CN117276352B - 一种晶体管结构及其制备方法、记录媒体和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种晶体管结构的制备方法，通过热感知设计构建垂直于氧化镓[201]晶向生长的金刚石导热层，使得晶体管异质结集聚的热量通过金刚石较快导出；在氧化镓晶体管上层直接外延生长大晶粒度的多晶金刚石，减少金刚石内的晶界散射，实现良好的表面热蔓延性能；尤其适用于半导体晶圆制造工艺。本发明还提供一种存储有该方法程序的非暂态可读记录媒体及包含该媒体的系统，通过处理电路可以调用程序，执行上述方法。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，公开了一种晶体管结构及其制备方法、记录媒体和系统。
背景技术
β相氧化镓具有4.6eV—4.9eV的超宽带隙，远大于宽带半导体4H相碳化硅和氮化镓，因此β相氧化镓晶体管相比于宽带半导体晶体管具有更高的临界电场强度，可以作为下一代功率半导体材料，应用于更高压的应用场合。再加上其单晶生长成本较低，氧化镓晶体管受到了行业内的广泛关注。
然而，氧化镓晶体管的主要性能瓶颈在于其导热性能较差，由于β相氧化镓的热导率远低于宽带半导体4H相碳化硅和氮化镓，氧化镓晶体管的自发热问题较为严重，亟需采用一系列技术手段提升氧化镓晶体管的导热性能。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种晶体管结构，一种晶体管结构，包括从下至上顺序叠置的多晶金刚石衬底，铁掺杂β相氧化镓层，硅掺杂β相氧化镓层，硅掺杂β相氧化镓层的下底面在铁掺杂β相氧化镓层的上表面内部，硅掺杂β相氧化镓层的上半层两侧部分为重掺杂n++区域，硅掺杂β相氧化镓层的上半层中间部分与下半层的掺杂浓度一致；两个重掺杂n++区域的质心连线穿过所述上半层中间部分的质心且与硅掺杂β相氧化镓层的[201]晶向垂直；铁掺杂β相氧化镓层和硅掺杂β相氧化镓层的上方覆盖有导电导热层，所述导电导热层包括被绝缘导热材料隔开的漏极、栅极和源极。
优选的，所述绝缘导热材料为多晶金刚石或氮化铝。
为完成上述晶体管结构的制备，本发明还提供一种晶体管结构的制备方法，具体方案包括如下步骤：
首先，通过低温键合方法将铁掺杂β相氧化镓层与多晶金刚石衬底相连结；再通过化学气相沉积法，在铁掺杂β相氧化镓层上表面生长出一层硅掺杂β相氧化镓；硅掺杂β相氧化镓层的下底面在铁掺杂β相氧化镓层的上表面内部；
对硅掺杂β相氧化镓层的上半层两侧部分进行n++重掺杂，形成异质结，两个重掺杂n++区域的质心连线穿过上半层中间部分的质心且与硅掺杂β相氧化镓层的[201]晶向垂直；
通过化学气相沉积法在未被覆盖的在铁掺杂β相氧化镓层上表面、硅掺杂β相氧化镓层上表面生长多晶金刚石层；对多晶金刚石层刻蚀，使异质结半导体上表面源极、栅极和漏极的区域曝露，在曝露区域沉积源极、栅极和漏极导体，完成晶体管结构的制备。
优选的，所述低温键合方法为：对β相氧化镓和金刚石表面分别通过氧等离子辐照和硫酸和双氧水清洁处理形成羟基，羟基表面接触经热脱水反应结合为界面。
优选的，沉积源极、栅极和漏极导体的方法包括以下步骤：
钨金属层通过溅射并使用铬掩膜进行图案定义，采用SF6等离子体反应离子刻蚀化学方法沉积；在氮气环境中使用快速热退火在900摄氏度下激活硅离子注入；通过蒸发法注入Ti/Al/Ni/Au金属叠层，随后在氮气环境中进行470摄氏度的快速热退火处理1分钟，在注入区域实现了欧姆接触。
本发明的另一方案在于提供一种非暂态可读记录媒体，用以存储包含多个指令的一个或多个程序，当执行指令时，将致使处理电路执行上述的一种晶体管结构的制备方法。
本发明的又一方案在于提供一种晶体管结构的制备系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行上述一种晶体管结构的制备方法。
相对于现有技术，本发明产生以下有益效果：
首先，本发明通过热感知设计构建垂直于氧化镓[201]晶向生长的金刚石导热层，使得晶体管异质结集聚的热量通过金刚石较快导出；其次在氧化镓晶体管上层直接外延生长大晶粒度的多晶金刚石，减少金刚石内的晶界散射，实现良好的表面热蔓延性能；另外，在氧化镓晶体管下层通过低温键合的方式加工复合晶圆结构，通过氧化镓与单晶金刚石较低的层间界面热阻，实现向下的良好导热性能。
附图说明
图1为本发明实施例中晶体管结构示意图；
图2为本发明实施例中晶体管底部散热层键合工艺示意图；
图3为本发明实施例中晶体管基材制造工艺完成示意图；
图4为本发明实施例中基材之上沉积金刚石散热层工艺完成示意图；
图5为本发明实施例中在金刚石散热层中刻蚀出电极区域示意图；
图6 为本发明实施例中注入电极工艺完成示意图；
图中，1.金刚石衬底；2.铁掺杂β相氧化镓层；3.硅掺杂β相氧化镓层；4.重掺杂n++区域；5.漏极；6.外延生长金刚石层；7.栅极；8.源极；×代表[201]晶向为垂直射向纸面内。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创新劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种晶体管结构的实施例如下：
如图1所示，本申请中涉及的金刚石材料均为多晶金刚石，晶体管的结构包括金刚石衬底1、铁掺杂β相氧化镓层2、硅掺杂β相氧化镓层3、重掺杂n++区域4、漏极5、外延生长金刚石层6、栅极7、源极8；其中金刚石衬底1与铁掺杂β相氧化镓层2之间具有良好的界面结构，因此界面热阻较低，具体的制备方法见后；氧化镓异质结的方向垂直于[201]晶向，因为氧化镓在[201]晶向的热导率最低，根据热感知设计原理，垂直于这一方向的器件设计会使得氧化镓异质结导热性能更好，故漏极5侧和源极8侧的两块重掺杂n++区域4连线通过硅掺杂β相氧化镓层3的质心且与[201]晶向垂直。外延生长金刚石层6是直接构筑在重掺杂n++区域4外，多晶金刚石具有110W/mK左右的热导率，和氧化镓之间的界面热阻仅有30.2m2K/GW，同样具有好的界面导热性能，使得器件表面具有较好的热蔓延特性。
本晶体管的制备方法实施例如图2-图6所示：
如图2，首先通过低温键合方法将铁掺杂β相氧化镓薄膜与金刚石基层相连结，具体低温键合方法为：首先对β相氧化镓薄膜进行表面处理，然后β相氧化镓和金刚石表面分别通过氧等离子辐照和硫酸和双氧水清洁处理形成羟基，将羟基表面连接，在热脱水反应后直接结合，形成良好界面。实施例中铁掺杂β相氧化镓薄膜厚度为6.5微米，金刚石基层厚度为350微米。
如图3，通过有机金属化学气相沉积法，在铁掺杂β相氧化镓层2表面生长出硅掺杂β相氧化镓层。实施例中硅掺杂区域厚度为65纳米。硅掺杂β相氧化镓内加入重n++掺杂，形成异质结，注意两个重n++掺杂区域之间的连线应垂直于[201]晶向。
如图4，通过在金刚石和β-Ga2O3之间使用薄的二氧化硅中间层以及低功率/低压CVD生长。根据二氧化硅的厚度不同，多晶金刚石薄膜的最终厚度可在260纳米到960纳米之间变化。此种多晶金刚石的热导率在110W/mK左右，和氧化镓之间的界面热阻包含二氧化硅层仅有30.2m2K/GW。
如图5，通过金刚石刻蚀，将源极8、栅极7和漏极5的区域暴露出。
如图6，沉积源极、栅极和漏极金属。一层钨金属层通过溅射并使用铬掩膜进行图案定义，采用SF6等离子体反应离子刻蚀化学方法沉积。在氮气环境中使用快速热退火在900摄氏度下激活硅离子注入。通过蒸发法注入Ti/Al/Ni/Au金属叠层，随后在氮气环境中进行470摄氏度的快速热退火处理1分钟，在注入区域实现了欧姆接触。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机、可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
将上述方法步骤汇编成程序再存储于硬盘或其他非暂态存储介质就构成了本发明的“一种非暂态可读记录媒体”技术方案；而将该存储介质与计算机处理器电连接，通过数据处理能完成晶体管结构制备，则构成本发明的“一种晶体管结构的制备系统”技术方案。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种晶体管结构，包括从下至上顺序叠置的多晶金刚石衬底，铁掺杂β相氧化镓层，硅掺杂β相氧化镓层，其特征在于，硅掺杂β相氧化镓层的下底面在铁掺杂β相氧化镓层的上表面内部，硅掺杂β相氧化镓层的上半层两侧部分为重掺杂n++区域，硅掺杂β相氧化镓层的上半层中间部分与下半层的掺杂浓度一致；两个重掺杂n++区域的质心连线穿过所述上半层中间部分的质心且与硅掺杂β相氧化镓层的[201]晶向垂直；铁掺杂β相氧化镓层和硅掺杂β相氧化镓层的上方覆盖有导电导热层，所述导电导热层包括被绝缘导热材料隔开的漏极、栅极和源极。
2.根据权利要求1所述的一种晶体管结构，其特征在于，所述绝缘导热材料为多晶金刚石或氮化铝。
3.一种晶体管结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：首先，通过低温键合方法将铁掺杂β相氧化镓层与多晶金刚石衬底相连结；再通过化学气相沉积法，在铁掺杂β相氧化镓层上表面生长出一层硅掺杂β相氧化镓；硅掺杂β相氧化镓层的下底面在铁掺杂β相氧化镓层的上表面内部；对硅掺杂β相氧化镓层的上半层两侧部分进行n++重掺杂，形成异质结，两个重掺杂n++区域的质心连线穿过上半层中间部分的质心且与硅掺杂β相氧化镓层的[201]晶向垂直；通过化学气相沉积法在未被覆盖的铁掺杂β相氧化镓层上表面、硅掺杂β相氧化镓层上表面生长多晶金刚石层；对多晶金刚石层刻蚀，使异质结半导体上表面源极、栅极和漏极的区域曝露，在曝露区域沉积源极、栅极和漏极导体，完成晶体管结构的制备。
4.根据权利要求3所述的一种晶体管结构的制备方法，其特征在于，所述低温键合方法为：对β相氧化镓和金刚石表面分别通过氧等离子辐照和硫酸和双氧水清洁处理形成羟基，羟基表面接触经热脱水反应结合为界面。
5.一种非暂态可读记录媒体，用以存储包含多个指令的一个或多个程序，其特征在于，当执行指令时，将致使处理电路执行权利要求3-4中任一项所述的一种晶体管结构的制备方法。
6.一种晶体管结构的制备系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，其特征在于，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行权利要求3-4中任一项所述的一种晶体管结构的制备方法。
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2023
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