CN113594230A - 垂直结构的金刚石深耗尽型场效应晶体管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种垂直结构的金刚石深耗尽型场效应晶体管及制备方法，该垂直结构的金刚石深耗尽型场效应晶体管包括：本征金刚石衬底；P+型漏区，材料为P+型掺杂金刚石，形成于本征金刚石衬底上；P型漂移区，材料为P型掺杂金刚石，形成于P+型漏区上；漏电极，形成于P+型漏区上且位于P型漂移区两侧的位置；P型沟道区，材料为P型掺杂金刚石，形成于P型漂移区上；P+型源区，材料为P型掺杂金刚石，形成于P型沟道区上；源电极，形成于P+型源区上；栅介质，形成于P型漂移区、P型沟道区和P+型源区的外侧，并且与P型漂移区、P型沟道区和P+型源区相接触；以及栅电极，形成于栅介质上。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件领域，特别涉及垂直结构的金刚石深耗尽型场效应效应晶体管及制备方法。
背景技术
半导体金刚石具有高载流子迁移率和饱和速度、高热导率、高击穿场强等优异的物理特性。例如，金刚石的电子和空穴的室温迁移率可分别达到4500cm2·V-1·s-1和3800cm2·V-1·s-1，击穿电场可超过10MV·cm-1。因此在高频、高功率半导体器件上，半导体金刚石有着巨大的应用前景。
然而，由于掺杂杂质的高的激活能，室温下掺杂半导体金刚石的载流子浓度非常低，因而电导率较低，这使得金刚石场效应晶体管的输出性能较差。尽管有很多研究集中于利用金刚石表面的氢终端来制作场效应晶体管，但是由于二维掺杂的空穴气易受金刚石表面散射的影响，空穴迁移率远远低于体掺杂的空穴迁移率，因此不能发挥金刚石高载流子迁移率的优势，因此，限制器件的输出能力和高频特性。另外，氢终端场效应晶体管也存在温度稳定性较差的问题。
由于具有超宽禁带，用体掺杂的金刚石作金属绝缘体半导体场效应晶体管(MISFET)的沟道会具有深耗尽特性，即栅极下方沟道中的空穴会随着栅极正电压增大而耗尽，并且不会出现反型导电层。可以将这一状态作为金刚石MISFET的关断状态，这种类型的场效应晶体管(FET)称为深耗尽型的MISFET。然而，相关的深耗尽型金刚石MISFET都是侧向结构，有着如下技术缺陷：导通电阻较大，输出电流普遍较低(小于100mA/mm)；器件面积较大，单个衬底上制备的器件数量有限较少，也不利于未来的片上集成电场集中效应较强，使得器件击穿电压偏低，耐高压性能弱。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供垂直结构的金刚石深耗尽型场效应晶体管及制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的第一个方面，提供了一种垂直结构的金刚石深耗尽型场效应晶体管，包括：本征金刚石衬底；P+型漏区，材料为P+型掺杂金刚石，形成于所述本征金刚石衬底上；P型漂移区，材料为P型掺杂金刚石，形成于所述P+型漏区上；漏电极，形成于所述P+型漏区上且位于所述P型漂移区两侧的位置；P型沟道区，材料为P型掺杂金刚石，形成于所述P型漂移区上；P+型源区，材料为P型掺杂金刚石，形成于所述P型沟道区上；源电极，形成于所述P+型源区上；栅介质，形成于所述P型漂移区、所述P型沟道区和所述P+型源区的外侧，并且与所述P型漂移区、所述P型沟道区和所述P+型源区相接触；以及栅电极，形成于所述栅介质上。
作为本发明的第二个方面，提供了一种上述金刚石深耗尽型场效应晶体管的制备方法，包括：在本征金刚石衬底上依次制作P+型漏层即P+型漏区、P型漂移层、P型沟道层和P+型源层；分别对所述P型漂移层、P型沟道层和P+型源层进行刻蚀，从而使所述P+型漏区两侧暴露，使所述P型漂移层、P型沟道层和P+型源层分别形成P型漂移区，P型沟道区和P+型源区；在所述P型漂移区，P型沟道区和P+型源区的外侧制作栅介质；在所述P+型漏区两侧暴露的位置制作漏电极，在所述P+型源区上制作源电极，在所述栅介质上制作栅电极。
从上述技术方案可以看出，本发明的垂直结构的金刚石深耗尽型场效应晶体管及制备方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
本发明的金刚石深耗尽型场效应晶体管为垂直结构，即P+型漏区、栅介质和P+型源区形成堆叠的结构，使得器件导通电阻减小，显著提升了输出电流，减小了器件面积。器件的导通电阻器件是指在开启导通状态下的源漏电极之间的电阻。根据器件物理，对于侧向结构的MISFET和垂直结构的MISFET，两者的导通电阻之比近似等于P型漂移区长度和P型沟道厚度之比。该比值在实际器件中远大于1，因为P型漂移区长度在微米量级，P型沟道区厚度在纳米量级。所以垂直结构的金刚石深耗尽型场效应晶体管的导通电阻比平面侧向结构的金刚石深耗尽型场效应晶体管小得多。
附图说明
图1是本发明实施例1中制备的垂直结构的金刚石深耗尽型MISFET的剖视图；
图2为本发明的实施例2中垂直结构深耗尽型金刚石MISFET的制备过程示意图；
图3为本发明的实施例2中制备的深耗尽型金刚石MISFET的剖视图；
图4为传统侧向结构金刚石深耗尽型MISFET的剖视图；
图5(a)为传统侧向结构金刚石深耗尽型MISFET的实验输出特性；
图5(b)与本发明实施例2中垂直结构金刚石深耗尽型MISFET仿真所得的输出特性；
图6(a)为本发明实施例1中的垂直结构金刚石深耗尽型MISFET仿真所得的器件内电场分布图；
图6(b)为本发明实施例2中的垂直结构金刚石深耗尽型MISFET仿真所得的器件内电场分布图；
图7为本发明的实施3中制备的环栅结构的金刚石深耗尽型MISFET的俯视图。
附图标记说明
1 本征金刚石衬底
2 P+型漏区
3 漏电极
4 P型漂移区
5 P型沟道区
6 P+型源区
7 源电极
8 栅介质
9 栅电极
具体实施方式
在实施本发明的过程中发现，采用垂直结构的深耗尽型金刚石MISFET，能够提高电流输出能力，同时减小器件面积，改善了源场版结构后可以缓解电场集中效应，提升器件耐压性。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
根据本发明的实施例，提供了一种垂直结构的金刚石深耗尽型场效应晶体管，包括：本征金刚石衬底；P+型漏区，材料为P+型掺杂金刚石，形成于本征金刚石衬底上；P型漂移区，材料为P型掺杂金刚石，形成于P+型漏区上；漏电极，形成于P+型漏区上且位于P型漂移区两侧的位置；P型沟道区，材料为P型掺杂金刚石，形成于P型漂移区上；P+型源区，材料为P型掺杂金刚石，形成于P型沟道区上；源电极，形成于P+型源区上；栅介质，形成于P型漂移区、P型沟道区和P+型源区的外侧，并且与P型漂移区、P型沟道区和P+型源区相接触；以及栅电极，形成于栅介质上。
本发明的金刚石深耗尽型场效应晶体管为垂直结构，即P+型漏区、栅介质和P+型源区形成堆叠的结构，使得在一定的正向栅电极偏压下P型沟道区实现耗尽，器件进入良好的关断状态，漏电流极低。同时，导通电阻较小，输出电流较高。
根据本发明的实施例，P+型漏区和P+型源区的厚度为50-500nm；P+型漏区和P+型源区分别采用硼掺杂，掺杂浓度为1020～1021cm-3。
根据本发明的实施例，P型漂移区、P型沟道区分别采用硼掺杂，掺杂浓度为1015～1018cm-3，P型漂移区的厚度为0.5-4μm，P型沟道区纵向厚度为0.3-1μm。P型漂移区的长度大于P型沟道区横向长度+栅介质厚度*2+栅电极厚度*2即可，同时，还需要考虑工艺难度。
根据本发明的实施例，漏电极和源电极的材料为Pt、Au、Ti、W或Ti/Pt/Au；栅电极的材料为Al、Au、W、Pt或Ti/Au。
根据本发明的实施例，栅介质延伸至P+型源区上方的部分区域，源电极自P+型源区延伸至栅介质上方。栅介质形成于P型漂移区、所述P型沟道区和所述P+型源区的外侧，形成了钝化保护层。
根据本发明的实施例，栅介质延伸至P型沟道区上方的部分区域且与P型沟道区相接触以形成平滑表面，源电极自P+型源区延伸至栅介质上方。换言之，栅介质在P+型源区两侧嵌入源电极、P+型源区和P型沟道区形成的凹槽中，使得源电极在顶部同时平缓覆盖并接触栅介质和P+源区，源电极和P+源区形成欧姆接触。场版效果使得介质延伸至P+型源区上方部分区域的电场集中效应得到缓和，有利于提升击穿性能。场版是一种用于缓和半导体器件中局部电场强度过大而经常采用的结构，包括金属场版、介质场版、结场版等多种，都是为了避免局部击穿使得器件失效(可以类比尖端放电现象，尖锐的地方容易雷击损坏)。由于改进后的栅介质与P+型源区在一个平面，不再突兀的附在P+型源区之上，所以缓和了这种局部电场过大的现象。
根据本发明的实施例，栅介质的材料为氧化铝、氮化硅或氧化铪，栅介质的厚度为30-100nm。栅介质材料为高介电常数耐高压的绝缘材料。
根据本发明的实施例，P型漂移区、P型沟道区和P+型源区为长方体或者圆柱体结构；当P型漂移区、P型沟道区和P+型源区为圆柱体结构时，栅介质为环绕于圆柱体结构外周的环栅结构，P型沟道区的直径为150-500nm；当P型漂移区、P型沟道区和P+型源区为长方体结构时，栅介质为位于长方体结构两侧的双栅结构，P型沟道区长度为150-500nm。栅介质为环栅结构时，使得栅电极对P型沟道区控制作用大大增强，P型沟道区宽度设计余量增大，有利于降低输出电阻，提升输出电流。
本发明的垂直结构的金刚石深耗尽型场效应晶体管，通过给予合适的掺杂浓度并设计合适的沟道宽度，使得在一定的正向栅极偏压下沟道实现耗尽，器件进入良好的关断状态，漏电流极低。
根据本发明的实施例，提供了一种如上所述的金刚石深耗尽型场效应晶体管的制备方法，包括：在本征金刚石衬底上依次制作P+型漏层即P+型漏区、P型漂移层、P型沟道层和P+型源层；分别对所述P型漂移层、P型沟道层和P+型源层进行刻蚀，从而使所述P+型漏区两侧暴露，使所述P型漂移层、P型沟道层和P+型源层分别形成P型漂移区，P型沟道区和P+型源区；在所述P型漂移区，P型沟道区和P+型源区的外侧制作栅介质；在所述P+型漏区两侧暴露的位置制作漏电极，在所述P+型源区上制作源电极，在所述栅介质上制作栅电极。
根据本发明的实施例，采用微波等离子化学气相沉积技术(MPCVD)工艺原位生长P+漏区，P型漂移层和P型沟道层。
根据本发明的实施例，对P型漂移层、P型沟道层和P+型源层采用多步光刻和刻蚀，需要暴露出P+漏区两侧作为欧姆接触区，需要刻蚀得到合适宽度的P型沟道区，以及对P+源区刻蚀出槽角，使得后续的栅介质沉积在此处时能形成平整平面。具体光刻可采用不同线宽的光刻和电子束曝光相结合的技术，提升效率并节约成本。具体刻蚀可采用ICP-RIE刻蚀技术，以获得较好的刻蚀比和较平滑的垂直界面，保证精度和低界面态。
根据本发明的实施例，采用磁控溅射、电子束蒸发、ALD并结合揭开-剥离(lift-off)工艺沉积氧化铝、氧化铪等绝缘高介电常数耐高压栅介质，同时可作为钝化保护层。
根据本发明的实施例，采用磁控溅射、电子束蒸发等技术沉积Au、Ti等金属膜，采用lift-off工艺得到需要的金属电极图案。
以下列举具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。
实施例1
图1是本发明实施例1中制备的垂直结构的金刚石深耗尽型MISFET的剖视图。在本实施例中，提供了一种垂直结构金刚石深耗尽型MISFET的制备方法，其结构如图1所示，其中，P+型漏区2、P型漂移区4、P型沟道区5、P+型源区6、源电极7和栅电极9均为长方体，制备步骤如下：
步骤A：在本征金刚石衬底1上外延生长P+漏层即P+漏区。
具体地，本实施例采用MPCVD工艺原位硼掺杂生长P+型金刚石漏层，掺杂浓度为1020cm-3，厚度为50nm。
步骤B：在P+漏区上外延生长P型漂移层和P型沟道层。
具体地，本实施例采用MPCVD工艺原位硼掺杂依次生长P型金刚石漂移层和P型金刚石沟道层，掺杂浓度为2×1017cm-3，P型漂移层厚度为1μm，P型沟道层厚度为500nm。
步骤C：在P型沟道层上外延生长P+型源层。
具体地，本实施例采用MPCVD工艺原位硼掺杂生长P+金刚石，掺杂浓度为1020cm-3，厚度为50nm。
步骤D：光刻、刻蚀形成特定尺寸的P型漂移层、P型沟道层和P+型源层，形成P型漂移区4、P型沟道区5和P+型源区6。
具体地，本实施例需要多步光刻和刻蚀，需要暴露出P+型漏区2作为欧姆接触区，需要刻蚀得到1-4微米长度的P型漂移区4和200nm横向长度的P+型源区6和200nm长度的P型沟道区5。光刻采用不同线宽的光刻和电子束曝光相结合的技术，刻蚀采用ICP-RIE刻蚀技术。
步骤E：沉积栅介质8。
具体地，采用磁控溅射、电子束蒸发、ALD并结合lift-off工艺在P型漂移区4、P型沟道区5和P+型源区6的外侧沉积氧化铝绝缘高介电常数耐高压栅介质8，同时可作为钝化保护层。栅介质厚度为30nm。
步骤F：制备源电极7、漏电极3和栅电极9。
具体地，采用磁控溅射法分别制备源电极7、漏电极3和栅电极9。在P+型源区6上沉积Au金属膜制备源电极7，源电极7自P+型源区6延伸至栅介质8上方；在P+型漏区2上且位于所述P型漂移区4两侧的位置沉积Au金属膜制备漏电极3；在栅介质8上沉积Au金属膜制备栅电极9，源电极7、漏电极3和栅电极9厚度为100nm。采用lift-off工艺得到需要的金属电极图案。
至此，完成整个垂直结构深耗尽型金刚石MISFET的制备。
实施例2
图2为本发明的实施例2中垂直结构深耗尽型金刚石MISFET的制备过程示意图。如图2(a)-(f)所示，实施例2的制备方法和实施例1的区别仅在于，步骤D中，需要进一步在P+型源区6刻蚀出槽角以暴露出P型沟道区5上方的部分区域，步骤E中，使栅介质8延伸至P型沟道区5上方的部分区域且与P型沟道区5相接触以形成平滑表面，步骤F中，使源电极7自P+型源区6延伸至所述栅介质8上方。实施例2是实施例1改善了源场版后的结构，是对实施例1中结构的进一步优化。图3为本发明的实施例2中制备的深耗尽型金刚石MISFET的剖视图。图4为传统侧向结构金刚石深耗尽型MISFET的剖视图。如图3和图4所示，传统侧向结构金刚石深耗尽型MISFET和本实施例中制备的垂直结构深耗尽型金刚石MISFET中P+型漏区2、P型漂移区4、P型沟道区5、P+型源区6，源电极7、栅介质8和栅电极9的材料组成均相同。
图5(a)为传统侧向结构金刚石深耗尽型MISFET的实验输出特性。图5(b)与本发明实施例2中垂直结构金刚石深耗尽型MISFET仿真所得的输出特性。如图5(a)和5(b)所示，本发明实施例2中垂直结构金刚石深耗尽型MISFET最大输出电流可接近500mA/mm，是传统侧向结构金刚石深耗尽型MISFET输出能力的数十倍。说明本发明实施例2中垂直结构金刚石深耗尽型MISFET具有更好的电流输出能力。
图6(a)为本发明实施例1中的垂直结构金刚石深耗尽型MISFET仿真所得的器件内电场分布图。图6(b)为本发明实施例2中的垂直结构金刚石深耗尽型MISFET仿真所得的器件内电场分布图。如图6(a)和图6(b)所示，仿真和分析表明，在漏电极3电压接近击穿电压时，实施例2中的垂直结构金刚石深耗尽型MISFET电场集中效应更弱。在相同电压偏置条件下，最易发生击穿的栅介质8峰值电场下降为实施例2中的金刚石深耗尽型MISFET峰值电场的三分之一左右。这说明实施例2中的垂直结构金刚石深耗尽型MISFET具有更好的电场分布和电压耐受能力。
实施例3
图7为本发明的实施例3中制备的环栅结构的金刚石深耗尽型MISFET的俯视图。如图3所示，实施例3采用和实施例2相同的制备方法，区别仅在于结构上，实施例3中金刚石深耗尽型MISFET的P+型漏区2、P型漂移区4、P型沟道区5、P+型源区6、源电极7和栅电极9均为圆柱体，栅介质8为环栅结构。环栅结构，使得栅极对沟道控制作用大大增强，沟道宽度设计余量增大，有利于降低输出电阻，提升输出电流。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种垂直结构的金刚石深耗尽型场效应晶体管，包括：
本征金刚石衬底；
P+型漏区，材料为P+型掺杂金刚石，形成于所述本征金刚石衬底上；
P型漂移区，材料为P型掺杂金刚石，形成于所述P+型漏区上；
漏电极，形成于所述P+型漏区上且位于所述P型漂移区两侧的位置；
P型沟道区，材料为P型掺杂金刚石，形成于所述P型漂移区上；
P+型源区，材料为P型掺杂金刚石，形成于所述P型沟道区上；
源电极，形成于所述P+型源区上；
栅介质，形成于所述P型漂移区、所述P型沟道区和所述P+型源区的外侧，并且与所述P型漂移区、所述P型沟道区和所述P+型源区相接触；以及
栅电极，形成于所述栅介质上。
2.如权利要求1所述的金刚石深耗尽型场效应晶体管，其中，所述栅介质延伸至所述P+型源区上方的部分区域，所述源电极自所述P+型源区延伸至所述栅介质上方；或者
所述栅介质延伸至所述P型沟道区上方的部分区域且与所述P型沟道区相接触以形成平滑表面，所述源电极自所述P+型源区延伸至所述栅介质上方。
3.如权利要求1所述的金刚石深耗尽型场效应晶体管，其中，所述P型漂移区、所述P型沟道区和所述P+型源区为长方体或者圆柱体结构；
当所述P型漂移区、所述P型沟道区和所述P+型源区为圆柱体结构时，所述栅介质为环绕于所述圆柱体结构外周的环栅结构，所述P型沟道区的直径为150-500nm；
当所述P型漂移区、所述P型沟道区和所述P+型源区为长方体结构时，所述栅介质为位于所述长方体结构两侧的双栅结构，所述P型沟道区长度为150-500nm。
4.如权利要求1所述的金刚石深耗尽型场效应晶体管，其中，所述P+型漏区和所述P+型源区分别采用硼掺杂，掺杂浓度为1020～1021cm-3。
5.如权利要求1所述的金刚石深耗尽型场效应晶体管，其中，所述P+型漏区和所述P+型源区的厚度为50-500nm。
6.如权利要求1所述的金刚石深耗尽型场效应晶体管，其中，所述P型漂移区、所述P型沟道区分别采用硼掺杂，掺杂浓度为1015～1018cm-3。
7.如权利要求1所述的金刚石深耗尽型场效应晶体管，其中，所述P型漂移区的厚度为0.5-2μm。
8.如权利要求1所述的金刚石深耗尽型场效应晶体管，其中，所述P型沟道区厚度为0.3-1μm；
所述栅介质的材料为氧化铝、氮化硅或氧化铪；
所述栅介质的厚度为30-100nm。
9.如权利要求1所述的金刚石深耗尽型场效应晶体管，其中，所述漏电极和所述源电极的材料为Pt、Au、Ti、W或Ti/Pt/Au；
所述栅电极的材料为Al、Au、W、Pt或Ti/Au。
10.一种权利要求1-9中任一项所述的金刚石深耗尽型场效应晶体管的制备方法，包括：
在本征金刚石衬底上依次制作P+型漏层即P+型漏区、P型漂移层、P型沟道层和P+型源层；
分别对所述P型漂移层、P型沟道层和P+型源层进行刻蚀，从而使所述P+型漏区两侧暴露，使所述P型漂移层、P型沟道层和P+型源层分别形成P型漂移区，P型沟道区和P+型源区；
在所述P型漂移区，P型沟道区和P+型源区的外侧制作栅介质；
在所述P+型漏区两侧暴露的位置制作漏电极，在所述P+型源区上制作源电极，在所述栅介质上制作栅电极。
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