法为：首先在SiO₂的介质层上形成石墨烯薄膜，随后在石墨烯薄膜上形成高介电常数（High-K）介质材料的栅极介质层，随后在栅极介质层上形成栅极以及在石墨烯薄膜上形成源极和漏极。该方法最终得到源漏栅极位于上方、沟道层位于下方的正置结构。其缺点是：在石墨烯薄膜上形成High-K介质材料的栅氧化层比较困难，往往因为引入离子修饰成难以做到较小的等效氧化厚度(equivalent oxide thinness，EOT)，所以难于提高栅控能力；在石墨烯薄膜上同时形成栅极、源极和漏极的过程中，工艺精确度难以得到保证；以及最终得到的器件的源漏接触的电阻较大。石墨烯薄膜上承载过多工艺步骤对于保护其优良电学性能不利，例如多次光刻过程中光刻胶对石墨烯性能的恶化，以及可能的湿法刻蚀对High-K材料性能的恶化等等。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于倒置工艺的射频功率管的形成方法，该方法采用倒置工艺，易于实现、稳定可靠。

本发明的另一目的在于提出一种基于倒置工艺的射频功率管，该器件具有倒置结构，源漏接触小、栅控能力强。

为达到上述目的，本发明的实施例公开了一种基于倒置工艺的射频功率管的形成方法，包括以下步骤：提供衬底；在所述衬底之上形成过渡层；在所述过渡层之上形成连接线，所述连接线包括源极连接线、漏极连接线和栅极连接线；在所述过渡层之上形成层间介质层，所述层间介质层填充在所述连接线之间；在所述层间介质层之上形成金属接触层，所述金属接触层与所述连接线相连；刻蚀所述金属接触层以形成互相平行的N个源极、N个漏极和2N-1个栅极，其中，所述源极、栅极和漏极按照源极-栅极-漏极-栅极的顺序依次相邻排列，N个所述源极与源极连接线相连，N个所述漏极与漏极连接线相连，2N-1个所述栅极与所述栅极连接线相连，其中N为正整数；在所述栅极之上形成栅极介质层；以及在所述源极、漏极、和栅极介质层之上形成石墨烯薄膜作为所述基于倒置工艺的射频功率管的沟道层。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法的优选实施例中，所述过渡层为通过热氧化形成的SiO₂。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法的优选实施例中，所述层间介质层为通过沉积形成的SiO₂。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法的优选实施例中，还包括：在所述过渡层之上形成所述连接线的同时，在所述过渡层之上形成无源器件。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法的优选实施例中，所述栅极介质层为高介电常数材料Al₂O₃、HfO₂或HfSiON。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法的优选实施例中，所述源极、漏极和栅极在同一平面上。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法的优选实施例中，通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移以形成所述石墨烯薄膜。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法的优选实施例中，还包括步骤：蒸发欧姆接触电阻，以使在所述源极和漏极上形成欧姆接触。

本发明的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法采用倒置工艺，具有如下优点：（1）该方法首先在介质层同时上形成栅极、源极和漏极，以保证器件结构的精度；（2）在金属材料的栅极上生长high-K介质材料的栅极介质层，该工艺较易实现；（3）栅极介质层非常薄，因此栅极、源极和漏极可视为在同一平面上，在形成石墨烯薄膜的过程中，可利用气压形成平整、紧密的石墨烯-电极接触；（4）可实现源漏欧姆接触，并且接触电阻因为金属-石墨烯-金属两面夹的结构以及石墨烯上较少沾污的原因而阻值较小；（5）总体采用倒置工艺双层布线，实现了多指结构，有利于缩小器件面积并提高器件性能。

为达到上述目的，本发明的实施例还公开了一种基于倒置工艺的射频功率管，包括：衬底；形成在所述衬底之上的过渡层；形成在所述过渡层之上的连接线和层间介质层，其中，所述连接线包括源极连接线、漏极连接线和栅极连接线，所述层间介质层填充在所述连接线之间；形成所述层间介质层之上的互相平行的N个源极、N个漏极和2N-1个栅极，所述源极、栅极和漏极按照源极-栅极-漏极-栅极的次序作相邻排列，N个所述源极与源极连接线相连，N个所述漏极与漏极连接线相连，2N-1个所述栅极与所述栅极连接线相连，其中N为正整数；形成在所述栅极之上的栅极介质层；以及形成在所述源极、漏极和栅极介质层之上的石墨烯薄膜的沟道层。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的优选实施例中，所述过渡层为通过热氧化形成的SiO₂。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的优选实施例中，所述层间介质层为通过沉积形成的SiO₂。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的优选实施例中，还包括：形成在所述过渡层之上的无源器件，其中所述无源器件与所述连接线同时形成。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的优选实施例中，所述栅极介质层为高介电常数材料Al₂O₃、HfO₂或HfSiON。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的优选实施例中，所述源极、漏极和栅极在同一平面上。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的优选实施例中，所述石墨烯薄膜通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移形成。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的优选实施例中，还包括：形成在所述源极和漏极上的欧姆接触。

本发明的基于倒置工艺的射频功率管具有倒置结构，具有如下优点：（1）该器件的栅极、源极和漏极是同时形成在介质层上的，器件结构精度较高；（2）high-K介质材料的栅极介质层形成在金属材料的栅极上，可以加工得比较精细；（3）石墨烯与栅极、源极和漏极之间的接触比较平整、紧密；（4）由于接触电阻为金属-石墨烯-金属两面夹的结构，以及石墨烯上较少沾污，使得源漏欧姆接触阻值较小；（5）总体采用倒置工艺双层布线制成，具有多指结构，有利于缩小器件面积并提高器件性能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的基于倒置工艺的射频功率管的原理图；

图2-图10为本发明一个实施例的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图1为本发明的基于倒置工艺的射频功率管的原理图。本发明的射频功率管为多指结构，源漏栅极均为狭长的条状，呈平行放置。多个电极按照“源极-栅极-漏极-栅极”的次序作相邻排列，其中所有源极与器件左侧的源极连接线相接触、所有漏极与器件左侧的漏极连接线相接触、所有栅极与器件右侧的栅极连接线相接触，即形成三组梳状电极，梳齿（即各组电极）做交叉排列，栅极上方具有栅介质薄层，源极、漏极及栅介质薄层的上方覆盖有石墨烯薄膜，其中石墨烯薄膜作为沟道层。图1中的虚线框所示部分可视为一个基础的FETMOS管，则本发明的射频功率管可视为多个FETMOS管并联而成，其中相邻的两个FETMOS管共用一个源极或漏极。

需要指出的是，除了按照“源极-栅极-漏极-栅极”的次序作相邻排列之外，还可按照“漏极-栅极-源极-栅极”的次序作相邻排列，并不改变发明原理的本质，也不改变本发明的效果。

下面参考图2至图10来具体阐述根据本发明实施例的基于倒置工艺的射频功率管形成方法，以及基于倒置工艺的射频功率管。

本发明提出的一种基于倒置工艺的基于倒置工艺的射频功率管形成方法，包括以下步骤：

步骤S1，提供衬底。

具体地，如图2所示，提供衬底100。在本发明的一个优选实施例中，采用单面抛光的高阻Si衬底，晶向<100>，掺杂为N型。

步骤S2，在衬底之上形成过渡层。

具体地，如图3所示，在衬底100之上形成过渡层200。在本发明的一个优选实施例中，对衬底100的上表面进行热氧化处理，使Si转变为SiO₂，作为过渡层200，厚度为0.7-1μm。

步骤S3，在过渡层之上形成连接线，该连接线包括源极连接线、漏极连接线和栅极连接线。

具体地，如图4所示，首先通过溅射等方式在过渡层200上形成连接线层300（例如：Al）厚度约0.7μm。优选地，还可以沉积Al后还可进一步沉积一层较薄的TiN抗反射层（图中未示出），以使提高光刻精度，保证光刻线条质量。然后如图5a（剖视图）和图5b（俯视图）所示，通过光刻和刻蚀等工艺形成源极连接线301、漏极连接线302和栅极连接线303。优选地，形成各条连接线的同时，还可以在过渡层200之上形成无源器件（图中未示出）。

步骤S4，在过渡层之上形成层间介质层，该层间介质层填充在连接线之间。

具体地，如图6a（剖视图）和图6b（俯视图）所示，通过PECVD等方式在源极连接线301、漏极连接线302和栅极连接线303之间沉积厚度约为0.5μm的SiO₂，作为层间介质层400。以及，在层间介质层400的合适位置进行开通孔，开通孔后露出源极连接线301、漏极连接线302和栅极连接线303的一部分，该通孔用于与后续步骤形成的源漏栅电极相连。

步骤S5，在层间介质层之上形成金属接触层，该金属接触层与连接线相连。

具体地，通过溅射等方式在层间介质层400之上形成金属接触层500（例如：Ti、Ti/TiN或Ni）厚度约0.7μm。该金属接触层500通过步骤S4形成的通孔与源极连接线301、漏极连接线302和栅极连接线303相连。

需要说明的是，若金属接触层500的材料的功函数高于（低于）石墨烯，调节石墨烯费米能级，使其表现成p型（n型）。金属功函数和石墨烯功函数的差越大，石墨烯中载流子浓度越大。功函数和石墨烯差越大，载流子浓度越高，有利于降低接触电阻。例如，石墨烯功函数普遍认为是4.3eV，Ti的功函数为3.96eV，则形成n型石墨烯；TiN功函数为5.05-5.15eV，Ni功函数5.15eV，则形成p型石墨烯。选择多种金属电极有利于制备多种石墨烯掺杂水平的器件。TiN、Ni和石墨烯的功函数差距较大，提高了石墨烯中载流子浓度，利于降低接触电阻。

步骤S6，刻蚀金属接触层以形成互相平行的N个源极、N个漏极和2N-1个栅极，其中N为正整数。

具体地，如图7a（剖视图）和图7b（俯视图）所示，采用电子束光刻的工艺，刻蚀金属接触层500以形成互相平行的7个源极501、4个漏极502和7个栅极503。其中，源极501、栅极503和漏极502按照源极-栅极-漏极-栅极（S-G-D-G）的顺序依次相邻排列。4个源极501与源极连接线301相连，4个漏极502与漏极连接线302相连，7个栅极503与栅极连接线303相连。

射频功率管中，一般将栅极线条做的较细以提高器件射频特性。在一个具体实施例中，栅极线条的宽度为200-300nm，源极线条和漏极线条的宽度为微米级，栅极与源漏极之间的开槽宽度200nm。

需要说明的是，本发明的源漏栅极的数目仅为示例的方便，而非本发明的限定。并且源极501、栅极503和漏极502也可以按照漏极-栅极-源极-栅极（D-G-S-G）的顺序依次相邻排列，原理相同，效果不变。

步骤S7，在栅极之上形成栅极介质层。

具体地，如图8a（剖视图）和图8b（俯视图）所示，通过原子层沉积（ALD）在器件表面生长一层高介电常数（High-K）介质材料（例如：Al₂O₃、HfO₂或HfSiON），其二氧化硅等效厚度（EOT）约为1.5nm。然后通过光刻和刻蚀工艺去除其他地区的High-K介质材料，即仅在栅极503上保留High-K介质材料作为栅极介质层600。其中，栅极介质层600由于其材料特性，能在较大的物理厚度形成较小的，从而阻止漏电，提高器件的栅控能力。

步骤S8、在源极、漏极、和栅极介质层之上形成石墨烯薄膜作为基于倒置工艺的射频功率管的沟道层。

具体地，如图9a（剖视图）和图9b（俯视图）所示，通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移方法，在源极501、漏极502和栅极503上形成石墨烯薄膜作为沟道层700。由于源极501、漏极502和栅极503由同一金属接触层500加工形成，其高度基本一致，而栅极503上新增加的栅极介质层600厚度较薄，故可以视为源漏栅极仍处于同一平面上，因此沉积的石墨烯薄膜可以利用气压平整紧密地贴合在源漏栅极顶部，有效避免了转移覆盖不紧密，达到紧密吸附的有益效果。图9c是沿着图9b中的直线L1进行的纵向剖面图，可以清楚地看到源漏栅极有序排列，石墨烯作为沟道层从上方将源极和漏极相连。

在本发明的一个优选实施例中，还可包括：步骤S9，蒸发欧姆接触电阻，以使在所述源极和漏极上形成欧姆接触。

具体的，如图10a（俯视图）所示，在形成石墨烯薄膜的沟道层700之后，在源极S和漏极D与沟道层700接触的位置通过蒸发等工艺形成几十纳米（通常取经验值40nm）厚度的金属材料及金属材料的组合（例如：Ti+Au，Ti+Pd+Au，Pd+Au），以形成欧姆接触800。图10b为图10a沿着直线L2进行的纵向剖面图，可以清楚地看到源极和漏极的位置形成了“欧姆接触800-沟道层700-源极501/漏极502”的两面夹结构的电极，该电极不仅有着较高的强度，也有利于降低源漏接触的电阻。

本发明还提出了一种基于倒置工艺的射频功率管，包括：衬底100；形成在衬底100之上的过渡层200；形成在过渡层200之上的连接线和层间介质层400，其中，连接线包括源极连接线301、漏极连接线302和栅极连接线303，层间介质层400填充在连接线之间；形成层间介质层400之上的互相平行的N个源极501、N个漏极502和2N-1个栅极503，源极501、栅极503和漏极502按照源极-栅极-漏极-栅极的次序作相邻排列，N个源极501与源极连接线301相连，N个漏极502与漏极连接线302相连，2N-1个栅极503与栅极连接线303相连，其中N为正整数；形成在栅极503之上的栅极介质层600；以及形成在源极501、漏极502和栅极介质层600之上的石墨烯薄膜的沟道层700。

具体地，过渡层200为通过热氧化形成的SiO₂；层间介质层400为通过沉积形成的SiO₂；栅极介质层600可为高介电常数介质材料Al₂O₃、HfO₂或HfSiON；石墨烯薄膜700为通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移形成。需要说明的是，其中，源极501、漏极502和栅极503在同一平面上。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的优选实施例中，还包括：形成在过渡层200之上的无源器件（图中未示出），其中无源器件与源极连接线301、漏极连接线302和栅极连接线303同时形成。

在本发明的基于倒置工艺的射频功率管的优选实施例中，还包括：形成在源极501和漏极502上的欧姆接触800。。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种基于倒置工艺的射频功率管的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供衬底；

在所述衬底之上形成过渡层；

在所述过渡层之上形成连接线，所述连接线包括源极连接线、漏极连接线和栅极连接线；

在所述过渡层之上形成层间介质层，所述层间介质层填充在所述连接线之间；

在所述层间介质层之上形成金属接触层，所述金属接触层与所述连接线相连；

刻蚀所述金属接触层以形成互相平行的N个源极、N个漏极和2N-1个栅极，其中，所述源极、栅极和漏极按照源极-栅极-漏极-栅极的顺序依次相邻排列，N个所述源极与源极连接线相连，N个所述漏极与漏极连接线相连，2N-1个所述栅极与所述栅极连接线相连，其中N为正整数；

在所述栅极之上形成栅极介质层；以及

在所述源极、漏极、和栅极介质层之上形成石墨烯薄膜作为所述基于倒置工艺的射频功率管的沟道层。

2.如权利要求1所述的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法，其特征在于，所述过渡层为通过热氧化形成的SiO₂。

3.如权利要求1所述的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法，其特征在于，所述层间介质层为通过沉积形成的SiO₂。

4.如权利要求1-3任一项所述的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法，其特征在于，还包括：在所述过渡层之上形成所述连接线的同时，在所述过渡层之上形成无源器件。

5.如权利要求4所述的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法，其特征在于，所述栅极介质层为高介电常数材料Al₂O₃、HfO₂或HfSiON。

6.如权利要求5所述的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法，其特征在于，所述源极、漏极和栅极在同一平面上。

7.如权利要求6所述的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法，其特征在于，通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移以形成所述石墨烯薄膜。

8.如权利要求7所述的基于倒置工艺的射频功率管的形成方法，其特征在于，还包括步骤：蒸发欧姆接触电阻，以使在所述源极和漏极上形成欧姆接触。

9.一种基于倒置工艺的射频功率管，其特征在于，包括：

衬底；

形成在所述衬底之上的过渡层；

形成在所述过渡层之上的连接线和层间介质层，其中，所述连接线包括源极连接线、漏极连接线和栅极连接线，所述层间介质层填充在所述连接线之间；

形成所述层间介质层之上的互相平行的N个源极、N个漏极和2N-1个栅极，所述源极、栅极和漏极按照源极-栅极-漏极-栅极的次序作相邻排列，N个所述源极与源极连接线相连，N个所述漏极与漏极连接线相连，2N-1个所述栅极与所述栅极连接线相连，其中N为正整数；

形成在所述栅极之上的栅极介质层；以及

形成在所述源极、漏极和栅极介质层之上的石墨烯薄膜的沟道层。

10.如权利要求9所述的基于倒置工艺的射频功率管，其特征在于，所述过渡层为通过热氧化形成的SiO₂。

11.如权利要求9所述的基于倒置工艺的射频功率管，其特征在于，所述层间介质层为通过沉积形成的SiO₂。

12.如权利要求9-11所述的基于倒置工艺的射频功率管，其特征在于，还包括：形成在所述过渡层之上的无源器件，其中所述无源器件与所述连接线同时形成。

13.如权利要求12所述的基于倒置工艺的射频功率管，其特征在于，所述栅极介质层为高介电常数材料Al₂O₃、HfO₂或HfSiON。

14.如权利要求13所述的基于倒置工艺的射频功率管，其特征在于，所述源极、漏极和栅极在同一平面上。

15.如权利要求14所述的基于倒置工艺的射频功率管，其特征在于，所述石墨烯薄膜通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移形成。

16.如权利要求15所述的基于倒置工艺的射频功率管，其特征在于，还包括：形成在所述源极和漏极上的欧姆接触。