CN101859704B - 一种高温、高功率场效应晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于p型掺杂单晶金刚石薄膜的高温、高功率金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的制备方法，属于无机非金属材料器件制造工艺技术领域。本发明的主要特点是：在p型硼掺杂单晶金刚石薄膜上，制作源电极、漏电极和栅电极；源、漏电极采用金电极，而栅电极采用铅电极；在栅电极与p型金刚石薄膜之间采用SiOx作为绝缘层。采用微波等离子体化学气相沉积方法(MPCVD)沉积p型硼掺杂单晶金刚石薄膜，并以此为基础制备出半导体场效应晶体管器件，该器件稳定工作温度可达到690℃。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于p型掺杂单晶金刚石薄膜的高温、高功率金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的制备方法，属于无机金属材料器件制造工艺的技术领域。
背景技术
场效应晶体管(field effect transistor，FET)是一种三端有源器件，通过第三端(栅极)的电源来控制另外两端(源极、漏极)的电流的大小。在各种FET中氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)是微处理器和半导体存储器等超大规模集成电路中最重要、应用最广泛的器件。
目前FET一般采用Si和GaAs材料。但这些材料由于受到本身物理性质的限制，其器件工作温度比较低(理论极限工作温度小于150℃)，在高温、高频、大功率领域越来越显示其局限性，且不适宜于高辐射、腐蚀性条件。随着技术的不断进步及社会要求的不断提高，人们对“极端器件”(能工作在高功率、高温、恶劣环境下的器件)需求迅速增加，这就要求一种新的半导体材料来实现极端器件”。金刚石是一种集多种优良性能于一体的功能材料，具有高击穿电场、高饱和载流子漂移速率、高热导率等特性。另外，金刚石还具有良好的化学稳定性、优良的机械性能、磨擦性能、耐高温性能及与生物体有良好的兼容性，已引起微电子技术、光电子技术、微机械等领域的广泛关注，成为新材料研究的热点之一。研究表明：基于金刚石薄膜的电子器件能够在硅器件无法应用的场合发挥不可替代的作用，可实现高温、高速、高功率和抗辐射器件，因此被公认为是最有发展前途的新型半导体材料之一。
由于金刚石n型掺杂比较困难，目前金刚石基FET均为p型表面沟道器件，主要分两类，一类是基于硼掺杂p型金刚石的器件，另一类是基于氢终端未掺杂p型金刚石的器件。由于氢终端未掺杂p型金刚石的制备工艺尚需完善、载流子迁移率低等因素限制，氢终端器件还处于研究的初始阶段。目前研究较多的是硼掺杂金刚石薄膜FET。
由于单晶金刚石薄膜制备极其困难，目前国际上正在开发的掺杂金刚石基FET均采用多晶金刚石薄膜，而多晶金刚石薄膜晶界杂乱、缺陷多、表面粗糙、均匀性不好、空穴迁移率低(单晶金刚石理论值1600cm2/v·s，多晶金刚石实际值只有1-80cm2/v·s)等缺点，这使得FET器件的沟道迁移率低，速度难以提高。在本专利中我们采用微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)在Ib型单晶金刚石表面制备出了硼掺杂单晶金刚石薄膜，该单晶薄膜具有了很高的空穴迁移率，并在此基础上设计研制出了一种高温、高功率的金刚石基MOSFET。该研究成果在场效应晶体管的开发中极具价值，可以促进金刚石基场效应晶体管器件在各个领域的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温、高功率半导体场效应晶体管的制备方法。
本发明一种高温、高功率的场效应晶体管的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：
a、p型硼掺杂单晶金刚石薄膜的制备
(1)以购得的Ib型单晶金刚石作为衬底，在该衬底上沉积硼掺杂单晶金刚石薄膜：首先将经抛光的Ib型单晶金刚石在丙酮溶液中超声清洗10～20分钟，烘干后放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置中；
(2)先用真空泵对微波等离子体气相沉积(MPCVD)反应室抽真空至5～7Pa，然后用分子泵在对反应室抽真空至10-2Pa以下，然后通入甲烷、氢气和乙硼烷的混合反应气体；调节甲烷、氢气和乙硼烷的流量分别为1～10标准毫升/分、110～150标准毫升/分和1～10标准毫升/分，反应室的气压设定为0.1～0.3KPa，所述衬底的温度控制在650～700℃，微波功率设定为2000～2500W，薄膜生长时间为10～30分钟；
(3)待薄膜生长完毕后，先关闭甲烷和乙硼烷气体，将所述衬底温度降至200～300℃时关闭氢气流量，待温度降至室温后取出样品，然后将所得的硼掺杂单晶金刚石薄膜样品在700～800℃真空条件下退火3～6小时，然后放入150～180℃溶有饱和Cr2O3的H2SO4溶液中2～5分钟，最后取出薄膜用去离子水清洗2～3次并烘干后待用。
b、半导体场效应晶体管器件的制备
(1)器件的源漏电极的制备：采用LDM150D离子束溅射仪及光刻掩膜技术在上述p型单晶金刚石薄膜上沉积一层长条形的金薄膜，形成欧姆接触电极，然后对器件进行Ar+轰击，使金未覆盖的区域绝缘，长条形金的中间部分用KI进行选择性刻蚀，中间出现裸露的p型区域，使源极和漏极分开，形成源极和漏极。
(2)氧化层SiOX绝缘层和栅极铅电极的制备：在源极和漏极中间的p型区域沟道中，利用光刻掩膜技术，沉积绝缘层SiOX和栅极金属铅层。采用磁控射频溅射仪使用硅靶，频率为40KHz的中频电源，以Ar为溅射气体，O2为反应气体，衬底温度为300℃，溅射时间为2小时，形成厚度为20～30nm的SiOX绝缘层；然后在该绝缘层上，采用离子束溅射的方法，沉积一层厚度为100～300nm的栅极铅金属层。
本发明的特点是通过微波等离子化学气相沉积法(MPCVD)在Ib型单晶金刚石衬底上沉积p型硼掺杂单晶金刚石薄膜，其具有极高载流子迁移率(约965cm2/V.S)，在此基础上再制备源电极、漏电极和栅电极。源电极、漏电极采用金电极，而栅电极采用铅电极。在栅电极与p型金刚石薄膜之间采用SiOX作为绝缘层。绝缘层SiOX的厚度为20～30nm，栅极长为5～10um，栅电极与源、漏电极间隔均为5～10um；源、漏和栅电极金属层厚度均为100～300um。
本发明最终制得的半导体场效应晶体管器件与以往该器件相比，具有以下优点：
(1)本发明在高温、高功率应用方面比传统Si、GaAs等材料MOSFET器件有无可比拟的优势，可以稳定工作在690℃。
(2)本发明通过极低气压、低碳源浓度的同质外延生长可以获得具有高载流子迁移率的p型单晶金刚石薄膜，比现有硼掺杂多晶金刚石薄膜的载流子迁移率高10倍以上，有利改善器件的性能。
(3)本发明采用SiOX作为绝缘层，相对于SiNX等绝缘层器件，SiOX绝缘层器件具有更好的温度稳定性。
附图说明
图1为本发明p型单晶金刚石薄膜半导体场效应晶体管(MOSFET)器件的结构示意图。
图2为本发明中p型单晶金刚石薄膜的拉曼光谱图。
具体实施方式
现将本发明的具体实施叙述于后。
实施例
本实施例中，基于p型掺杂单晶金刚石薄膜的半导体场效应晶体管的制备过程和步骤如下：
(1)p型硼掺杂单晶金刚石薄膜的制备：采用外购的2×2mm2Ib型单晶金刚石作为沉积衬底。在丙酮溶液中超声清洗10分钟，并烘干后放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置中。
先用真空泵对MPCVD反应室抽真空至5Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至5×10-3Pa，通入甲烷、氢气和乙硼烷的混合反应气体，调节甲烷、氢气和乙硼烷的流量分别为1标准毫升/分、120标准毫升/分和2标准毫升/分；反应室的气压设定为0.2kPa，衬底温度控制在690℃，微波功率设定为2350W，薄膜生长时间20分钟。
薄膜生长完毕后，先关闭甲烷和乙硼烷气体，逐渐降低微波功率同时保持氢气流量不变直至衬底温度降至200℃，然后关闭氢气流量，待温度降至室温后取出样品。然后将单晶金刚石薄膜样品在800℃真空条件下退火5小时，接着放入180℃溶有饱和CrO3的H2SO4溶液中3分钟，最后取出薄膜用去离子水清洗3遍并烘干待用。
(2)半导体场效应晶体管(MOSFET)器件的制备：
采用传统的光刻掩模工艺在单晶金刚石薄膜衬底上制备金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)器件的源、漏和栅电极。绝缘层厚度为20纳米。栅电极长5微米，栅电极与源、漏电极间隔均为5微米，源、漏电极厚度均为200纳米，栅电极厚度100纳米。
(a)源和漏电极的制备：采用LDM150D离子束溅射仪及光刻掩膜技术在上述p型单晶金刚石薄膜上沉积一层长条形的金薄膜，形成欧姆接触电极，然后对器件进行Ar+轰击，使金未覆盖的区域绝缘，长条形金的中间部分用KI进行选择性刻蚀，中间出现裸露的p型区域，使源极和漏极分开，形成源极和漏极。
(b)氧化层SiOX绝缘层和栅极电极的制备：在源极和漏极中间的p型区域采用掩膜技术及真空蒸发的方法生长SiOX绝缘层和栅极电极。在源、漏电极中间的p型区域沟道中，利用光刻掩膜技术，沉积绝缘层SiOX和栅金属层铅(Pb)。采用磁控射频溅射仪，使用140mm×600mm的硅靶，频率为40KHz的中频电源，以Ar为溅射气体，O2为反应气体，衬底温度为300℃，溅射时间为2小时，形成的绝缘层厚度为20～30纳米。然后在栅绝缘层上，采用离子束溅射的方法，沉积一层栅金属层Pb，金属层厚度为100～300nm之间。
本发明实施例中的p型单晶金刚石薄膜半导体场效应晶体管(MOSFET)的结构可参见图1。
对以上制备的单晶金刚石薄膜及其MOSFET器件进行不同温度下的电性能测试。如图2单晶金刚石薄膜的拉曼光谱图显示，该薄膜只具有金刚石的特征峰(1332cm-1)，且金刚石特征峰的半高宽为2.4cm-1(与单晶体金刚石的约2.2cm-1接近，远好于多晶薄膜的5-10cm-1)，霍尔测试显示该金刚石薄膜的空穴迁移率为965cm2/v·s(远高于多晶薄膜的1-80cm2/v·s)。
MOSFET器件的电性能测试结果表明该器件具有极好的电流-电压特性及温度和功率特性：器件在690℃高温条件下仍能稳定工作，远好于硅基器件的约100℃工作温度；器件功率密度达到61W/mm，高于硅基器件功率密度(约10W/mm)。
Claims (1)
1.一种高温、高功率场效应晶体管的制备方法。其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：
a、p型硼掺杂单晶金刚石薄膜的制备
a-1.以购得的Ib型单晶金刚石作为衬底，在该衬底上沉积硼掺杂单晶金刚石薄膜：首先将经抛光的Ib型单晶金刚石在丙酮溶液中超声清洗10～20分钟，烘干后放入微波等离子体化学气相沉积装置中；
a-2.先用真空泵对微波等离子体化学气相沉积反应室抽真空至5～7Pa，然后用分子泵在对反应室抽真空至10-2Pa以下，然后通入甲烷、氢气和乙硼烷的混合反应气体；调节甲烷、氢气和乙硼烷的流量分别为1～10标准毫升/分、110～150标准毫升/分和1～10标准毫升/分，反应室的气压设定为0.1～0.3KPa，所述衬底的温度控制在650～700℃，微波功率设定为2000～2500W，薄膜生长时间为10～30分钟；
a-3.待薄膜生长完毕后，先关闭甲烷和乙硼烷气体，将所述衬底温度降至200～300℃时关闭氢气流量，待温度降至室温后取出样品，然后将所得的硼掺杂单晶金刚石薄膜样品在700～800℃真空条件下退火3～6小时，然后放入150～180℃溶有饱和Cr2O3的H2SO4溶液中2～5分钟，最后取出薄膜用去离子水清洗2～3次并烘干后待用；
b、半导体场效应晶体管器件的制备
b-1.器件的源漏电极的制备：采用LDM150D离子束溅射仪及光刻掩膜技术在上述p型单晶金刚石薄膜上沉积一层长条形的金薄膜，形成欧姆接触电极，然后对器件进行Ar+轰击，使金未覆盖的区域绝缘，长条形金的中间部分用KI进行选择性刻蚀，中间出现裸露的p型区域，使源极和漏极分开，形成源极和漏极；
b-2.氧化层SiOx绝缘层和栅极铅电极的制备：在源极和漏极中间的p型区域沟道中，利用光刻掩膜技术，沉积绝缘层SiOx和栅极金属铅层。采用磁控射频溅射仪使用硅靶，频率为40KHz的中频电源，以Ar为溅射气体，O2为反应气体，衬底温度为300℃，溅射时间为2小时，形成厚度为20～30nm的SiOx绝缘层；然后在该绝缘层上，采用离子束溅射的方法，沉积一层厚度为100～300nm的栅极铅金属层。
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