CN109273354A - 金刚石器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于半导体技术领域，提供了一种金刚石器件及其制备方法。所述制备方法包括：在金刚石的源电极区和漏电极区沉积石墨烯催化层；将沉积石墨烯催化层的金刚石进行退火处理，在所述金刚石中的源电极区和漏电极区形成石墨烯层；在所述石墨烯层与源电极区对应区域的上表面沉积金属层形成欧姆接触源电极，在所述石墨烯层与漏电极区对应区域的上表面沉积金属层形成欧姆接触漏电极。本发明能够降低金刚石器件的源极和漏极的欧姆接触电阻，提高金刚石器件的频率性能，进而也提高了金刚石器件的性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种金刚石器件及其制备方法。
背景技术
金刚石具有超宽禁带宽度、超高击穿电场、高载流子迁移率、极高热导率和极强抗辐射能力等特征，金刚石器件具有工作温度高、击穿场强大、截止频率高、功率密度大等优点，是未来微波大功率领域的首选。
金刚石器件源极的欧姆接触电阻，以及漏极的欧姆接触电阻均是金刚石器件的寄生电阻的主要来源，金刚石器件的寄生电阻决定了晶体管性能好坏。现有的金刚石器件，源极和漏极的欧姆接触电阻均较大，导致金刚石器件的频率性能下降，降低了金刚石器件的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种金刚石器件及其制备方法，以解决现有技术中金刚石器件的源极和栅极的欧姆接触电阻较大的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种金刚石器件的制备方法，包括：
在金刚石的源电极区和漏电极区沉积石墨烯催化层；
将沉积石墨烯催化层的金刚石进行退火处理，在所述金刚石中的源电极区和漏电极区形成石墨烯层；
在所述石墨烯层与源电极区对应区域的上表面沉积金属层形成欧姆接触源电极，在所述石墨烯层与漏电极区对应区域的上表面沉积金属层形成欧姆接触漏电极。
可选的，所述在金刚石的源电极区和漏电极区沉积石墨烯催化层，包括：
在所述金刚石的上表面沉积石墨烯催化层；
在所述石墨烯催化层与源电极区对应的区域和与漏电极区对应的区域上分别涂覆光刻胶层；
去除所述金刚石中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层；
去除所述光刻胶层。
可选的，所述在所述金刚石的上表面沉积石墨烯催化层，包括：
通过磁控溅射法、离子束沉积法和电子束蒸发法中的任一种沉积方法在所述金刚石的上表面沉积石墨烯催化层。
可选的，所述去除所述金刚石中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层，包括：
通过硝酸溶液、硫酸溶液、盐酸溶液和氢氟酸溶液中的任一种溶液，对所述金刚石中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层进行腐蚀处理。
可选的，所述石墨烯催化层的材质为金属镍。
可选的，所述石墨烯催化层的厚度小于200nm。
可选的，所述退火处理的处理温度为900℃至950℃，退火时间为5分钟至10分钟，降温速率为5℃/s至10℃/s。
可选的，所述在所述石墨烯层与源电极区对应区域的上表面沉积金属层形成欧姆接触源电极，在所述石墨烯层与漏电极区对应区域的上表面沉积金属层形成欧姆接触漏电极，包括：
在所述金刚石中除源电极区和漏电极区以外区域的上表面涂覆光刻胶层；
在所述石墨烯层与源电极区对应区域的上表面和所述石墨烯层与漏电极区对应区域的上表面均沉积金属层；
去除所述光刻胶层。
可选的，所述金属层的材质为钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴和铁中的任一种金属或至少两种金属相互组合的合金。
本发明实施例第二方面提供了一种金刚石器件，通过如本发明实施例第一方面所述的任意一种金刚石器件的制备方法制备得到。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例将沉积石墨烯催化层的金刚石进行退火处理，金刚石中的源电极区和漏电极区在石墨烯催化层的催化下形成石墨烯层，并在所述石墨烯层与源电极区对应区域的上表面和所述石墨烯层与漏电极区对应区域的上表面沉积金属层，使石墨烯与金刚石之间、以及石墨烯与金属层之间形成良好的欧姆接触，极大的减小了金刚石器件的欧姆接触电阻，提高金刚石器件的性能，且不需要石墨烯二次转移到金刚石表面的过程，避免了转移过程中杂质和缺陷的引入，保证了金刚石器件的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的金刚石器件的制备方法的实现流程示意图；
图2是本发明实施例一提供的步骤S101制备的结构示意图；
图3是图1的步骤S101的具体实现流程示意图；
图4是本发明实施例一提供的步骤S201制备的结构示意图；
图5是本发明实施例一提供的步骤S202制备的结构示意图；
图6是本发明实施例一提供的步骤S203制备的结构示意图；
图7是本发明实施例一提供的步骤S102制备的结构示意图；
图8是本发明实施例一提供的步骤S103制备的结构示意图；
图9是图1的步骤S103的具体实现流程示意图；
图10是本发明实施例一提供的步骤S301制备的结构示意图；
图11是本发明实施例一提供的步骤S302制备的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一
请参考图1，为本实施例提供的一种金刚石器件的制备方法，包括：
步骤S101，在金刚石110的源电极区和漏电极区沉积石墨烯催化层120。
其中，金刚石110为带有导电沟道的多晶金刚石。
参见图2，为本实施例提供的步骤S101制备的结构示意图。
一个实施例中，所述在金刚石110的源电极区和漏电极区沉积石墨烯催化层120之前，还包括：
通过氢等离子体处理法、化学掺杂法和B掺杂法中任一种方法在金刚石110表面形成导电沟道。其中，金刚石110的导电沟道可以为n型导电沟道，也可以是p型导电沟道。
一个实施例中，参见图3，步骤S101中在金刚石110的源电极区和漏电极区沉积石墨烯催化层120的具体实现流程包括：
步骤S201，在所述金刚石110的上表面沉积石墨烯催化层120。
具体的，参见图4，是实施例提供的步骤S201制备的结构示意图，直接在金刚石110的上表面沉积一层石墨烯催化层120，形成图4中示出的结构。
一个实施例中，所述在金刚石110的上表面沉积石墨烯催化层120，包括：
通过磁控溅射法、离子束沉积法和电子束蒸发法中的任一种沉积方法在所述金刚石110的上表面沉积石墨烯催化层120。
可选的，还可以通过电镀、物理气相沉积、化学气相沉积或化学镀等工艺在金刚石110的上表面沉积石墨烯催化层120。
示例性的，通过电镀工艺在金刚石110的上表面沉积石墨烯催化层120，然后通过旋涂、喷涂和丝网印刷等工艺在石墨烯催化层120上表面涂覆光刻胶层130，与其他沉积方式相比，电镀工艺能够在特定区域进行定向沉积，并且具有沉积速度快、技术成熟度高、沉积膜层平整致密、成本低等优点。
步骤S202，在石墨烯催化层120与源电极区对应的区域和与漏电极区对应的区域上分别涂覆光刻胶层130。
具体的，参见图5，是实施例提供的步骤S202制备的结构示意图，石墨烯催化层120与源电极区对应的区域和与漏电极区对应的区域上分别涂覆光刻胶层130形成图5中示出的结构。
可选的，光刻胶层130的材质可以是SU-8光刻胶或光敏BCB胶。本实施对光刻胶的材质不做限定。
一个实施例中，在石墨烯催化层120与源电极区对应的区域和与漏电极区对应的区域上分别涂覆光刻胶层130，包括：
在石墨烯催化层120上涂覆光刻胶层130。
去除所述金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的光刻胶层130，得到图5中示出的结构。
步骤S203，去除金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层120。
参见图6，是实施例提供的步骤S203制备的结构示意图，去除金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层120形成图6中示出的结构。
金刚石110中源电极区上表面的石墨烯催化层120和漏电极区上表面的石墨烯催化层120涂覆了光刻胶层130。光刻胶层130用于在去除金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层120时，对源电极区上表面的石墨烯催化层120和漏电极区上表面的石墨烯催化层120进行保护。
一个实施例中，所述去除所述金刚石中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层120，包括：
通过硝酸溶液、硫酸溶液、盐酸溶液和氢氟酸溶液中的任一种溶液，对所述金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层120进行腐蚀处理。
具体的，将金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层120通过硝酸溶液进行腐蚀处理，或将金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层120通过硫酸溶液进行腐蚀处理，或将金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层120通过盐酸溶液进行腐蚀处理，或将金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层120通过氢氟酸溶液进行腐蚀处理。
步骤S204，去除所述光刻胶层。
具体的，将金刚石110中源电极区对应区域的石墨烯催化层120和漏电极区对应区域的石墨烯催化层120上的光刻胶层130去除，留下金刚石的源电极区上的石墨烯催化层120，以及留下金刚石的漏电极区上的石墨烯催化层120，得到图2示出的结构示意图。
可选的，去除光刻胶层130可以用湿法刻蚀去除光刻胶，还可以是其他的光刻方法。本实施对于去除光刻胶层130的方法不做限定。
一个实施例中，石墨烯催化层120的材质为金属镍。
应理解，本实施例仅是对石墨烯催化层120的材质进行举例说明，并不是对石墨烯催化层120的材质的限定，石墨烯催化层120的材质还可以为其他金属，例如铜、铝等金属材质。
一个实施例中，石墨烯催化层120的厚度小于200nm。
实际应用中，石墨烯催化层120的厚度选择要综合考虑金刚石结构的强度和目标频率下的趋肤深度。石墨烯催化层120的厚度大于200微米时，会由于厚度太高会导致加工难度增加，性价比降低。
步骤S102，将沉积石墨烯催化层120的金刚石110进行退火处理，在金刚石110中的源电极区和漏电极区形成石墨烯层140。
具体的，在沉积石墨烯催化层120的金刚石110进行退火处理过程中，石墨烯催化层120作为催化剂，使得在金刚石110中的源电极区和漏电极区形成石墨烯层140，同时石墨烯催化层120经过金刚石110的晶界不断向外扩散，石墨烯催化层120全部去除，最终形成图7示出的结构。
一个实施例中，所述退火处理的处理温度为900℃至950℃，退火时间为5分钟至10分钟，降温速率为5℃/s至10℃/s。
具体的，将沉积石墨烯催化层120的金刚石110进行高温退火处理，处理温度为900℃至950℃，退火时间为5分钟至10分钟，降温速率为5℃/s至10℃/s；同时，退火处理时的环境可以为真空或氩气等惰性气体环境，高温处理时的最大压强可以为一个标准气压。
沉积石墨烯催化层120的金刚石110在退火处理过程中，在石墨烯催化层120的催化下源电极区和漏电极区形成石墨烯层140，使得源电极区和漏电极区的石墨烯层140与金刚石110可以形成良好的欧姆接触，极大的减小了欧姆接触电阻，提高多晶金刚石器件的性能。
可选的，金刚石110的源电极区和漏电极区形成的石墨烯层140可以为单层石墨烯或多层石墨烯。
步骤S103，在石墨烯层140与源电极区对应区域的上表面沉积金属层150形成欧姆接触源电极，在石墨烯层140与漏电极区对应区域的上表面沉积金属层150形成欧姆接触漏电极。
具体的，在石墨烯层140与源电极区对应区域的上表面沉积金属层150形成欧姆接触源电极，即制备了源极，在石墨烯层140与漏电极区对应区域的上表面沉积金属层150形成欧姆接触漏电极，即制备了漏极。具体参见图8，是本实施例的制备方法最终制备的金刚石器件的结构示意图，石墨烯层140与金刚石110直接接触，金属层150与石墨烯层140直接接触，形成良好的欧姆接触，减小了欧姆接触电阻。
一个实施例中，参见图9，步骤S103中的在石墨烯层140与源电极区对应区域的上表面沉积金属层150形成欧姆接触源电极，在石墨烯层140与漏电极区对应区域的上表面沉积金属层150形成欧姆接触漏电极的具体实现流程包括：
步骤S301，在金刚石100中除源电极区和漏电极区以外区域的上表面涂覆光刻胶层。
具体的，参见图10，是步骤S301制备得到的结构图。在金刚石100中除源电极区和漏电极区以外区域的上表面涂覆光刻胶层130，其他区域不涂覆光刻胶层130，便于在石墨烯层140与源电极区对应区域的上表面和石墨烯层140与漏电极区对应区域的上表面沉积金属层150，简化了制备流程，操作简单。
步骤S302，在石墨烯层140与源电极区对应区域的上表面和石墨烯层140与漏电极区对应区域的上表面均沉积金属层150。
具体的，在石墨烯层140与源电极区对应区域的上表面和石墨烯层140与漏电极区对应区域的上表面均沉积金属层150，得到图11示出的结构示意图。
可选的，可以通过电镀、物理气相沉积、化学气相沉积、电子束蒸发方法或化学镀等工艺沉积金属层150，还可以通过磁控溅射法、离子束沉积法和电子束蒸发法中的任一种沉积方法沉积金属层150。
步骤S303，去除所述光刻胶层。
具体的，将在金刚石100中除源电极区和漏电极区以外区域的上表面涂覆的光刻胶层去除后，得到如图8的金刚石器件的结构。
一个实施例中，金属层的材质为钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴和铁中的任一种或至少两种金属相互组合的合金。
上述步骤S301至步骤S303的金刚石器件制备方法，能够提高制备的金刚石器件的成品率，降低制备金刚石器件的工艺难度，并缩短制备金刚石器件的工艺周期，且使得石墨烯层140与金属层150形成良好的欧姆接触，减小欧姆接触电阻，提高金刚石器件的性能。
示例性的，在有p型导电沟道的金刚石100上采用电子束蒸发方法沉积100nm厚的金属镍层(石墨烯催化层120)；然后在金属镍层与源电极区对应的区域和与漏电极区对应的区域上分别涂覆光刻胶层130，形成例如图5示出的结构；将例如图5示出的结构放置于氢氟酸溶液中充分去除金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的金属镍层；再去除光刻胶层130，形成图2示出的结构。
将图2示出的结构进行退火处理(高温真空退火的温度为900℃，持续时间为5分钟，降温速率为5℃/s)，金属镍层作为催化剂，催化金刚石110中的源电极区和漏电极区直接形成石墨烯层140，同时金属镍层通过金刚石的多晶向外扩散，最终金属镍层被高温扩散掉，得到例如图7示出的结构。在例如图7示出的结构中，在金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的上表面涂覆光刻胶层130，并在石墨烯层140与源电极区对应区域的上表面沉积金属Ti层(厚度为10nm)或金属Au层(厚度为200nm)，形成欧姆接触源电极，在石墨烯层140与漏电极区对应区域的上表面沉积金属Ti层(厚度为10nm)或金属Au层(厚度为200nm)，形成欧姆接触漏电极，最后去除光刻胶层130，金刚石器件制备完成。
示例性的，在有n型导电沟道的金刚石100上采用电子束蒸发方法沉积100nm厚的金属镍层(石墨烯催化层120)；然后在金属镍层与源电极区对应的区域和与漏电极区对应的区域上分别涂覆光刻胶层130，形成例如图5示出的结构；将例如图5示出的结构放置于稀硝酸溶液中充分去除金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的金属镍层；再去除光刻胶层130，形成图2示出的结构。
将图2示出的结构进行退火处理(高温真空退火的温度为900℃，持续时间为5分钟，降温速率为5℃/s)，金属镍层作为催化剂，催化金刚石110中的源电极区和漏电极区直接形成石墨烯层140，同时金属镍层通过金刚石的多晶向外扩散，最终金属镍层被高温扩散掉，得到例如图7示出的结构。在例如图7示出的结构中，在金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的上表面涂覆光刻胶层130，并在石墨烯层140与源电极区对应区域的上表面沉积金属Ti层(厚度为10nm)或金属Au层(厚度为200nm)，形成欧姆接触源电极，在石墨烯层140与漏电极区对应区域的上表面沉积金属Ti层(厚度为10nm)或金属Au层(厚度为200nm)，形成欧姆接触漏电极，最后去除光刻胶层130，金刚石器件制备完成。
示例性的，在有p型导电沟道的金刚石100上采用电子束蒸发方法沉积150nm厚的金属镍层(石墨烯催化层120)；然后在金属镍层与源电极区对应的区域和与漏电极区对应的区域上分别涂覆光刻胶层130，形成例如图5示出的结构；将例如图5示出的结构放置于稀盐酸溶液中充分去除金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的金属镍层；再去除光刻胶层130，形成图2示出的结构。
将图2示出的结构进行退火处理(高温真空退火的温度为950℃，持续时间为10分钟，降温速率为5℃/s)，金属镍层作为催化剂，催化金刚石110中的源电极区和漏电极区直接形成石墨烯层140，同时金属镍层通过金刚石的多晶向外扩散，最终金属镍层被高温扩散掉，得到例如图7示出的结构。在例如图7示出的结构中，在金刚石110中除源电极区和漏电极区以外区域的上表面涂覆光刻胶层130，并在石墨烯层140与源电极区对应区域的上表面沉积金属Ti层(厚度为10nm)或金属Au层(厚度为200nm)，形成欧姆接触源电极，在石墨烯层140与漏电极区对应区域的上表面沉积金属Ti层(厚度为10nm)或金属Au层(厚度为200nm)，形成欧姆接触漏电极，最后去除光刻胶层130，金刚石器件制备完成。
上述实施例中，将沉积石墨烯催化层120的金刚石110进行退火处理，金刚石110中的源电极区和漏电极区在石墨烯催化层120的催化下形成石墨烯层140，并在石墨烯层140与源电极区对应区域的上表面和石墨烯层140与漏电极区对应区域的上表面沉积金属层150，使石墨烯与金刚石之间、以及石墨烯与金属层150之间形成良好的欧姆接触，极大的减小了金刚石器件的欧姆接触电阻，提高金刚石器件的性能，且不需要石墨烯二次转移到金刚石表面的过程，避免了转移过程中杂质和缺陷的引入，保证了金刚石器件的质量。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
实施例二
一种金刚石器件，通过如上述实施例所述的任意一种金刚石器件的制备方法制备得到，并具有上述实施例所具有的有益效果。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种金刚石器件的制备方法，其特征在于，包括：
在金刚石的源电极区和漏电极区沉积石墨烯催化层；
将沉积石墨烯催化层的金刚石进行退火处理，在所述金刚石中的源电极区和漏电极区形成石墨烯层；
在所述石墨烯层与源电极区对应区域的上表面沉积金属层形成欧姆接触源电极，在所述石墨烯层与漏电极区对应区域的上表面沉积金属层形成欧姆接触漏电极。
2.如权利要求1所述的金刚石器件的制备方法，其特征在于，所述在金刚石的源电极区和漏电极区沉积石墨烯催化层，包括：
在所述金刚石的上表面沉积石墨烯催化层；
在所述石墨烯催化层与源电极区对应的区域和与漏电极区对应的区域上分别涂覆光刻胶层；
去除所述金刚石中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层；
去除所述光刻胶层。
3.如权利要求2所述的金刚石器件的制备方法，其特征在于，所述在所述金刚石的上表面沉积石墨烯催化层，包括：
通过磁控溅射法、离子束沉积法和电子束蒸发法中的任一种沉积方法在所述金刚石的上表面沉积石墨烯催化层。
4.如权利要求2所述的金刚石器件的制备方法，其特征在于，所述去除所述金刚石中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层，包括：
通过硝酸溶液、硫酸溶液、盐酸溶液和氢氟酸溶液中的任一种溶液，对所述金刚石中除源电极区和漏电极区以外区域的石墨烯催化层进行腐蚀处理。
5.如权利要求1所述的金刚石器件的制备方法，其特征在于，
所述石墨烯催化层的材质为金属镍。
6.如权利要求1所述的金刚石器件的制备方法，其特征在于，
所述石墨烯催化层的厚度小于200nm。
7.如权利要求1所述的金刚石器件的制备方法，其特征在于，所述退火处理的处理温度为900℃至950℃，退火时间为5分钟至10分钟，降温速率为5℃/s至10℃/s。
8.如权利要求1所述的金刚石器件的制备方法，其特征在于，所述在所述石墨烯层与源电极区对应区域的上表面沉积金属层形成欧姆接触源电极，在所述石墨烯层与漏电极区对应区域的上表面沉积金属层形成欧姆接触漏电极，包括：
在所述金刚石中除源电极区和漏电极区以外区域的上表面涂覆光刻胶层；
在所述石墨烯层与源电极区对应区域的上表面和所述石墨烯层与漏电极区对应区域的上表面均沉积金属层；
去除所述光刻胶层。
9.如权利要求1至8任一项所述的金刚石器件的制备方法，其特征在于，所述金属层的材质为钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴和铁中的任一种金属或至少两种金属相互组合的合金。
10.一种金刚石器件，其特征在于，通过如权利要求1至9任一项所述的金刚石器件的制备方法制备得到。
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