CN107919396B - 基于WO3/Al2O3双层栅介质的零栅源间距金刚石场效应晶体管及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于WO3/Al2O3双层栅介质的零栅源间距金刚石场效应晶体管及制作方法，主要解决现有金刚石场效应晶体管导通电阻大，输出电流和跨导低的问题。其包括金刚石衬底(1)、氢终端表面(2)、WO3第一栅介质层(3)、Al2O3第二栅介质层(4)、源电极(5)、漏电极(6)和栅电极(7)，其中源、漏极位于氢终端表面上的两侧，第一栅介质层位于源、漏极之间的氢终端表面上并覆盖部分源、漏极，第二栅介质层覆盖在第一栅介质层之上，其上方的栅电极下半部分镶嵌在源、漏极之间，上半部分隔着2层栅介质覆盖在源、漏极之上，形成T型栅结构。本发明导通电阻小，跨导和输出电流高，可用于功率器件和电力电子器件。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，具体地说是一种零栅源间距金属-绝缘层-半导体场效应晶体管MISFET，可用于功率器件、数字逻辑电路器件或电力电子器件等。
背景技术
金刚石是一种超宽禁带半导体材料，具有高击穿电场、高载流子迁移率、极高热导率等一系列优点，被业界称为终极半导体材料。然而目前可用于金刚石掺杂的杂质激活能较高，因而体掺杂电导过小，难以应用于电子器件。但是金刚石表面氢化后形成氢终端金刚石，会吸附空气中的活性分子或原子基团，诱导出二维空穴气2DHG，获得表面p 型导电沟道，这可以有效的解决金刚石材料掺杂剂难以激活的问题。
2014年Jiangwei Liu等人制备出了SD-ZrO2/ALD-Al2O3双层介质的零栅源间距氢终端金刚石场效应管，借鉴Liu J,Liao M,Imura M,et al.Low on-resistance diamondfield effect transistor with high-k ZrO2as dielectric[J].Sci Rep,2014,4(7416):6395.其导通电阻为 29.7Ω.mm，最大饱和电流为224.1mA.mm-1，最大跨导为70.4mS.mm-1；同等栅长条件下，具有栅源间距的常规器件结构，其导通电阻为208.4Ω.mm，最大饱和电流为29.3mA.mm-1，最大跨导为10.1mS.mm-1，通过对比可以发现，零栅源间距结构可以减小导通电阻，增大跨导，提高输出电流；但是，该报告所采用的介质本身在氢终端金刚石表面并没有提高电流的作用，因此，仅凭借零栅源间距结构，对器件输出电流的提升程度还不够高。
发明内容
本发明的目的在于针对一般氢终端金刚石场效应晶体管导通电阻大，输出电流小以及跨导低的不足，利用WO3对氢终端金刚石具有表面转移掺杂作用来提高二维空穴气电导，并利用零栅源间距结构的优点，提出一种基于WO3/Al2O3双层栅介质的零栅源间距金刚石场效应晶体管及制作方法，在保证器件的击穿特性前提下，进一步减小导通电阻，提高输出电流。
为实现上述目的，本发明基于WO3/Al2O3双层栅介质的零栅源间距金刚石场效应晶体管，包括金刚石衬底、氢终端表面、第一栅介质层、第二栅介质层、源电极、漏电极和栅电极，源、漏电极位于氢终端表面上的两侧，第一栅介质层位于源、漏电极之间的氢终端表面上并覆盖源、漏电极的部分表面，第二栅介质层覆盖在第一栅介质层的上方，其特征在于：
栅电极位于第二栅介质层的上方，且下半部分镶嵌在源、漏电极之间，上半部分隔着2层栅介质分别覆盖在源、漏电极之上，使得栅、源和栅、漏之间的横向间距都为零，形成T型栅结构；
第一栅介质层采用具有高功函数的过渡金属氧化物WO3材料，第二栅介质层采用Al2O3材料。
作为优选，所述衬底为化学气相淀积CVD方法制备的单晶金刚石或者多晶金刚石。
作为优选，所述WO3第一栅介质层的厚度为10～40nm，其覆盖在源、漏电极之间的氢终端表面以及源、漏电极的部分表面之上。
作为优选，所述Al2O3第二栅介质层的厚度为5～50nm，其覆盖在WO3第一栅介质层的上方。
作为优选，所述T型栅的上半部分长度为6～10μm，厚度为80～180nm，下半部分长度为2～6μm，厚度为80～180nm。
作为优选，所述源、漏电极采用厚度为80～180nm的金属Au，栅电极采用厚度为 80～180nm的金属Al。
为实现上述目的，本发明基于WO3/Al2O3双层栅介质的零栅源间距金刚石场效应晶体管制作方法，包括如下步骤：
1)在850～900℃下，将金刚石衬底置于氢等离子体中处理5～30min，并在氢气氛围中冷却到室温，形成氢终端表面；
2)在氢终端金刚石表面采用热蒸发或电子束蒸发工艺淀积一层厚度为80～180nm的 Au，保护氢终端表面，并与其形成欧姆接触；
3)制作器件的隔离区：
在金膜上旋涂光刻胶，利用光刻机进行曝光，做出隔离区图案，再利用KI/I2溶液湿法腐蚀将隔离区中的金膜腐蚀掉，暴露出氢终端表面；
把腐蚀后的样品置于氧等离子体中，使暴露出的氢终端表面转化为高阻的氧终端表面，形成器件的隔离区，再去除残余的光刻胶；
4)旋涂光刻胶，在保留的金膜上方通过光刻工艺做出栅窗口图形；
5)以KI/I2溶液作为腐蚀溶液，用湿法腐蚀的方法腐蚀掉栅窗口下方的Au，将剩余的Au作为器件的源极和漏极，并去除残余的光刻胶；
6)制作WO3第一栅介质层：
先在经过步骤5)之后的样品表面淀积一层10～40nm厚的WO3介质层；
再在WO3介质层上旋涂光刻胶，通过光刻工艺在WO3介质层上做出第一栅介质层的图形，并用盐酸湿法腐蚀掉第一栅介质图形之外的WO3，得到WO3第一栅介质层，去除残余的光刻胶；
7)制作Al2O3第二栅介质层：
先在经过步骤6)之后的样品表面淀积一层5～50nm厚的Al2O3介质层；
再在Al2O3介质层上旋涂光刻胶，通过光刻工艺在Al2O3介质层上做出第二栅介质层的图形，并干法腐蚀掉第二栅介质图形之外的Al2O3，得到Al2O3第二栅介质层，去除残余的光刻胶；
8)旋涂光刻胶，通过光刻工艺在Al2O3第二栅介质层上方做出栅金属窗口，再采用金属蒸发的方法制备一层80～180nm厚的铝膜，金属剥离之后得到栅电极，完成整个器件的制备。
本发明具有如下优点：
1.本发明器件由于采用零栅源间距的T型栅结构，使得栅极与源极、栅极与漏极分别部分交叠，减小了源极和漏极之间总的串联电阻，从而减小导通电阻，提高输出电流和跨导。
2.本发明器件由于采用WO3/Al2O3双层栅介质，通过WO3第一栅介质层来提高器件表面沟道电导，进一步减小了导通电阻、提高输出电流；通过Al2O3第二栅介质层降低器件的栅漏电，提高了击穿电压。
附图说明
图1是本发明器件的结构示意图；
图2是图1中水平a方向的剖视图；
图3是图1中垂直b方向的剖视图；
图4是本发明器件的制作工艺流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述。
参照图1、图2和图3，本发明器件包括衬底1、氢终端表面2、第一栅介质层3、第二栅介质层4、源电极5、漏电极6、栅电极7。其中衬底1采用单晶或者多晶金刚石衬底，氢终端表面2位于金刚石衬底的上方；源极和漏极均采用厚度为80～180nm的Au 材料，其分别位于氢终端表面的两侧；第一栅介质层3采用厚度为10～40nm的具有高功函数的过渡金属氧化物WO3，其位于在源、漏电极之间的氢终端表面上并覆盖部分源、漏电极；第二栅介质层4位于第一栅介质层3的上面，采用厚度为5～50nm的Al2O3；栅电极采用Al材料，其位于第二栅介质层4的上方，形状为T型栅结构，且下半部分长度为2～6μm，厚度为80～180nm，镶嵌在源、漏电极之间，上半部分长度为6～10μm，厚度为80～180nm，隔着2层栅介质覆盖在源、漏电极之上，栅极与源极、栅极与漏极之间的横向间距都为零。
参照图4，本发明给出制备基于WO3/Al2O3双层栅介质的零栅源间距金刚石场效应晶体管的如下三个实施例。
实施例1：制作衬底为单晶金刚石，WO3栅介质层厚度为10nm，Al2O3栅介质层厚度为5nm，T型栅的上半部分和下半部分长度分别为6μm和2μm的场效应晶体管。
步骤1：在单晶金刚石衬底上生成氢终端表面。
将单晶金刚石衬底置于反应室中的氢等离子体中，反应室内通入流量为500sccm的氢气，设置压强为80mbar，在温度为800℃下，停置5min，以在金刚石衬底上生成氢终端表面，结果如图4(a)。
步骤2：在氢终端表面生长金膜。
在氢终端表面用热蒸发工艺淀积一层80nm厚的金膜，作为氢终端表面的保护层，生长结果如图4(b)。
步骤3：制作器件的隔离。
在金膜上旋涂光刻胶，利用光刻机进行曝光，做出隔离区图案，再利用湿法腐蚀工艺，用KI/I2溶液处理35s，将隔离区的金膜腐蚀掉，暴露出氢终端表面；
把腐蚀之后的样品置于氧等离子体中，停置5min，使暴露出的氢终端表面转换成高阻的氧终端表面，形成器件的隔离区；再将样品用丙酮浸泡5分钟后，超声1分钟去除样品表面残余的光刻胶。。
步骤4：制作源、漏电极。
在步骤3之后的样品表面旋涂光刻胶，通过接触式光刻做出栅窗口图形，然后以湿法腐蚀的方法，利用KI/I2溶液腐蚀35s，腐蚀掉栅窗口下方的金膜，形成源极和漏极；再将样品用丙酮浸泡5分钟后，超声1分钟去除样品表面残余的光刻胶，结果如图4(c)。
步骤5：制作WO3第一栅介质层。
采用真空热蒸发工艺在步骤4之后的样品上先淀积一层10nm厚的WO3，在WO3层上旋涂光刻胶，再通过光刻工艺在WO3层上做出第一栅介质层的图形，并用盐酸湿法腐蚀掉该栅介质层图形之外的介质，得到WO3第一层栅介质层；再将样品用丙酮浸泡5 分钟后，超声1分钟去除样品表面残余的光刻胶，结果如图4(d)。
步骤6：制作Al2O3第二栅介质层。
采用先淀积Al膜再氧化的方法在步骤5之后的样品上淀积一层5nm厚的Al2O3；在Al2O3介质层上旋涂光刻胶，再通过光刻工艺在Al2O3介质层上做出第二栅介质层的图形，并用反应离子刻蚀RIE刻蚀掉该栅介质层图形之外的介质，得到Al2O3第二层栅介质层；再将样品用丙酮浸泡5分钟后，超声1分钟去除样品表面残余的光刻胶，结果如图4(e)。
步骤7:制作栅电极。
在步骤6之后的表面旋涂光刻胶，利用光刻技术在Al2O3第二栅介质层上形成栅电极图形，再采用金属蒸发工艺在Al2O3栅介质上淀积一层80nm厚的Al，金属剥离后得到器件的栅电极，完成整个场效应晶体管的制备，结果如图4(f)。
实施例2：制作衬底为多晶金刚石，WO3栅介质层厚度为20nm，Al2O3栅介质层厚度为20nm，T型栅的上半部分和下半部分长度分别为8μm和4μm的场效应晶体管。
步骤一：在多晶金刚石衬底上生成氢终端表面。
将单晶金刚石衬底置于反应室中的氢等离子体中，反应室内通入流量为750sccm的氢气，设置压强为110mbar，在温度为850℃下，停置15min，以在金刚石衬底上生成氢终端表面，结果如图4(a)。
步骤二：在氢终端表面生长金膜。
在氢终端表面用热蒸发工艺淀积一层100nm厚的金膜，作为氢终端表面的保护层，生长结果如图4(b)。
步骤三：制作器件的隔离。
在金膜上旋涂光刻胶，利用光刻机进行曝光，做出隔离区图案，再利用湿法腐蚀工艺，用KI/I2溶液处理45s，将隔离区的金膜腐蚀掉，暴露出氢终端表面；
把腐蚀之后的样品置于氧等离子体中，停置15min，使暴露出的氢终端表面转换成高阻的氧终端表面，形成器件的隔离区；再将样品用丙酮浸泡5分钟后，超声1分钟去除样品表面残余的光刻胶。
步骤四：制作源、漏电极。
在步骤三之后的样品表面旋涂光刻胶，通过接触式光刻做出栅窗口图形，然后以湿法腐蚀的方法，利用KI/I2溶液腐蚀45s，腐蚀掉栅窗口下方的金膜，形成源极和漏极；再将样品用丙酮浸泡5分钟后，超声1分钟去除样品表面残余的光刻胶，结果如图4(c)。
步骤五：制作WO3第一栅介质层。
采用电子束蒸发工艺在步骤四之后的样品上先淀积一层20nm厚的WO3，在WO3层上旋涂光刻胶，再通过光刻工艺在WO3层上做出第一栅介质层的图形，并用盐酸湿法腐蚀掉该栅介质层图形之外的介质，得到WO3第一层栅介质层；再将样品用丙酮浸泡5 分钟后，超声1分钟去除样品表面残余的光刻胶，结果如图4(d)。
步骤六：制作Al2O3第二栅介质层。
采用低温原子层外延工艺在步骤五之后的样品上先淀积一层20nm厚的Al2O3；在Al2O3介质层上旋涂光刻胶，再通过光刻工艺在Al2O3介质层上做出第二栅介质层的图形，并用感应耦合等离子体ICP刻蚀掉该栅介质层图形之外的介质，得到Al2O3第二层栅介质层；再将样品用丙酮浸泡5分钟后，超声1分钟去除样品表面残余的光刻胶，结果如图4 (e)。
步骤七:制作栅电极。
在步骤六之后的表面旋涂光刻胶，利用光刻技术在Al2O3第二栅介质层上先形成栅电极图形，再采用金属蒸发工艺在Al2O3栅介质上淀积一层120nm厚的Al，金属剥离后得到器件的栅电极，完成整个场效应晶体管的制备，结果如图4(f)。
实施例3：制作衬底为单晶金刚石，WO3栅介质层厚度为40nm，Al2O3栅介质层厚度为50nm，T型栅的上半部分和下半部分长度分别为10μm和6μm的场效应晶体管。
步骤A：将单晶金刚石衬底置于反应室中的氢等离子体中，向反应室内通入流量为1000sccm的氢气，设置压强为150mbar，在温度为950℃下，停置30min，以在金刚石衬底上生成氢终端表面，结果如图4(a)。
步骤B:在氢终端表面用热蒸发工艺淀积一层180nm厚的金膜，作为氢终端表面的保护层，生长结果如图4(b)。
步骤C：在金膜上旋涂光刻胶，利用光刻机进行曝光，做出隔离区图案，再利用湿法腐蚀工艺，用KI/I2溶液处理60s，将隔离区的金膜腐蚀掉，暴露出氢终端表面；把腐蚀之后的样品置于氧等离子体中，停置30min，使暴露出的氢终端表面转换成高阻的氧终端表面，形成器件的隔离区；再将样品用丙酮浸泡5分钟后，超声1分钟去除样品表面残余的光刻胶。
步骤D：在步骤C之后的样品表面旋涂光刻胶，通过接触式光刻做出栅窗口图形，然后以湿法腐蚀的方法，利用KI/I2溶液腐蚀60s，腐蚀掉栅窗口下方的金膜，形成源极和漏极；再将样品用丙酮浸泡5分钟后，超声1分钟去除样品表面残余的光刻胶，结果如图4(c)。
步骤E：采用ALD法在步骤D之后的样品上先淀积一层40nm厚的WO3，在WO3层上旋涂光刻胶，再通过光刻工艺在WO3层上做出第一栅介质层的图形，并用盐酸湿法腐蚀掉该栅介质层图形之外的介质，得到WO3第一层栅介质层；再将样品用丙酮浸泡5 分钟后，超声1分钟去除样品表面残余的光刻胶，结果如图4(d)。
步骤F：采用溅射法在步骤E之后的样品上先淀积一层50nm厚的Al2O3；在Al2O3介质层上旋涂光刻胶，再通过光刻工艺在Al2O3介质层上做出第二栅介质层的图形，并用 ICP刻蚀掉该栅介质层图形之外的介质，得到Al2O3第二层栅介质层；再将样品用丙酮浸泡5分钟后，超声1分钟去除样品表面残余的光刻胶，结果如图4(e)。
步骤G:在步骤F之后的表面旋涂光刻胶，利用光刻技术在Al2O3第二栅介质层上形成栅电极图形，再采用金属蒸发工艺在Al2O3栅介质上淀积一层180nm厚的Al，金属剥离后得到器件的栅电极，完成整个场效应晶体管的制备，结果如图4(f)。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理之后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于WO3/Al2O3双层栅介质的零栅源间距金刚石场效应晶体管，包括金刚石衬底(1)、氢终端表面(2)、第一栅介质层(3)、第二栅介质层(4)、源电极(5)、漏电极(6)和栅电极(7)，源、漏电极位于氢终端表面上的两侧，第一栅介质层(3)位于源、漏电极之间的氢终端表面上并覆盖源、漏电极的部分表面，第二栅介质层(4)覆盖在第一栅介质层(3)的上方，其特征在于：
栅电极(7)位于第二栅介质层(4)的上方，且下半部分镶嵌在源、漏电极之间，上半部分隔着2层栅介质分别覆盖在源、漏电极之上，使得栅、源和栅、漏之间的横向间距都为零，形成T型栅结构；
第一栅介质层(3)采用具有高功函数的过渡金属氧化物WO3材料，第二栅介质层(4)采用Al2O3材料。
2.根据权利要求1所述的晶体管，其中衬底(1)为化学气相淀积CVD方法制备的单晶金刚石或者多晶金刚石。
3.根据权利要求1所述的晶体管，其中WO3第一栅介质层(3)的厚度为10～40nm，其覆盖在源、漏电极之间的氢终端表面以及源、漏电极的部分表面之上。
4.根据权利要求1所述的晶体管，其中Al2O3第二栅介质层(4)的厚度为5～50nm，其覆盖在WO3第一栅介质层(3)的上方。
5.根据权利要求1所述的晶体管，其中T型栅的上半部分长度为6～10μm，厚度为80～180nm，下半部分长度为2～6μm，厚度为80～180nm。
6.根据权利要求1所述的晶体管，其中源、漏电极采用厚度为80～180nm的金属Au，栅电极采用厚度为80～180nm的金属Al。
7.一种基于WO3/Al2O3双层栅介质的零栅源间距金刚石场效应晶体管的制造方法，包括如下步骤：
1)在850～900℃下，将金刚石衬底置于氢等离子体中处理5～30min，并在氢气氛围中冷却到室温，形成氢终端表面；
2)在氢终端金刚石表面采用热蒸发或电子束蒸发工艺淀积一层厚度为80～180nm的Au，保护氢终端表面，并与其形成欧姆接触；
3)制作器件的隔离区：
在金膜上旋涂光刻胶，利用光刻机进行曝光，做出隔离区图案，再利用KI/I2溶液湿法腐蚀将隔离区中的金膜腐蚀掉，暴露出氢终端表面；
把腐蚀后的样品置于氧等离子体中，使暴露出的氢终端表面转化为高阻的氧终端表面，形成器件的隔离区，再去除残余的光刻胶；
4)旋涂光刻胶，在保留的金膜上方通过光刻工艺做出栅窗口图形；
5)以KI/I2溶液作为腐蚀溶液，用湿法腐蚀的方法腐蚀掉栅窗口下方的Au，将剩余的Au作为器件的源极和漏极，并去除残余的光刻胶；
6)制作WO3第一栅介质层：
先在经过步骤5)之后的样品表面淀积一层10～40nm厚的WO3介质层；
再在WO3介质层上旋涂光刻胶，通过光刻工艺在WO3介质层上做出第一栅介质层的图形，并用盐酸湿法腐蚀掉第一栅介质图形之外的WO3，得到WO3第一栅介质层，去除残余的光刻胶；
7)制作Al2O3第二栅介质层：
先在经过步骤6)之后的样品表面淀积一层5～50nm厚的Al2O3介质层；
再在Al2O3介质层上旋涂光刻胶，通过光刻工艺在Al2O3介质层上做出第二栅介质层的图形，并干法腐蚀掉第二栅介质图形之外的Al2O3，得到Al2O3第二栅介质层，去除残余的光刻胶；
8)旋涂光刻胶，通过光刻工艺在Al2O3第二栅介质层上方做出栅金属窗口，再采用金属蒸发的方法制备一层80～180nm厚的铝膜，金属剥离之后得到栅电极，完成整个器件的制备。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
步骤3)、5)、6)和7)中的去除残余光刻胶，采用丙酮浸泡5～15分钟后，超声去除光刻胶的方法实现；
步骤3)、4)、6)、7)、8)中的光刻，采用接触式光刻。
9.根据权利要求7所述的方法，其中步骤6)中的WO3介质层通过真空热蒸发法或电子束蒸发法或原子层外延ALD的方法制备。
10.根据权利要求7所述的方法，其中步骤7)中的Al2O3介质层通过低温原子层外延ALD方法或溅射或先淀积Al膜再氧化的方法制备，该介质层的干法刻蚀通过反应离子刻蚀RIE或感应耦合等离子体ICP实现。
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