[發(fā)明專利]氫終端金剛石基兩步法介質(zhì)層場效應(yīng)晶體管及其制備方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201910094128.1
• 申請日: 2019-01-30
• 公開（公告）號: CN109920736A
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王宏興;王艷豐;常曉慧;王瑋;問峰;王若錚;侯洵
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: H01L21/336
• 分類號: H01L21/336;H01L29/78
• 代理公司: 陜西增瑞律師事務(wù)所 61219
• 代理人: 張瑞琪

本發(fā)明公開了氫終端金剛石基兩步法介質(zhì)層場效應(yīng)晶體管及其制備方法，在金剛石襯底1上生長出氫終端金剛石外延薄膜2，在氫終端金剛石外延薄膜2上制備出源極3和漏極4，沉積介質(zhì)層5覆蓋所有結(jié)構(gòu)，對介質(zhì)層5圖形化處理，保留源極3、漏極4及其之間的介質(zhì)層5，在源極3和漏極4之間的介質(zhì)層5上沉積出柵極6；本發(fā)明采用兩步法制備介質(zhì)層，通過兩個步驟完成介質(zhì)層的制備，先使用低溫工藝制備一層介質(zhì)層保護氫終端金剛石的二維空穴氣不被破壞，再使用高溫工藝沉積高質(zhì)量介質(zhì)層改善器件性能，從而提升器件的電學(xué)特性，該兩步法制備的氧化鋁薄膜，既可以最大程度的保護氫終端金剛石的二維空穴氣，又可以得到高質(zhì)量的介質(zhì)層氧化鋁薄膜。

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，尤其涉及氫終端金剛石基兩步法介質(zhì)層場效應(yīng)晶體管及其制備方法。

【背景技術(shù)】

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟和科技的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域得到了前所未有的進步。作為集成電路的基石——半導(dǎo)體材料，更是起著舉足輕重的作用。金剛石作為第四代半導(dǎo)體的典型代表之一，在各個方面都具有優(yōu)異性能，被譽為“終極半導(dǎo)體”。尤其是在電學(xué)領(lǐng)域，金剛石具有大的禁帶寬度、超高的擊穿電壓、高的Johnson指數(shù)、高的Keyes指數(shù)、高的Baliga指數(shù)、大的電子遷移率以及空穴遷移率。因此，使用金剛石材料制作的超高頻、超大功率電子器件具有先天的優(yōu)勢。

集成電路的基本單元是場效應(yīng)晶體管，按照結(jié)構(gòu)劃分可以分為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)。在結(jié)構(gòu)上，這兩者的主要差異是前者在柵電極和半導(dǎo)體之間有一層介質(zhì)層，將柵電極和半導(dǎo)體分離開，通孔調(diào)節(jié)柵極偏壓來調(diào)控溝道載流子；而后者柵電極直接和半導(dǎo)體接觸，形成肖特基接觸。MOSFET一般用在大功率電路方面，具有高的擊穿電壓和電流密度；MESFET一般用在高頻領(lǐng)域，具有低的寄生效應(yīng)。隨著集成電路的飛速發(fā)展，一般MESFET也需要具備大功率特性，來滿足目前集成電路功率來越大的要求。這就要求半導(dǎo)體材料本身具有良好的導(dǎo)熱特性，高的載流子遷移率等特點。金剛石可以同時滿足這些要求，是替代其他半導(dǎo)體材料，延續(xù)摩爾定律的明智選擇。

目前，金剛石面臨著最大的問題就是有效摻雜。由于常規(guī)摻雜劑，如硼、磷等元素在金剛石內(nèi)的激活能大，使得摻雜金剛石的載流子濃度低，無法滿足器件的使用。科學(xué)家為了解決這個問題，嘗試使用δ超薄摻雜技術(shù)，該技術(shù)是在金剛石內(nèi)部形成一層納米級別厚度的摻雜層，類似于二維載流子氣層，但是該技術(shù)對摻雜的要求極高，載流子遷移率也不是十分的理想，因此該技術(shù)在金剛石中并沒有得到廣泛的應(yīng)用。幸運的是，研究表明把金剛石置于氫等離子體中處理，在金剛石表面將形成碳?xì)滏I，然后金剛石表面以下10nm左右將形成一層二維空穴氣，這層二維空穴氣的濃度可達10¹³cm^-2左右，載流子遷移率可達20-200cm²·V^-1·s^-1，這種金剛石被稱為氫終端金剛石。我們可以使用氫終端金剛石來制備場效應(yīng)晶體管。目前為止，這層二維空穴氣的形成原因并沒有定論，兩個說法被大家廣發(fā)接受。第一，碳?xì)湓有纬晒矁r鍵以后，由于碳?xì)湓訉﹄娮訉ξ饔貌煌a(chǎn)生極化現(xiàn)象，使得二維空穴氣形成；第二，由于氫終端金剛石表面吸附一層水汽膜，空氣中大量帶電離子溶解到水汽膜中，帶負(fù)電的離子在金剛石表面感應(yīng)出空穴，帶正電的離子和金剛石表面的電子發(fā)生中和反應(yīng)，留下空穴，所以形成了二維空穴氣。不論是哪種原因形成了氫終端金剛石二維空穴氣層，這種二維空穴氣層都不是十分的穩(wěn)定，在高溫和有氧氣的環(huán)境下，二維空穴氣層會遭到不同程度的破壞，進而影響器件的性能。因此，為了解決這個問題，一般使用介質(zhì)層覆蓋氫終端金剛石來保護二維空穴氣層。原子層沉積技術(shù)作為沉積介質(zhì)層的常規(guī)手段，被廣泛使用在半導(dǎo)體器件制備中。為了得到高質(zhì)量介質(zhì)層，原子層沉積工藝一般會長時間使用很高的反應(yīng)溫度，這將一定程度損壞氫終端金剛石的二維空穴氣。

【發(fā)明內(nèi)容】