CN111599681A - 垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管及制备方法，属于半导体技术领域，包括：在高浓度重掺杂P型金刚石衬底的正面生长低浓度轻掺杂p型金刚石外延层；在缓冲层的上表面生长高浓度重掺杂p型金刚石外延层；光刻源区图形，刻蚀出柱状源区和栅区；在柱状源区的顶部形成源电极，在高浓度重掺杂P型金刚石衬底的背面形成漏电极，经过退火形成源极欧姆接触和漏极欧姆接触；在柱状源区的顶部、侧壁及周围沉积栅介质；在栅介质上形成栅电极；淀积钝化保护层；光刻制作电极图形。本发明提供的垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管，具有很好的击穿电压和极佳的导热性，可以有效减小散热成本及体积，扩大了金刚石材料在金氧半导体上的应用。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，更具体地说，是涉及一种垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管及制备方法。
背景技术
电力电子系统越来越趋向于小型化、高功率、低损耗，这就对功率半导体器件提出了更高的要求。金刚石的禁带宽度大，击穿电场高,热导率高，同时,金刚石半导体材料还具有高的电子和空穴迁移率。金刚石材料以其优异的特性被称为第四代半导体材料。其在电力电子器件方面的特性优值，显著优于SiC和GaN材料，是制作大功率、高频、高温、低功率损耗电力电子器件的理想材料。功率MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)，作为全控的半导体开关器件，在电力系统中具有很重要的作用。
目前大部分研究集中在金刚石肖特基势垒二极管、金刚石MESFET(MetalSemiconductor Field Effect Transistor)、以及金刚石材料作为其他材料器件散热层等方面，金刚石MESFET栅极和金刚石沟道形成肖特基接触，这就导致了漏极只能加正电压，而且反向漏电较大，而金刚石功率MOSFET的研究还处于空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管，以解决现有金刚石MESFET栅极和金刚石沟道形成肖特基接触，反向漏电较大的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管，包括：在高浓度重掺杂P型金刚石衬底的正面生长低浓度轻掺杂p型金刚石外延层，作为缓冲层；在所述缓冲层的上表面生长高浓度重掺杂p型金刚石外延层；
光刻源区图形，刻蚀出柱状源区和栅区，其中，有源区在所述柱状源区的顶部，栅区在所述柱状源区的侧壁；
在所述柱状源区的顶部光刻出源区图形窗口，淀积源极金属，形成源电极；在所述高浓度重掺杂P型金刚石衬底的背面淀积漏极金属，形成漏电极，经过退火形成源极欧姆接触和漏极欧姆接触；
在所述柱状源区的顶部、侧壁及周围沉积栅介质，其中所述栅介质覆盖所述源电极的表面；
在所述栅介质上光刻出栅形貌，剥离形成栅电极；
淀积钝化保护层；
光刻制作电极图形。
作为本申请另一实施例，所述在高浓度重掺杂P型金刚石衬底的正面生长低浓度轻掺杂p型金刚石外延层，作为缓冲层，在所述缓冲层的上表面生长高浓度重掺杂p型金刚石外延层，具体包括：所述低浓度轻掺杂p型金刚石外延层的厚度为1nm-100μm；所述高浓度重掺杂p型金刚石外延层的厚度为1nm-10μm；其中，所述轻掺杂的浓度为1×1014cm-3至1×1017cm-3，所述重掺杂的浓度为1×1018cm-3至1×1022cm-3。
作为本申请另一实施例，所述光刻源区图形，刻蚀出柱状源区和栅区，其中，有源区在所述柱状源区的顶部，栅区在所述柱状源区的侧壁，具体包括：采用干法刻蚀，刻蚀深至所述缓冲层；所述柱状源区为圆柱体。
作为本申请另一实施例，所述在所述柱状源区的顶部光刻出源区图形窗口，淀积源极金属，形成源电极；在所述高浓度重掺杂P型金刚石衬底的背面淀积漏极金属，形成漏电极，经过退火形成源极欧姆接触和漏极欧姆接触，具体包括：通过电子束蒸发分别淀积所述源极金属和漏极金属；所述源电极和漏电极采用Ti、Pt、Au、Ir中的一种或者多种的组合，经过高温合金退火后形成。
作为本申请另一实施例，在所述柱状源区的顶部、侧壁及周围沉积栅介质，其中所述栅介质覆盖所述源电极的表面，具体包括：所述栅介质包括Al2O3、SiNx、SiO2、TiO2、MoO3、AlN中的一种或多种；厚度为5nm-500nm。
作为本申请另一实施例，所述在所述栅介质上光刻出栅形貌，剥离形成栅电极，具体包括：所述栅电极为Al、Ni、Ti、Au中的一种或者多种的组合形成，并与所述低浓度轻掺杂p型金刚石外延层形成肖特基结。
作为本申请另一实施例，所述栅电极覆盖所述柱状源区的四周，并向上延伸至所述柱状源区的侧壁。
作为本申请另一实施例，所述钝化保护层包括Al2O3、SiNx、SiO2、TiO2、MoO3、AlN中的一种或多种；厚度为5nm-20μm之间。
作为本申请另一实施例，所述光刻制作电极图形，具体包括：通过干法刻蚀或者湿法刻蚀腐蚀出所述电极图形，并对所述电极图形进行加厚处理。
本发明的另一目的在于提供一种垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管，包括高浓度重掺杂P型金刚石衬底、低浓度轻掺杂p型金刚石外延层、高浓度重掺杂p型金刚石外延层、源电极、栅电极、漏电极、栅介质；
所述低浓度轻掺杂p型金刚石外延层生长在所述高浓度重掺杂P型金刚石衬底的正面，所述漏电极生长在所述高浓度重掺杂P型金刚石衬底的背面；
所述高浓度重掺杂p型金刚石外延层生长在所述低浓度轻掺杂p型金刚石外延层的上表面，所述源电极生长在所述高浓度重掺杂p型金刚石外延层的上表面，所述栅介质覆盖所述低浓度轻掺杂p型金刚石外延层的表面及所述源电极的表面，所述栅电极生长在所述栅介质上。
本发明提供的垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管及制备方法的有益效果在于：(1)金刚石材料击穿场强高，散热好，可以有效减小器件的散热部件体积；(2)规避金刚石n型掺杂的激活率低的不足，通过栅压控制导通沟道的空间电荷区进而实现器件的开和关；(3)垂直结构器件可以实现大量晶胞的重复，在保证击穿电压和导通的同时，实现大的功率输出(4)由于栅介质的存在，相比于MESFET器件，可以承受更大的反向击穿电压，正向导通时，栅压可以在沟道处诱导产生更多的载流子，实现更低的导通电阻；(5)另一方面，由于栅介质的存在，其截止频率没有MESFET器件高。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的垂直结构金刚石基金氧半场效应晶体管的制备工艺流程图；
图2为本发明实施例提供的垂直结构金刚石基金氧半场效应晶体管的制备流程对应的结构示意图。
图中：1、高浓度重掺杂p型金刚石外延层；2、低浓度轻掺杂p型金刚石外延层；3、高浓度重掺杂P型金刚石衬底；4、漏电极；5、源电极；6、栅介质；7、栅电极。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1及图2，所述垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管，包括以下步骤：
步骤S101,在高浓度重掺杂P型金刚石衬底3的正面生长低浓度轻掺杂p型金刚石外延层2，作为缓冲层；在所述缓冲层的上表面生长高浓度重掺杂p型金刚石外延层1；其中，步骤S101对应图2中的图a。
步骤S102,光刻源区图形，刻蚀出柱状源区和栅区，其中，有源区在所述柱状源区的顶部，栅区在所述柱状源区的侧壁；其中，步骤S102对应图2中的图b。
步骤S103,在所述柱状源区的顶部光刻出源区图形窗口，淀积源极金属，形成源电极5；在所述高浓度重掺杂P型金刚石衬底3的背面淀积漏极金属，形成漏电极4；经过退火形成源极欧姆接触和漏极欧姆接触；其中，步骤S103对应图2中的图c。
步骤S104,在所述柱状源区的顶部、侧壁及周围沉积栅介质，其中所述栅介质覆盖所述源电极的表面；其中，步骤S104对应图2中的图d。
步骤S105,在所述栅介质6上光刻出栅形貌，剥离形成栅电极7；其中，步骤S105对应图2中的图e，图2中的图f为图e的俯视图。
步骤S106,淀积钝化保护层。
步骤S107,光刻制作电极图形。
目前金刚石的功率器件只有肖特基结构的二极管得以实现。本发明提供的垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管，采用垂直结构的金刚石功率MOSFET，有益效果如下：(1)金刚石材料击穿场强高，散热好，可以有效减小器件的散热部件体积。(2)规避金刚石n型掺杂的激活率低的不足，通过栅压控制导通沟道的空间电荷区，进而实现器件的开和关。(3)垂直结构器件可以实现大量晶胞的重复，在保证击穿电压和导通的同时，实现大的功率输出。(4)金刚石MESFET栅极和金刚石沟道形成肖特基接触，这就导致了漏极只能加正电压，而且反向漏电较大；金刚石MOSFET由于栅介质的存在，栅电极和沟道由介质隔开，器件可以承受更大的反向击穿电压，栅漏电显著降低，正向导通时，器件加负栅压可以在沟道处诱导产生更多的载流子，实现更低的导通电阻。进一步的，栅介质的全覆盖，可以实现栅电极与源电极、栅电极与金刚石导电区域的隔离，进一步降低器件的漏电，提高器件的可靠性。(5)另一方面，由于栅介质的存在，其截止频率没有MESFET器件高。本发明扩大了金刚石材料在金氧半导体上的应用，为高压高频率的电力领域提供了更多选择的开关器件。
本发明原理如下：目前金刚石中激活率较高的只有硼掺杂，实现p型载流子；金刚石的N型掺杂目前仍未找到一个合适的激活率较高的掺杂源。本发明经过合适的设计尺寸，选取合适的栅介质及栅金属，可以实现金刚石功率MOSFET的开关特性。栅金属选取功函数较低的金属，可以对p型轻掺杂金刚石形成耗尽，进而夹断导电层；或者在栅上加正电压，也可以在栅下形成空间电荷区，实现器件的夹断。由于金刚石的禁带宽度较大，较大的缓冲层有利于承受大的击穿电压。栅压为负时，栅下会形成空穴的积累层，提高了空穴浓度，器件实现导通。
作为本发明提供的垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管的一种具体实施方式，请参阅图1及图2，步骤S101具体包括：所述缓冲层的厚度为1nm-100μm；所述高浓度重掺杂p型金刚石外延层1的厚度为1nm-10μm；其中，所述轻掺杂的浓度为1×1014cm-3至1×1017cm-3，所述重掺杂的浓度为1×1018cm-3至1×1022cm-3。
例如，在高浓度重掺杂P型金刚石衬底3上MPCVD(微波等离子体化学气相沉积-Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition)生长10μm低浓度硼掺杂金刚石外延层作为缓冲层，该层杂质浓度约为1015cm-3，在缓冲层上再生长1μm厚度高浓度硼掺杂金刚石外延层，杂质浓度约为1020cm-3。这里不限于采用MPCVD技术，也可以采用ALD(Atomic layerdeposition-原子层沉积)技术或者其他公开的薄膜沉积技术。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图2中的图b，步骤S102具体包括：光刻源区图形，采用干法刻蚀，刻蚀出柱状源区和栅区，刻蚀深至所述缓冲层，其中，有源区在所述柱状源区的顶部，栅区在所述柱状源区的侧壁；所述柱状源区为圆柱体，但不限于圆柱体。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图1及图2中的图c，步骤S103具体包括：在所述柱状源区的顶部光刻出源区图形窗口，通过电子束蒸发淀积Ti/Au源极金属，剥离后形成源电极5；在所述高浓度重掺杂P型金刚石衬底3的背面淀积Ti/Au漏极金属，形成漏电极4，经过退火形成源极欧姆接触和漏极欧姆接触，所述漏电极4采用Ti、Pt、Au、Ir中的一种或者多种的组合。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1及图2中的图d，步骤S104具体包括：在所述柱状源区的顶部、侧壁及周围利用原子层沉积技术(ALD)沉积100nm厚的Al2O3，作为栅介质6，其中，所述栅介质覆盖所述源电极的表面；所述栅介质6可以为Al2O3、SiNx、SiO2、TiO2、MoO3、AlN中的一种或多种；厚度为5nm-500nm。其中，栅极化层包括但不限于使用CVD技术，也可以采用ALD技术或者其他的薄膜沉积技术。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1及图2中的图e及图f，步骤S105具体包括：在所述栅介质6上光刻出栅形貌，在所述栅介质6和所述柱状源区的侧壁淀积Al/Au栅金属，剥离形成栅电极7，其中，栅电极7完全在栅介质的外面，也即与低浓度轻掺杂p型金刚石外延层不接触，所述栅金属可以为Al、Ni、Ti、Au中的一种或者多种的组合。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2中的图e，所述栅电极覆盖在所述栅介质6上，并向上延伸至所述柱状源区的侧壁，且处于所述柱状源区侧壁的栅介质外，与低浓度轻掺杂p型金刚石外延层不接触。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1，步骤S106具体包括：利用化学气相沉积技术(CVD)淀积SiNx 10um作钝化保护层，钝化保护层起保护作用，钝化保护层可以为Al2O3、SiNx、SiO2、TiO2、MoO3、AlN中的一种或多种；厚度为5nm-20μm。其中，钝化保护层包括但不限于使用CVD技术，也可以采用ALD技术或者其他公开的薄膜沉积技术。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1，步骤S107具体包括：所述光刻制作电极图形，通过干法刻蚀或者湿法刻蚀腐蚀出所述电极图形，并对所述电极图形进行加厚处理，以利于后续的键合、导线引出。其中，电极图形的加厚处理通过电镀或蒸发等技术实现，其加厚的厚度在这里不做限定，也即可以根据具体的设计要求确定。
实施例二
本发明还提供一种垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管，包括高浓度重掺杂P型金刚石衬底、低浓度轻掺杂p型金刚石外延层、高浓度重掺杂p型金刚石外延层、源电极、栅电极、漏电极、栅介质；所述低浓度轻掺杂p型金刚石外延层生长在所述高浓度重掺杂P型金刚石衬底的正面，所述漏电极生长在所述高浓度重掺杂P型金刚石衬底的背面；所述高浓度重掺杂p型金刚石外延层生长在所述低浓度轻掺杂p型金刚石外延层的上表面，所述源电极生长在所述高浓度重掺杂p型金刚石外延层的上表面，所述栅介质覆盖所述低浓度轻掺杂p型金刚石外延层的表面及所述源电极的表面，所述栅电极生长在所述栅介质上。
MOSFET在概念上属于“绝缘栅极场效晶体管”(Insulated-Gate Field EffectTransistor,IGFET)，是金属-氧化物半导体场效应晶体管；MESFET的肖特基势垒栅极，Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor”的缩写，大致含义是“金属—半导体场效应管。功率MOSFET器件由于栅介质的存在，相比于MESFET器件，可以承受更大的反向击穿电压，正向导通时，栅压可以在沟道处诱导产生更多的载流子，实现更低的导通电阻；另一方面，由于栅介质的存在，其截止频率没有MESFET器件高。
金刚石功率MOSFET具有更高的击穿电压和极佳的导热性，可以有效减小散热成本及体积，适用于高压高频率的电力领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在高浓度重掺杂P型金刚石衬底的正面生长低浓度轻掺杂p型金刚石外延层，作为缓冲层；在所述缓冲层的上表面生长高浓度重掺杂p型金刚石外延层；
光刻源区图形，刻蚀出柱状源区和栅区，其中，有源区在所述柱状源区的顶部，栅区在所述柱状源区的侧壁；
在所述柱状源区的顶部光刻出源区图形窗口，淀积源极金属，形成源电极，在所述高浓度重掺杂P型金刚石衬底的背面淀积漏极金属，形成漏电极，经过退火形成源极欧姆接触和漏极欧姆接触；
在所述柱状源区的顶部、侧壁及周围沉积栅介质，其中所述栅介质覆盖所述源电极的表面；
在所述栅介质上光刻出栅形貌，剥离形成栅电极；
淀积钝化保护层；
光刻制作电极图形。
2.如权利要求1所述的垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管的制备方法，其特征在于，所述在高浓度重掺杂P型金刚石衬底的正面生长低浓度轻掺杂p型金刚石外延层，作为缓冲层，在所述缓冲层的上表面生长高浓度重掺杂p型金刚石外延层，具体包括：
所述低浓度轻掺杂p型金刚石外延层的厚度为1nm-100μm；
所述高浓度重掺杂p型金刚石外延层的厚度为1nm-10μm；
其中，所述轻掺杂的浓度为1×1014cm-3至1×1017cm-3，所述重掺杂的浓度为1×1018cm-3至1×1022cm-3。
3.如权利要求1所述的垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管的制备方法，其特征在于，所述光刻源区图形，刻蚀出柱状源区和栅区，其中，有源区在所述柱状源区的顶部，栅区在所述柱状源区的侧壁，具体包括：
采用干法刻蚀，刻蚀深至所述缓冲层；
所述柱状源区为圆柱体。
4.如权利要求1所述的垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管的制备方法，其特征在于，所述在所述柱状源区的顶部光刻出源区图形窗口，淀积源极金属，形成源电极；在所述高浓度重掺杂P型金刚石衬底的背面淀积漏极金属，形成漏电极，经过退火形成源极欧姆接触和漏极欧姆接触，具体包括：
通过电子束蒸发分别淀积源极金属和漏极金属；
所述源电极和所述漏电极采用Ti、Pt、Au、Ir中的一种或者多种的组合，经过高温合金退火后形成。
5.如权利要求1所述的垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管的制备方法，其特征在于，所述在所述柱状源区的顶部、侧壁及周围沉积栅介质，其中所述栅介质覆盖所述源电极的表面，具体包括：
所述栅介质包括Al2O3、SiNx、SiO2、TiO2、MoO3、AlN中的一种或多种；厚度为5nm-500nm。
6.如权利要求1所述的垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管的制备方法，其特征在于，在所述栅介质上光刻出栅形貌，剥离形成栅电极，具体包括：
所述栅电极为Al、Ni、Ti、Au中的一种或者多种组合。
7.如权利要求6所述的垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管的制备方法，其特征在于，所述栅电极覆盖所述柱状源区的四周，并向上延伸至所述柱状源区的侧壁。
8.如权利要求1所述的垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管的制备方法，其特征在于，所述钝化保护层包括Al2O3、SiNx、SiO2、TiO2、MoO3、AlN中的一种或多种；厚度为5nm-20μm。
9.如权利要求1所述的垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管的制备方法，其特征在于，所述光刻制作电极图形，具体包括：
通过干法刻蚀或者湿法刻蚀腐蚀出所述电极图形，并对所述电极图形进行加厚处理。
10.垂直结构金刚石基金氧半场效晶体管，其特征在于，包括高浓度重掺杂P型金刚石衬底、低浓度轻掺杂p型金刚石外延层、高浓度重掺杂p型金刚石外延层、源电极、栅电极、漏电极、栅介质；
所述低浓度轻掺杂p型金刚石外延层生长在所述高浓度重掺杂P型金刚石衬底的正面，所述漏电极生长在所述高浓度重掺杂P型金刚石衬底的背面；
所述高浓度重掺杂p型金刚石外延层生长在所述低浓度轻掺杂p型金刚石外延层的上表面，所述源电极生长在所述高浓度重掺杂p型金刚石外延层的上表面，所述栅介质覆盖所述低浓度轻掺杂p型金刚石外延层的表面及所述源电极的表面，所述栅电极生长在所述栅介质上。
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|---|---|---|---|---|
| CN113594230A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-02 | 中国科学院半导体研究所 | 垂直结构的金刚石深耗尽型场效应晶体管及制备方法 |
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2020
- 2020-05-09 CN CN202010387667.7A patent/CN111599681A/zh active Pending
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