CN109920736A - 氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管及其制备方法，在金刚石衬底1上生长出氢终端金刚石外延薄膜2，在氢终端金刚石外延薄膜2上制备出源极3和漏极4，沉积介质层5覆盖所有结构，对介质层5图形化处理，保留源极3、漏极4及其之间的介质层5，在源极3和漏极4之间的介质层5上沉积出栅极6；本发明采用两步法制备介质层，通过两个步骤完成介质层的制备，先使用低温工艺制备一层介质层保护氢终端金刚石的二维空穴气不被破坏，再使用高温工艺沉积高质量介质层改善器件性能，从而提升器件的电学特性，该两步法制备的氧化铝薄膜，既可以最大程度的保护氢终端金刚石的二维空穴气，又可以得到高质量的介质层氧化铝薄膜。
Description
【技术领域】
本发明属于半导体器件领域，尤其涉及氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管及其制备方法。
【背景技术】
随着现代社会经济和科技的飞速发展，半导体集成电路领域得到了前所未有的进步。作为集成电路的基石——半导体材料，更是起着举足轻重的作用。金刚石作为第四代半导体的典型代表之一，在各个方面都具有优异性能，被誉为“终极半导体”。尤其是在电学领域，金刚石具有大的禁带宽度、超高的击穿电压、高的Johnson指数、高的Keyes指数、高的Baliga指数、大的电子迁移率以及空穴迁移率。因此，使用金刚石材料制作的超高频、超大功率电子器件具有先天的优势。
集成电路的基本单元是场效应晶体管，按照结构划分可以分为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和金属半导体场效应晶体管(MESFET)。在结构上，这两者的主要差异是前者在栅电极和半导体之间有一层介质层，将栅电极和半导体分离开，通孔调节栅极偏压来调控沟道载流子；而后者栅电极直接和半导体接触，形成肖特基接触。MOSFET一般用在大功率电路方面，具有高的击穿电压和电流密度；MESFET一般用在高频领域，具有低的寄生效应。随着集成电路的飞速发展，一般MESFET也需要具备大功率特性，来满足目前集成电路功率来越大的要求。这就要求半导体材料本身具有良好的导热特性，高的载流子迁移率等特点。金刚石可以同时满足这些要求，是替代其他半导体材料，延续摩尔定律的明智选择。
目前，金刚石面临着最大的问题就是有效掺杂。由于常规掺杂剂，如硼、磷等元素在金刚石内的激活能大，使得掺杂金刚石的载流子浓度低，无法满足器件的使用。科学家为了解决这个问题，尝试使用δ超薄掺杂技术，该技术是在金刚石内部形成一层纳米级别厚度的掺杂层，类似于二维载流子气层，但是该技术对掺杂的要求极高，载流子迁移率也不是十分的理想，因此该技术在金刚石中并没有得到广泛的应用。幸运的是，研究表明把金刚石置于氢等离子体中处理，在金刚石表面将形成碳氢键，然后金刚石表面以下10nm左右将形成一层二维空穴气，这层二维空穴气的浓度可达1013cm-2左右，载流子迁移率可达20-200cm2·V-1·s-1，这种金刚石被称为氢终端金刚石。我们可以使用氢终端金刚石来制备场效应晶体管。目前为止，这层二维空穴气的形成原因并没有定论，两个说法被大家广发接受。第一，碳氢原子形成共价键以后，由于碳氢原子对电子对吸引作用不同，产生极化现象，使得二维空穴气形成；第二，由于氢终端金刚石表面吸附一层水汽膜，空气中大量带电离子溶解到水汽膜中，带负电的离子在金刚石表面感应出空穴，带正电的离子和金刚石表面的电子发生中和反应，留下空穴，所以形成了二维空穴气。不论是哪种原因形成了氢终端金刚石二维空穴气层，这种二维空穴气层都不是十分的稳定，在高温和有氧气的环境下，二维空穴气层会遭到不同程度的破坏，进而影响器件的性能。因此，为了解决这个问题，一般使用介质层覆盖氢终端金刚石来保护二维空穴气层。原子层沉积技术作为沉积介质层的常规手段，被广泛使用在半导体器件制备中。为了得到高质量介质层，原子层沉积工艺一般会长时间使用很高的反应温度，这将一定程度损坏氢终端金刚石的二维空穴气。
【发明内容】
本发明的目的是提供氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管及其制备方法，以解决现有在制备氢终端金刚石场效应晶体管时，因介质层是通过长时间使用很高的反应温度来完成的，而高温对氢终端金刚石表面下的沟道处二维空穴气容易被破坏，进而造成氢终端金刚石器件电学特性差的问题。
本发明采用以下技术方案：氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管的制备方法，在金刚石衬底1上生长出氢终端金刚石外延薄膜2，在氢终端金刚石外延薄膜2上制备出源极3和漏极4，沉积介质层5覆盖所有结构，对介质层5图形化处理，保留源极3、漏极4及其之间的介质层5，在源极3和漏极4之间的介质层5上沉积出栅极6；
其中，沉积介质层5覆盖所有结构通过两个步骤完成：
步骤1：使用低温工艺，沉积介质材料以获得覆盖所有结构的介质层；
步骤2：使用高温工艺，在步骤1沉积的介质层上继续沉积同种介质，完成介质层5的沉积。
进一步地，低温工艺中，沉积温度≤125℃，获得介质层厚度≤50nm；高温工艺中，沉积温度＞125℃。
进一步地，低温工艺中，沉积温度为80℃，沉积材料为氧化铝，氧化铝厚度为10nm，反应源为三甲基铝和水，泵入时间间隔为60s；
高温工艺中，将沉积温度为250℃，沉积材料为氧化铝。
进一步地，的金刚石衬底1为本征金刚石材料，氢终端金刚石外延薄膜2为本征金刚石材料，其载流子浓度为1011-1015cm2,迁移率大于50cm2/V·s。
进一步地，漏极4和源极3与外延薄膜2均为欧姆接触。
进一步地，源极3和漏极4形成方法采用光刻工艺和电子束蒸发工艺，电子束蒸发工艺所选材质为金，厚度为150nm，电子束蒸发工艺：腔压5×10-4Pa，室温；栅极6形成方法采用光刻工艺和电子束蒸发工艺，电子束蒸发工艺所选材质为铝，厚度为150nm。
进一步地，氢终端金刚石外延薄膜2的生长条件为：功率1KW,腔压为50Torr，气体总流量500sccm。
本发明还公开了一种氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管，包括金刚石衬底1，金刚石衬底1上生长有氢终端金刚石外延薄膜2，外延薄膜2上设置有漏极4和源极3，在源极3、漏极4及其两者之间的氢终端金刚石外延薄膜2上设置有介质层5，在介质层5上、位于源极3和漏极4之间沉积有栅极6；
介质层5通过两个步骤沉积而成：
步骤1：使用低温工艺，沉积介质材料以获得覆盖所有结构的介质层；
步骤2：使用高温工艺，在步骤1沉积的介质层上继续沉积同种介质，完成介质层5的沉积。
进一步地，低温工艺中，沉积温度≤125℃，获得介质层厚度≤50nm；高温工艺中，沉积温度＞125℃。
进一步地，的金刚石衬底1为本征金刚石材料；低温工艺中，沉积温度为80℃，沉积材料为氧化铝，氧化铝厚度为10nm，反应源为三甲基铝和水，泵入时间间隔为60s；高温工艺中，将沉积温度为250℃，沉积材料为氧化铝。
本发明的有益效果是：本发明采用两步法制备介质层，通过两个步骤完成介质层的制备，先使用低温工艺制备一层介质层保护氢终端金刚石的二维空穴气不被破坏，再使用高温工艺沉积高质量介质层改善器件性能，从而提升器件的电学特性，该两步法制备的氧化铝薄膜，既可以最大程度的保护氢终端金刚石的二维空穴气，又可以得到高质量的介质层氧化铝薄膜，为金刚石器件在高频高功率领域的应用提供了保证；在使用高温沉积介质层之前，先沉积薄薄一层氧化铝来保护住氢终端金刚石，然后直接将反应温度升高，沉积高质量氧化铝；整个过程一气呵成，减弱了高温对二维空穴气层的破坏，避免了多次开腔取放样品造成的污染。
【附图说明】
图1为本发明中的晶体管结构示意图；
图2为本发明中步骤1的俯视图和侧视图；
图3为本发明中步骤2的俯视图和侧视图；
图4为本发明中步骤3的俯视图和侧视图；
图5为本发明中步骤4的俯视图和侧视图；
图6为本发明中步骤5的俯视图和侧视图；
图7为本发明中步骤6的俯视图和侧视图；
图8为本发明中步骤7的俯视图和侧视图。
其中：1.金刚石衬底；2.外延薄膜；3.源极；4.漏极；5.介质层；6.栅极。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开了氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管及其制备方法由以下步骤组成：
步骤1：去除金刚石衬底1表面非金刚石相。
步骤2：在金刚石衬底1上生长出氢终端金刚石外延薄膜2。
步骤3：在氢终端金刚石外延薄膜2上制备出源极3和漏极4。
步骤4：沉积介质层5覆盖所有结构。
步骤5：对介质层5图形化处理，保留源极3、漏极4及其之间的介质层5。
步骤6：对器件进行隔离，只保留源漏电极及其之间部分的二维空穴气。
步骤7：在源极3和漏极4之间的介质层5上沉积出栅极6。
其中，步骤1中金刚石衬底11为本征金刚石材料。
其中，步骤2中的氢终端金刚石外延薄膜2为本征金刚石材料，在表面下形成一层二维空穴气，其载流子浓度为1011-1015cm2,迁移率大于50cm2/V·s。
其中，步骤3中的源极3和漏极4是导电体，和氢终端金刚石外延薄膜2直接或者退火后形成欧姆接触。
其中，步骤4中沉积介质层5覆盖所有结构通过两个步骤完成；
步骤41：使用低温工艺，沉积介质材料以获得覆盖所有结构的介质层；此时沉积的介质层对氢终端金刚石的二维空穴气进行保护，减弱后续高温处理对氢终端金刚石的二维空穴气的破坏；低温工艺中，沉积温度≤125℃，获得介质层厚度≤50nm；
步骤42：使用高温工艺，在步骤1沉积的介质层上继续沉积同种介质，完成介质层5的沉积，高温工艺中，沉积温度＞125℃，在步骤1沉积的氧化铝上继续沉积介质层。
因现有的介质层一次性完成，沟道处二维空穴气容易被破坏，进而造成氢终端金刚石器件电学特性差的问题，本发明采用两步法制备介质层，通过两个步骤完成介质层的制备，先使用低温工艺制备一层介质层保护氢终端金刚石的二维空穴气不被破坏，再使用高温工艺沉积高质量介质层改善器件性能，从而提升器件的电学特性。
其中，步骤5中的使用光刻工艺和湿法腐蚀工艺，对介质层5图形化处理，保留源极3和漏极4及其之间部分的氢终端金刚石外延薄膜2上的介质层5，清洗样品表面的光刻胶。
其中，步骤6中器件隔离是使用紫外臭氧对样品表面处理，保留源漏电极及其之间部分的氢终端金刚石外延薄膜2的二维空穴气。
其中，步骤7中的栅极6是一种导电体，沉积在介质层5之上，且位于源极3和漏极4之间。
本发明还公开了一种氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管，如图1所示，包括金刚石衬底1，金刚石衬底1上生长有氢终端金刚石外延薄膜2，外延薄膜2上设置有漏极4和源极3，在源极3、漏极4及其两者之间的氢终端金刚石外延薄膜2上设置有介质层5，在介质层5上、位于源极3和漏极4之间沉积有栅极6；
介质层5通过两个步骤沉积而成：
步骤1：使用低温工艺，沉积介质材料以获得覆盖所有结构的介质层；
步骤2：使用高温工艺，在步骤1沉积的介质层上继续沉积同种介质，完成介质层5的沉积。
其中，低温工艺中，沉积温度≤125℃，获得介质层厚度≤50nm；高温工艺中，沉积温度＞125℃。
其中，金刚石衬底1为本征金刚石材料；低温工艺中，沉积温度为80℃，沉积材料为氧化铝，氧化铝厚度为10nm，反应源为三甲基铝和水，泵入时间间隔为60s；高温工艺中，将沉积温度为250℃，沉积材料为氧化铝。
实施例1
步骤1：去除金刚石衬底1表面非金刚石相。
如图2所示，使用标准的酸碱洗工艺对金刚石衬底1进行清洗，除去表面的非金刚石相，然后使用酒精、丙酮、去离子水对金刚石衬底1进行清洗，使用氮气吹干金刚石衬底1。
步骤2：在金刚石衬底1上生长出氢终端金刚石外延薄膜2。
如图3所示，使用微波等离子体化学气相沉积工艺在金刚石衬底1上生长一层氢终端金刚石外延薄膜2。
生长条件为：功率1KW，腔压为50Torr，气体总流量500sccm；使用酒精、丙酮和去离子水分别对氢化后的样品进行清洗，并用氮气吹干样品，保持样品表面清洁。
步骤3：在氢终端金刚石外延薄膜2上制备出源极3和漏极4。
如图4所示，使用光刻工艺和电子束蒸发工艺沉积一层150nm的金，然后将样品浸泡在丙酮中，对样品进行剥离，形成源极3和漏极4。
光刻工艺：在样品表面旋涂一层AZ5214光刻胶，然后将样品至于100℃热板加热90秒，然后使用紫外曝光机5s，然后将样品浸泡显影液中60秒，完成源极3和漏极4图形转移到样品上。
电子束蒸发工艺：腔压5×10-4Pa，室温。
步骤4：沉积介质层5覆盖所有结构，
如图5所示，使用原子层沉积工艺在样品表面沉积一层氧化铝，沉积过程分为两步，
第一步：使用125℃的反应温度，反应源为三甲基铝和水，泵入时间间隔为60s，氧化铝薄膜厚度为50nm；此时沉积的介质层对氢终端金刚石的二维空穴气进行保护，减弱后续高温处理对氢终端金刚石的二维空穴气的破坏；
第二步：在步骤1所使用的设备上将温度设定为126℃，泵入时间间调整隔为3s，继续沉积30nm氧化铝薄膜的介质层；
步骤5：对介质层5图形化处理，保留源极3、漏极4及其之间的介质层5，去除其余的介质层5。
如图6所示，使用光刻胶覆盖源栅电及其之间部分的氢终端金刚石外延薄膜2，使用磷酸浸泡样品，去除多余的氧化铝薄膜，接着使用丙酮清洗样品表面的光刻胶。
步骤6：对器件进行隔离，只保留源漏电极及其之间部分的二维空穴气。
如图7所示，使用紫外臭氧照射样品表面，温度为室温，照射时间为2小时。
步骤7：在源极3和漏极4之间的介质层5上沉积出栅极6。
如图8所示，使用光刻工艺和电子束沉积工艺，沉积材料为铝，在源极3和漏极4之间的介质层5上沉积150nm厚的栅极6，然后使用丙酮清洗样品表面的光刻胶，对样品进行剥离。
实施例2
步骤1：去除金刚石衬底1表面非金刚石相。
如图2所示，使用标准的酸碱洗工艺对金刚石衬底1进行清洗，除去表面的非金刚石相，然后使用酒精、丙酮、去离子水对金刚石衬底1进行清洗，使用氮气吹干金刚石衬底1。
步骤2：在金刚石衬底1上生长出氢终端金刚石外延薄膜2。
如图3所示，使用微波等离子体化学气相沉积工艺在金刚石衬底1上生长一层氢终端金刚石外延薄膜2。
生长条件为：功率1KW，腔压为50Torr，气体总流量500sccm；使用酒精、丙酮和去离子水分别对氢化后的样品进行清洗，并用氮气吹干样品，保持样品表面清洁。
步骤3：在氢终端金刚石外延薄膜2上制备出源极3和漏极4。
如图4所示，使用光刻工艺和电子束蒸发工艺沉积一层150nm的金，然后将样品浸泡在丙酮中，对样品进行剥离，形成源极3和漏极4。
光刻工艺：在样品表面旋涂一层AZ5214光刻胶，然后将样品至于100℃热板加热90秒，然后使用紫外曝光机5s，然后将样品浸泡显影液中60秒，完成源极3和漏极4图形转移到样品上。
电子束蒸发工艺：腔压5×10-4Pa，室温。
步骤4：沉积介质层5覆盖所有结构，如图5所示，使用原子层沉积工艺在样品表面沉积一层氧化铝，沉积过程分为两步，
第一步：使用80℃的反应温度，反应源为三甲基铝和水，泵入时间间隔为60s，氧化铝薄膜厚度为10nm；此时沉积的介质层对氢终端金刚石的二维空穴气进行保护，减弱后续高温处理对氢终端金刚石的二维空穴气的破坏；
第二步：在步骤1所使用的设备上将温度设定为250℃，泵入时间间调整隔为3s，继续沉积30nm氧化铝薄膜的介质层。
步骤5：对介质层5图形化处理，保留源极3、漏极4及其之间的介质层5，去除其余的介质层5。
如图6所示，使用光刻胶覆盖源栅电及其之间部分的氢终端金刚石外延薄膜2，使用磷酸浸泡样品，去除多余的氧化铝薄膜，接着使用丙酮清洗样品表面的光刻胶。
步骤6：对器件进行隔离，只保留源漏电极及其之间部分的二维空穴气。
如图7所示，使用紫外臭氧照射样品表面，温度为室温，照射时间为2小时。
步骤7：在源极3和漏极4之间的介质层5上沉积出栅极6。
如图8所示，使用光刻工艺和电子束沉积工艺，沉积材料为铝，在源极3和漏极4之间的介质层5上沉积150nm厚的栅极6，然后使用丙酮清洗样品表面的光刻胶，对样品进行剥离。
Claims (10)
1.氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在金刚石衬底(1)上生长出氢终端金刚石外延薄膜(2)，在氢终端金刚石外延薄膜(2)上制备出源极(3)和漏极(4)，沉积介质层(5)覆盖所有结构，对介质层(5)图形化处理，保留源极(3)、漏极(4)及其之间的介质层(5)，在源极(3)和漏极(4)之间的介质层(5)上沉积出栅极(6)；
其中，沉积介质层(5)覆盖所有结构通过两个步骤完成：
步骤1：使用低温工艺，沉积介质材料以获得覆盖所有结构的介质层；
步骤2：使用高温工艺，在步骤1沉积的介质层上继续沉积同种介质，完成介质层(5)的沉积。
2.根据权利要求1所述的氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述低温工艺中，沉积温度≤125℃，获得介质层厚度≤50nm；所述高温工艺中，沉积温度＞125℃。
3.根据权利要求2任一所述的氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管的制备方法，其特征在于，
所述低温工艺中，沉积温度为80℃，沉积材料为氧化铝，氧化铝厚度为10nm，反应源为三甲基铝和水，泵入时间间隔为60s；
所述高温工艺中，将沉积温度为250℃，沉积材料为氧化铝。
4.根据权利要求1或2或3任一所述的氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述的金刚石衬底(1)为本征金刚石材料，所述氢终端金刚石外延薄膜(2)为本征金刚石材料，其载流子浓度为1011-1015cm2,迁移率大于50cm2/V·s。
5.根据权利要求1或2或3所述的氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述漏极(4)和源极(3)与外延薄膜(2)均为欧姆接触。
6.根据权利要求1或2或3所述的氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述源极(3)和漏极(4)形成方法采用光刻工艺和电子束蒸发工艺，所述电子束蒸发工艺所选材质为金，厚度为150nm，所述电子束蒸发工艺：腔压5×10-4Pa，室温；所述栅极(6)形成方法采用光刻工艺和电子束蒸发工艺，所述电子束蒸发工艺所选材质为铝，厚度为150nm。
7.根据权利要求1或2或3所述的氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述氢终端金刚石外延薄膜(2)的生长条件为：功率1KW,腔压为50Torr，气体总流量500sccm。
8.氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管，其特征在于，包括金刚石衬底(1)，所述金刚石衬底(1)上生长有氢终端金刚石外延薄膜(2)，所述外延薄膜(2)上设置有漏极(4)和源极(3)，在源极(3)、漏极(4)及其两者之间的氢终端金刚石外延薄膜(2)上设置有介质层(5)，在所述介质层(5)上、位于所述源极(3)和漏极(4)之间沉积有栅极(6)；
所述介质层(5)通过两个步骤沉积而成：
步骤1：使用低温工艺，沉积介质材料以获得覆盖所有结构的介质层；
步骤2：使用高温工艺，在步骤1沉积的介质层上继续沉积同种介质，完成介质层(5)的沉积。
9.根据权利要求8所述的氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管，其特征在于，所述低温工艺中，沉积温度≤125℃，获得介质层厚度≤50nm；所述高温工艺中，沉积温度＞125℃。
10.根据权利要求9所述的氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管，其特征在于，所述的金刚石衬底(1)为本征金刚石材料；所述低温工艺中，沉积温度为80℃，沉积材料为氧化铝，氧化铝厚度为10nm，反应源为三甲基铝和水，泵入时间间隔为60s；所述高温工艺中，将沉积温度为250℃，沉积材料为氧化铝。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190621 |
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