[發明專利]一種基于金剛石襯底的MOSFET器件的結構及其制備方法

在審

• 申請號: 202011592523.1
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112701162A
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 陳軍飛;王東;吳勇;陳興;黃永;操焰;崔傲;袁珂;谷露云;汪瓊;陸俊;季亞軍;孫凱;張進成
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學蕪湖研究院
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L21/336;H01L29/06;H01L29/423;H01L29/16
• 代理公司: 蕪湖思誠知識產權代理有限公司 34138
• 代理人: 房文亮

本發明公開了一種基于金剛石襯底的MOSFET器件的結構及其制備方法，屬于微電子技術領域，包括金剛石襯底、設于金剛石襯底上下兩端的氫終端層、分別設于金剛石襯底兩側的源電極和漏電極、在氫終端層的表面設置的柵介質層以及設置在柵介質層表面的柵電極，采用本方法形成的雙柵金剛石器件，可以在保持閾值電壓基本不變的情況下提高金剛石器件的最大飽和電流和跨導，將器件的開關比提高近3個數量級，降低器件的輸出電阻，大幅度提高金剛石器件的截止頻率，而且制造工藝簡單，重復性好的特點。

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，具體涉及一種基于金剛石襯底的MOSFET器件的結構及其制備方法，制備的器件可用于高壓高頻率應用場合以及構成數字電路基本單元。

背景技術

金剛石被稱為半導體材料的中的終極材料，具有寬禁帶、高擊穿電場、高頻、耐高溫等優異性質。單晶金剛石與氫氣在金剛石表面形成氫終端，該結構在室溫下可以獲得高于4500cm²/Vs的電子遷移率，以及高達1.5×10⁷cm/s的飽和電子速度，并且可以獲得高達10¹²-10¹⁴cm^-2的二維空穴氣密度，高達5.5eV左右的禁帶寬度使得金剛石具有良好的抗擊穿能力，其最高擊穿場強可達到10MV/cm，這一值約為GaN的3.3倍，約為Si的33倍。除了擊穿電場高之外，金剛石的熱導率也很高，達到了2200W/m·K，有著很好的散熱性。這體現了金剛石是一種制作高溫高壓器件的潛力理想材料。

雖然金剛石基器件的研究已取得了很大的進展，但是由于獲得的金剛石材料的質量還不夠高，使得金剛石基器件的優越性并未完全體現出來。由于金剛石單晶制備困難，目前金剛石薄膜主要是在單晶金剛石襯底上通過同質外延獲得的，制備出的金剛石基MOSFET器件在最大飽和電流、跨導、器件的開關比、、輸出電阻、截止頻率等方面均存在不足。

發明內容

本發明的目的在于克服上述問題，針對金剛石器件的柵極結構，改善器件柵極的柵控能力，從器件結構的優化角度提出一種基于氫終端金剛石器件水平雙柵器件結構及其制作方法，在相同材料、工藝下對器件的基本性能進行了優化。

本發明的器件結構包括金剛石襯底、設于金剛石襯底上下兩端的氫終端層、分別設于金剛石襯底兩側的源電極和漏電極、在氫終端層的表面設置的柵介質層以及設置在柵介質層表面的柵電極。

優選的，所述金剛石襯底由金剛石在MPCVD設備中經過同質外延形成，生長過程中使用H₂和CH₄的混合氣體，其中CH₄的占比為3％～7％。

優選的，所述氫終端層是采用MPCVD技術，將金剛石襯底放置在MPCVD腔體內，用氫等離子體處理10min形成；

處理時的溫度700-900℃，形成表面吸附層，產生由能帶彎曲而形成空穴堆積。

優選的，所述源電極和漏電極是在金剛石襯底的兩側淀積100nm的Au，與金剛石襯底表面形成歐姆接觸。

優選的，所述柵電極為常規的肖特基接觸或者金屬-介質層-半導體結構。

優選的，所述柵介質層為Al₂O₃薄膜材料。

優選的，所述金剛石襯底采用單晶金剛石。

一種基于金剛石襯底的MOSFET器件的結構的制備方法，包括如下步驟：

S1：采用MPCVD生長的無顏色的單晶金剛石作為襯底，在700-900℃溫度下，將金剛石襯底上下表面分別暴露在氫等離子中5-15min以形成氫終端層，氫氣流速為450-550sccm；

S2：在具有氫終端層的金剛石襯底兩側，利用電子束蒸發淀積一層50-150nm厚的Au，與金剛石襯底表面形成歐姆接觸作為源電極、漏電極；