金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體及製備法的製作方法
2023-05-30 12:47:36 1
專利名稱：金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體及製備法的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種用自氧化方法製備的金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體及其製備方法，在通過表面氫化形成導電溝道的金剛石材料上結合多層複合薄層金屬自氧化薄膜方法實現高性能金屬-絕緣體-半導體電晶體器件的製備方法，屬於半導體器件製備的技術領域。
背景技術：
金剛石和石墨一樣由碳元素構成，但金剛石卻和石墨有很大的差別。金剛石是世界上最硬的材料，在機械切割、鑽探等領域有很廣泛的應用。同時，金剛石還是一種非常優秀的半導體材料，具有寬禁帶、高熱導率、高臨界擊穿電場、低的介電常數以及高的載流子遷移率等特性。金剛石材料的禁帶寬度(5. 5 eV)幾乎是Si材料的5倍，臨界擊穿場強是 GaN材料的3倍多。因此採用金剛石材料製備的半導體器件可以獲得比GaN器件更高的耐壓。而且金剛石材料的熱導率(20 W/cm*K)比散熱性能好的SiC材料還要高4倍。高的熱導率可以有效提高器件的散熱效率，降低器件性能受到熱效應的影響，是研製大功率器件的關鍵。同時，金剛石半導體材料還具有高的載流子遷移率，其空穴遷移率高於3000 cm2/Vs，而電子的遷移率更是高於4000 cm2/Vs0這使金剛石材料在高頻微波功率器件研究方面也具有極大的優勢。目前，金剛石材料是研製大功率器件以及高頻微波功率器件的最理想半導體材料。然而，由於金剛石通常需要通過高溫高壓的方法才能合成，往往合成出來的材料尺寸都非常小，通常不會超過lcm。因此，限制了金剛石半導體器件研究的進展。同時，由於金剛石具有寬的禁帶寬度，穩定有效的摻雜一直困擾著金剛石半導體器件的發展。半導體材料和金屬及絕緣體的顯著差異就是半導體材料可以通過摻雜來有效控制材料內部電阻率的變化，結合肖特基結、Pn結等來實現器件電流的控制。目前，金剛石材料可以通過摻硼、磷和硫的方式來實現摻雜。採用硼可以實現P型摻雜，而採用磷和硫可以實現η型摻雜。由於金剛石是寬帶隙半導體材料，採用硼、磷和硫來實現摻雜都面臨高激活能的問題(硼O. 37eV，磷O. 5eV，硫O. 4-0. 6eV)。高的激活能意味著雜質的離化效率很難提高，因此，採用硼、磷和硫來實現摻雜的方法難在室溫下獲得高的載流子濃度。為了解決這個問題，目前很多研究者開發了 S摻雜的方法。通過在一個很薄的層裡摻入大量的雜質來實現高濃度的摻雜。但這種摻雜方法，摻雜濃度的控制以及材料中載流子的遷移率都會受到影響。採用表面氫化的方法可以不通過摻雜即可提高金剛石材料的載流子濃度，而且獲得薄層空穴的濃度可以達到IO13 cm—2，在120 K-400 K溫度範圍下可以保持穩定。表面氫化的方法，利用氫原子有效鈍化了金剛石材料表面的懸掛鍵，可以獲得低的表面態密度(小於10ncnT2)。基於表面氫化金剛石材料研製的金剛石場效應電晶體通常採用肖特基勢壘結構。然而，採用這種結構會存在較大的柵漏電，不利於金剛石電晶體在微波的應用。採用金屬-絕緣體-半導體(MIS)結構可以有效抑制器件的柵漏電，提高器件柵壓調控範圍。目前研製中通常採用Si0x、Al203、CaF2以及BaF2等。然而，這些材料的相對介電常數都不是很高，因此，所用的材料厚度都不能很厚。如果介質過厚將會影響柵對溝道的控制能力，從而影響器件的跨導特性。結合氫表面處理金剛石材料，本項發明採用自氧化高/低介質複合薄膜製備方法，開發了一套新的可實現低柵漏電金剛石MIS結構微波場效應電晶體器件製備的方法。
發明內容
本發明提出的是一種用自氧化方法製備的金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體及其製備方法，採用表面氫化方法在金剛石表面引入導電層，採用蒸發氧化金屬形成介質材料，最大程度上保護了金剛石材料表面氫化後形成的表面導電層。在介質薄膜中引入具有高介電常數的TiO2材料，利用TiO2材料高介電常數的特性，提高複合薄膜整體的介電常數，減弱介質層厚度對器件跨導特性的影響。通過Al2OZTiO2複合薄膜的引入，有效抑制器件的柵漏電，提高器件柵控制能力，從而實現高性能金剛石MIS結構場效應電晶體的製備。本發明的技術解決方案金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體，其結構包括金剛石、金剛石表面氫化後形成的導電溝道、Au, Al203/Ti02複合介質薄膜和柵金屬,其中金剛石上是金剛石表面氫化後形成的導電溝道，在金剛石表面氫化後形成的導電溝道上 是兩個呈對稱狀的Au,兩個呈對稱狀的Au間是Al203/Ti02複合介質薄膜，Al203/Ti02複合介質薄膜上是柵金屬。一種用自氧化方法製備金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體的方法，其特徵是包括如下工藝步驟
一、將潔淨的非故意摻雜金剛石單晶材料放入MPCVD設備，在500°C-700°C的高溫下氫氣氛保護下進行表面氫化處理；
二、在表面氫化處理的金剛石材料上利用常規半導體工藝，通過甩正膠、曝光、顯影獲得歐姆電極圖形，使用電子束蒸發Au，利用正膠剝離技術獲得歐姆接觸金屬；
三、通過甩正膠、曝光、顯影獲得隔離圖形，使用氧等離子體處理技術實現器件隔離，用丙酮/乙醇去除光刻膠掩膜；
四、使用常規光刻技術，通過甩正膠、曝光、顯影獲得柵圖形；
五、通過電子束蒸發設備蒸發薄層Al金屬，然後在氮氣乾燥箱內自然氧化，然後再蒸發Ti金屬，然後在氮氣乾燥箱內自然氧化，通過多次反覆這一過程獲得高質量Al203/Ti02多層複合氧化薄膜；
六、利用電子束蒸發設備蒸發柵金屬，並通過正膠剝離技術獲得金屬柵；七、使用常規光刻技術，通過甩正膠、曝光、顯影獲得測試壓塊圖形，通過蒸發剝離Au金屬實現電極測試區域金屬加厚。本發明具有的優點I)滿足低柵漏電、高跨導金剛石微波功率器件研製的要求；
2)薄層Al及Ti自氧化形成Al203/Ti02複合介質薄膜的方法不僅可以有效保護金剛石材料表面的導電溝道層，還將起到降低柵漏電的作用；3)採用具有高介電常數的TiO2材料降低了介質厚度對器件跨導特性以及頻率特性的影響；4)利用剝離方法實現柵下介質的方法，將介質材料，包括高介電材料限制在柵以下區域，降低了柵側介質形成的寄生電容對器件頻率性能的影響；5)實現的MIS結構金剛石場效應電晶體可獲得低柵漏電，高柵工作電壓範圍等優點。
圖I是金剛石MIS結構場效應電晶體器件剖面結構圖。圖2-1是金剛石MIS結構場效應電晶體器件製備的工藝流程中獲得表面導電溝道的示意圖。圖2-2是金剛石MIS結構場效應電晶體器件製備的工藝流程中利用正膠剝離技術獲得歐姆接觸金屬的示意圖。圖2-3是金剛石MIS結構場效應電晶體器件製備的工藝流程中採用功率50W-100W的氧等離子體的示意圖。圖2-4是金剛石MIS結構場效應電晶體器件製備的工藝流程中用丙酮/乙醇去除光刻膠掩膜，完成器件隔離的示意圖。 圖2-5是金剛石MIS結構場效應電晶體器件製備的工藝流程中使用常規光刻技術，通過甩正膠、曝光、顯影獲得柵圖形的示意圖。圖2-6是金剛石MIS結構場效應電晶體器件製備的工藝流程中獲得高質量Al2O3/TiO2多層複合氧化薄膜的示意圖。圖2-7是金剛石MIS結構場效應電晶體器件製備的工藝流程中利用電子束蒸發設備蒸發柵金屬的示意圖。圖2-8是金剛石MIS結構場效應電晶體器件製備的工藝流程中通過正膠剝離技術獲得柵金屬的示意圖。圖3是實施例I製備好的金剛石MIS結構場效應電晶體器件柵電壓-柵電流特性測試的結果圖。圖4是實施例I製備好的金剛石MIS結構場效應電晶體器件轉移特性測試的結果圖。圖5是實施例I製備好金剛石MIS結構場效應電晶體器件頻率特性測試的結果圖。圖中的I是金剛石，2是金剛石表面氫化後形成的導電溝道，3是Au，4是Al2O3/TiO2複合介質薄膜，5是柵金屬，6是光刻膠，7是氧等離子體。
具體實施例方式對照圖1，採用自氧化方法製備的金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體器件，其結構包括金剛石I、金剛石表面氫化後形成的導電溝道2、Au，Al2O3AiO2複合介質薄膜4和柵金屬5，其中金剛石I上是金剛石表面氫化後形成的導電溝道2，在金剛石表面氫化後形成的導電溝道2上是兩個呈對稱狀的Au，兩個呈對稱狀的Au間是Al203/Ti02複合介質薄膜4，Al2O3AiO2複合介質薄膜4上是柵金屬5。所述的金剛石I為非故意摻雜單晶金剛石襯底材料，方阻大於10 ΜΩ/sq ；
所述的金剛石表面氫化後形成的導電溝道2為通過表面氫化後在金剛石表面形成的
空穴導電溝道層；
所述的Au為器件歐姆接觸，採用具有高功函數的Au作為歐姆接觸金屬，用來作為金剛石MIS結構場效應電晶體的源和漏電極；
所述的Al203/Ti02複合介質薄膜4為採用交替蒸發薄層Al及Ti，通過自氧化方法形成的Al203/Ti02複合介質薄膜，作為金剛石MIS結構器件中柵下的絕緣層，用來降低器件柵漏電，提聞棚的控制能力；
所述的柵金屬5為金剛石MIS結構場效應電晶體的柵，用來控制器件的溝道電流。對照圖2-廣圖2-8，金剛石MIS結構場效應電晶體器件製備的工藝流程為
1)將潔淨的非故意摻雜金剛石單晶材料放入微波化學氣相沉積(MPCVD)設備，設備中離化源是2. 45GHz, 1.2 kW，在500°C _700°C範圍內，純氫氣保護下，進行30分鐘到I小時的表面氫化處理，獲得表面導電溝道，如圖2-1中的金剛石表面氫化後形成的導電溝道2 ；
2)利用常規半導體工藝，通過甩正膠、曝光、顯影在樣品上獲得歐姆電極圖形，使用電子束蒸發Au，Au厚度大於50nm，利用正膠剝離技術獲得歐姆接觸金屬，如圖2_2中的Au ;
3)通過甩正膠、曝光、顯影獲得隔離圖形，如圖2-3中的光刻膠6，採用功率50W-100W的氧等離子體，如圖2-3中的氧等離子體7，對表面處理，時間不低於2min，用丙酮/乙醇去 除光刻膠掩膜，完成器件隔離，如圖2-4 ；
4)使用常規光刻技術，通過甩正膠、曝光、顯影獲得柵圖形，如圖2-5；
5)通過電子束蒸發設備先蒸發一層薄Al金屬，再在氮氣乾燥箱內自然氧化，然後再蒸發一層薄Ti金屬，然後在氮氣乾燥箱內自然氧化，每次單獨蒸發Al和Ti的厚度控制在l_3nm，蒸發完成後立刻放到氮氣乾燥箱內自然氧化，氧化溫度不超過90°C，每次氧化時間大於I小時，循環3-4次後再單獨蒸發氧化2nm Ti金屬2_5次，總的蒸發金屬厚度控制在30nm以內，通過多次反覆這一過程獲得高質量Al203/Ti02多層複合氧化薄膜，如圖2_6中的Al2O3AiO2複合介質薄膜4 ；
6 )利用電子束蒸發設備蒸發柵金屬，如圖2-7所示，並通過正膠剝離技術獲得柵金屬，如圖2-8中的柵金屬5 ；
7)使用常規光刻技術，通過甩正膠、曝光、顯影獲得測試壓塊圖形，通過蒸發剝離金屬Au實現電極測試區域金屬加厚；
實施例I)先將單晶金剛石襯底材料(5mmX5mmX0. 5mm)樣品進行表面清潔,分別在丙酮和乙醇溶液中超聲清洗5分鐘，在去離子水中漂洗後氮氣吹乾；
2)將樣品放入MPCVD設備，設備中離化源是2.45GHz, I. 2 kff,通過純氫氣進行保護，在500°C或600°C或700°C下進行40分鐘的表面氫化處理；
3)用AZ7908正型光刻膠作為掩膜，用旋轉塗覆的方法製備光刻膠層，勻膠轉數為5000rpm，勻膠時間為20秒，勻膠後在110°C熱板前烘150秒對光刻膠進行固化；使用光刻機將所需掩膜圖形曝光，使用RZX-3038正膠顯影液顯影；顯影后在90°C烘箱堅膜10分鐘；在電子束蒸發臺中澱積金屬Au,總厚度為120nm ;澱積完後在丙麗中浸泡4小時，然後在丙酮/乙醇中分別進行3分鐘的超聲處理，使用去離子水清洗，N2吹乾，獲得的金屬電極如圖2-2中的Au ;
4)用AZ7908正型光刻膠作為掩膜，勻膠轉數為5000rpm，勻膠時間為20秒，勻膠後在110°C熱板前烘150秒對光刻膠進行固化；使用光刻機將所需掩膜圖形曝光，使用RZX-3038正膠顯影液顯影；顯影后在90°C烘箱堅膜10分鐘；利用等離子體打膠機在純氧下用100 W功率打膠5分鐘，在丙酮/乙醇中分別進行3分鐘的超聲處理，使用去離子水清洗，N2吹乾；5)用AZ7908正型光刻膠作為掩模，勻膠轉數為5000rpm，勻膠時間為20秒，勻膠後在110°C熱板前烘150秒對光刻膠進行固化；使用光刻機將所需掩膜圖形曝光，使用RZX-3038正膠顯影液顯影；顯影后在90°C烘箱堅膜10分鐘，得到柵圖形掩模，如圖2-5 ；
6)通過電子束蒸發設備蒸發薄層2nm薄層Al金屬，然後放入22°C氮氣乾燥箱內自然氧化2小時，再次蒸發2nm薄層Ti金屬，放入22°C氮氣乾燥箱內自然氧化2小時，重複以上步驟3次，然後再按相同條件蒸發氧化2nm薄層Ti金屬兩次，最後獲得高質量Al203/Ti02多層複合氧化薄膜，如圖2-6中的Al203/Ti02複合介質薄膜4 ；
7)通過電子束蒸發設備蒸發200nm的Al金屬，然後將樣品放入丙酮溶液浸泡4小時，然後在丙酮/乙醇中分別進行3分鐘的超聲處理，使用去離子水清洗，N2吹乾，獲得的柵金屬電極如圖2-7中的柵金屬5 ； 8)用AZ7908正型光刻膠作為掩模，勻膠轉數為5000rpm，勻膠時間為20秒，勻膠後在110°C熱板前烘150秒對光刻膠進行固化；使用光刻機將所需掩膜圖形曝光，使用RZX-3038正膠顯影液顯影；顯影后在90°C烘箱堅膜10分鐘，得到測試電極圖形掩模；
9)通過電子束蒸發設備蒸發300nm的Au金屬，然後將樣品放入丙酮溶液浸泡4小時，然後在丙酮/乙醇中分別進行3分鐘的超聲處理，使用去離子水清洗，N2吹乾，完成對測試電極的金屬加厚。經過以上步驟，獲得的I微米柵長金剛石MIS結構場效應電晶體器件，在-3V到+3V柵壓範圍內漏電低於O. 5pA，在-4V到+4V柵壓範圍內漏電低於2pA，如圖3所示。器件在-5V漏壓下，-6V柵壓下漏電流達到80 mA/mm，在-3V柵壓下跨導達到了 22mS/mm,如圖4所示。器件的電流增益截止頻率達到了 2GHz以上，如圖5所示。
權利要求
1.金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體，其特徵是包括金剛石、金剛石表面氫化後形成的導電溝道、Au，Al2O3AiO2複合介質薄膜和柵金屬，其中金剛石上是金剛石表面氫化後形成的導電溝道，在金剛石表面氫化後形成的導電溝道上是兩個呈對稱狀的Au，兩個呈對稱狀的Au間是Al203/Ti02複合介質薄膜，Al2O3AiO2複合介質薄膜上是柵金屬。
2.根據權利要求I所述的剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體器件，其特徵是所述的金剛石為非故意摻雜單晶金剛石襯底材料，方阻大於10 ΜΩ/sq。
3.根據權利要求I所述的剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體器件，其特徵是所述的金剛石表面氫化後形成的導電溝道為通過表面氫化後在金剛石表面形成的空穴導電溝道層；所述的Au為器件歐姆接觸，採用具有高功函數的Au作為歐姆接觸金屬，用來作為金剛石MIS結構場效應電晶體的源和漏電極。
4.根據權利要求I所述的金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體器件，其特徵是所述的Al203/Ti02複合介質薄膜為採用交替蒸發薄層Al及Ti，通過自氧化方法形成的Al203/Ti02複合介質薄膜，作為金剛石MIS結構器件中柵下的絕緣層，用來降低器件柵漏電，提高柵的控制能力；所述的柵金屬為金剛石MIS結構場效應電晶體的柵，用來控制器件的溝道電流。
5.一種採用自氧化方法製備金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體的方法，其特徵是該方法包括如下工藝步驟 一、將潔淨的非故意摻雜金剛石單晶材料放入微波化學氣相沉積MPCVD設備，在5000C -700°C下氫氣氛保護下進行表面氫化處理，獲得表面導電溝道； 二、利用常規半導體工藝，通過甩正膠、曝光、顯影在步驟I)上得到的樣品上獲得歐姆電極圖形，使用電子束蒸發Au，利用正膠剝離技術獲得歐姆接觸金屬； 三、通過甩正膠、曝光、顯影獲得隔離圖形，使用氧等離子體處理技術實現器件隔離，用丙酮/乙醇去除光刻膠掩膜； 四、使用常規光刻技術，通過甩正膠、曝光、顯影獲得柵圖形； 五、通過電子束蒸發設備蒸發薄層Al金屬，然後I)在氮氣乾燥箱內自然氧化，然後再蒸發Ti金屬，2)在氮氣乾燥箱內自然氧化，3)通過多次反覆這一過程獲得高質量Al2O3/TiO2多層複合氧化薄膜； 六、利用電子束蒸發設備蒸發柵金屬，並通過正膠剝離技術獲得柵金屬； 七、使用常規光刻技術，通過甩正膠、曝光、顯影獲得測試壓塊圖形，通過蒸發剝離金屬Au實現電極測試區域金屬加厚。
6.根據權利要求5所述的一種採用自氧化方法製備金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體的方法，其特徵在於所述的工藝步驟一中，所用金剛石材料為非故意摻雜單晶材料，方阻大於10 ΜΩ/sq，MPCVD設備中離化源是2. 45GHz，1.2 kW，氫化過程在5000C -700°C範圍內，純氫氣保護下，進行30分鐘到I小時的表面氫化處理。
7.根據權利要求5所述的一種採用自氧化方法製備金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體的方法，其特徵在於所述的工藝步驟二中Au的厚度大於50 nm。
8.根據權利要求5所述的一種採用自氧化方法製備金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體的方法，其特徵在於所述的工藝步驟三中採用功率50W-100W的氧等離子體對表面處理，時間不低於2min。
9.根據權利要求5所述的一種採用自氧化方法製備金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體的方法，其特徵在於所述的工藝步驟五中，每次單獨蒸發Al和Ti的厚度控制在l_3nm，蒸發完成後立刻放到氮氣乾燥箱內自然氧化，氧化溫度不超過90°C，每次氧化時間大於I小時，循環3-4次，然後再單獨蒸發氧化2nm的Ti金屬2_5次，總的蒸發金屬厚度控制在30nm以內。
10.I根據權利要求5所述的一種採用自氧化方法製備金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體的方法，其特徵在於所述的工藝步驟六中柵金屬採用高電阻率Al、Au、Ti/Au或Ti/Al金屬，金屬總厚度大於100 nm。
全文摘要
本發明是一種用自氧化方法製備的金剛石金屬-絕緣體-半導體結構場效應電晶體及製備法，其結構是在金剛石上是金剛石表面氫化後形成導電溝道，在導電溝道上是兩個呈對稱狀的Au，兩個呈對稱狀的Au間是Al2O3/TiO2複合介質薄膜，其上是柵金屬。其製備方法包括表面氫化處理、形成歐姆接觸、器件隔離、製備Al2O3/TiO2多層複合氧化薄膜，形成絕緣層，形成MIS結構。優點有效保護金剛石材料表面的導電溝道層，具有降低柵漏電作用；採用高介電常數的TiO2材料降低介質厚度對器件跨導特性及頻率特性影響；用剝離方法實現柵下介質的方法，降低柵側介質形成的寄生電容對器件頻率性能的影響；獲得低柵漏電，高柵工作電壓範圍。
文檔編號H01L21/04GK102903756SQ20121032789
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月7日 優先權日2012年9月7日
發明者周建軍, 柏松, 孔岑, 陳堂勝 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所