CN102903756A

CN102903756A - 金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管及制备法

Info

Publication number: CN102903756A
Application number: CN2012103278965A
Authority: CN
Inventors: 周建军; 柏松; 孔岑; 陈堂胜
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明是一种用自氧化方法制备的金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管及制备法，其结构是在金刚石上是金刚石表面氢化后形成导电沟道，在导电沟道上是两个呈对称状的Au，两个呈对称状的Au间是Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜，其上是栅金属。其制备方法包括表面氢化处理、形成欧姆接触、器件隔离、制备Al₂O₃/TiO₂多层复合氧化薄膜，形成绝缘层，形成MIS结构。优点：有效保护金刚石材料表面的导电沟道层，具有降低栅漏电作用；采用高介电常数的TiO₂材料降低介质厚度对器件跨导特性及频率特性影响；用剥离方法实现栅下介质的方法，降低栅侧介质形成的寄生电容对器件频率性能的影响；获得低栅漏电，高栅工作电压范围。

Description

金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管及制备法

技术领域

本发明涉及的是一种用自氧化方法制备的金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管及其制备方法，在通过表面氢化形成导电沟道的金刚石材料上结合多层复合薄层金属自氧化薄膜方法实现高性能金属-绝缘体-半导体晶体管器件的制备方法，属于半导体器件制备的技术领域。

技术背景

金刚石和石墨一样由碳元素构成，但金刚石却和石墨有很大的差别。金刚石是世界上最硬的材料，在机械切割、钻探等领域有很广泛的应用。同时，金刚石还是一种非常优秀的半导体材料，具有宽禁带、高热导率、高临界击穿电场、低的介电常数以及高的载流子迁移率等特性。金刚石材料的禁带宽度（5.5 eV）几乎是Si材料的5倍，临界击穿场强是GaN材料的3倍多。因此采用金刚石材料制备的半导体器件可以获得比GaN器件更高的耐压。而且金刚石材料的热导率（20 W/cm·K）比散热性能好的SiC材料还要高4倍。高的热导率可以有效提高器件的散热效率，降低器件性能受到热效应的影响，是研制大功率器件的关键。同时，金刚石半导体材料还具有高的载流子迁移率，其空穴迁移率高于3000 cm²/Vs，而电子的迁移率更是高于4000 cm²/Vs。这使金刚石材料在高频微波功率器件研究方面也具有极大的优势。目前，金刚石材料是研制大功率器件以及高频微波功率器件的最理想半导体材料。然而，由于金刚石通常需要通过高温高压的方法才能合成，往往合成出来的材料尺寸都非常小，通常不会超过1cm。因此，限制了金刚石半导体器件研究的进展。同时，由于金刚石具有宽的禁带宽度，稳定有效的掺杂一直困扰着金刚石半导体器件的发展。半导体材料和金属及绝缘体的显著差异就是半导体材料可以通过掺杂来有效控制材料内部电阻率的变化，结合肖特基结、pn结等来实现器件电流的控制。目前，金刚石材料可以通过掺硼、磷和硫的方式来实现掺杂。采用硼可以实现p型掺杂，而采用磷和硫可以实现n型掺杂。由于金刚石是宽带隙半导体材料，采用硼、磷和硫来实现掺杂都面临高激活能的问题（硼 0.37eV，磷0.5eV，硫0.4-0.6eV）。高的激活能意味着杂质的离化效率很难提高，因此，采用硼、磷和硫来实现掺杂的方法难在室温下获得高的载流子浓度。为了解决这个问题，目前很多研究者开发了δ掺杂的方法。通过在一个很薄的层里掺入大量的杂质来实现高浓度的掺杂。但这种掺杂方法，掺杂浓度的控制以及材料中载流子的迁移率都会受到影响。采用表面氢化的方法可以不通过掺杂即可提高金刚石材料的载流子浓度，而且获得薄层空穴的浓度可以达到10¹³ cm^-2，在120 K-400 K温度范围下可以保持稳定。表面氢化的方法，利用氢原子有效钝化了金刚石材料表面的悬挂键，可以获得低的表面态密度（小于10¹¹cm^-2）。基于表面氢化金刚石材料研制的金刚石场效应晶体管通常采用肖特基势垒结构。然而，采用这种结构会存在较大的栅漏电，不利于金刚石晶体管在微波的应用。采用金属-绝缘体-半导体（MIS）结构可以有效抑制器件的栅漏电，提高器件栅压调控范围。目前研制中通常采用SiO_x、Al₂O₃、CaF₂以及BaF₂等。然而，这些材料的相对介电常数都不是很高，因此，所用的材料厚度都不能很厚。如果介质过厚将会影响栅对沟道的控制能力，从而影响器件的跨导特性。结合氢表面处理金刚石材料，本项发明采用自氧化高/低介质复合薄膜制备方法，开发了一套新的可实现低栅漏电金刚石MIS结构微波场效应晶体管器件制备的方法。

发明内容

本发明提出的是一种用自氧化方法制备的金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管及其制备方法，采用表面氢化方法在金刚石表面引入导电层，采用蒸发氧化金属形成介质材料，最大程度上保护了金刚石材料表面氢化后形成的表面导电层。在介质薄膜中引入具有高介电常数的TiO₂材料，利用TiO₂材料高介电常数的特性，提高复合薄膜整体的介电常数，减弱介质层厚度对器件跨导特性的影响。通过Al₂O₃/TiO₂复合薄膜的引入，有效抑制器件的栅漏电，提高器件栅控制能力，从而实现高性能金刚石MIS结构场效应晶体管的制备。

本发明的技术解决方案：金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管，其结构包括金刚石、金刚石表面氢化后形成的导电沟道、Au，Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜和栅金属，其中金刚石上是金刚石表面氢化后形成的导电沟道，在金刚石表面氢化后形成的导电沟道上是两个呈对称状的Au，两个呈对称状的Au间是Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜，Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜上是栅金属。

一种用自氧化方法制备金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管的方法，其特征是包括如下工艺步骤：

一、将洁净的非故意掺杂金刚石单晶材料放入MPCVD设备，在500℃-700℃的高温下氢气氛保护下进行表面氢化处理；

二、在表面氢化处理的金刚石材料上利用常规半导体工艺，通过甩正胶、曝光、显影获得欧姆电极图形，使用电子束蒸发Au，利用正胶剥离技术获得欧姆接触金属；

三、通过甩正胶、曝光、显影获得隔离图形，使用氧等离子体处理技术实现器件隔离，用丙酮/乙醇去除光刻胶掩膜；

四、使用常规光刻技术，通过甩正胶、曝光、显影获得栅图形；

五、通过电子束蒸发设备蒸发薄层Al金属，然后在氮气干燥箱内自然氧化，然后再蒸发Ti金属，然后在氮气干燥箱内自然氧化，通过多次反复这一过程获得高质量Al₂O₃/TiO₂多层复合氧化薄膜；

六、利用电子束蒸发设备蒸发栅金属，并通过正胶剥离技术获得金属栅；七、使用常规光刻技术，通过甩正胶、曝光、显影获得测试压块图形，通过蒸发剥离Au金属实现电极测试区域金属加厚。

本发明具有的优点1）满足低栅漏电、高跨导金刚石微波功率器件研制的要求； 2）薄层Al及Ti自氧化形成Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜的方法不仅可以有效保护金刚石材料表面的导电沟道层，还将起到降低栅漏电的作用；3）采用具有高介电常数的TiO₂材料降低了介质厚度对器件跨导特性以及频率特性的影响；4）利用剥离方法实现栅下介质的方法，将介质材料，包括高介电材料限制在栅以下区域，降低了栅侧介质形成的寄生电容对器件频率性能的影响；5）实现的MIS结构金刚石场效应晶体管可获得低栅漏电，高栅工作电压范围等优点。

附图说明

图1是金刚石MIS结构场效应晶体管器件剖面结构图。

图2-1是金刚石MIS结构场效应晶体管器件制备的工艺流程中获得表面导电沟道的示意图。

图2-2是金刚石MIS结构场效应晶体管器件制备的工艺流程中利用正胶剥离技术获得欧姆接触金属的示意图。

图2-3是金刚石MIS结构场效应晶体管器件制备的工艺流程中采用功率50W-100W的氧等离子体的示意图。

图2-4是金刚石MIS结构场效应晶体管器件制备的工艺流程中用丙酮/乙醇去除光刻胶掩膜，完成器件隔离的示意图。

图2-5是金刚石MIS结构场效应晶体管器件制备的工艺流程中使用常规光刻技术，通过甩正胶、曝光、显影获得栅图形的示意图。

图2-6是金刚石MIS结构场效应晶体管器件制备的工艺流程中获得高质量Al₂O₃/TiO₂多层复合氧化薄膜的示意图。

图2-7是金刚石MIS结构场效应晶体管器件制备的工艺流程中利用电子束蒸发设备蒸发栅金属的示意图。

图2-8是金刚石MIS结构场效应晶体管器件制备的工艺流程中通过正胶剥离技术获得栅金属的示意图。

图3是实施例1制备好的金刚石MIS结构场效应晶体管器件栅电压-栅电流特性测试的结果图。

图4是实施例1制备好的金刚石MIS结构场效应晶体管器件转移特性测试的结果图。

图5是实施例1制备好金刚石MIS结构场效应晶体管器件频率特性测试的结果图。

图中的1是金刚石，2是金刚石表面氢化后形成的导电沟道，3是Au，4是Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜，5是栅金属，6是光刻胶，7是氧等离子体。

具体实施方式

对照图1，采用自氧化方法制备的金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管器件，其结构包括金刚石1、金刚石表面氢化后形成的导电沟道2、Au，Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜4和栅金属5，其中金刚石1上是金刚石表面氢化后形成的导电沟道2，在金刚石表面氢化后形成的导电沟道2上是两个呈对称状的Au，两个呈对称状的Au间是Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜4，Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜4上是栅金属5。

所述的金刚石1为非故意掺杂单晶金刚石衬底材料，方阻大于10 MΩ/sq；

所述的金刚石表面氢化后形成的导电沟道2为通过表面氢化后在金刚石表面形成的空穴导电沟道层；

所述的Au为器件欧姆接触，采用具有高功函数的Au作为欧姆接触金属，用来作为金刚石MIS结构场效应晶体管的源和漏电极；

所述的Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜4为采用交替蒸发薄层Al及Ti，通过自氧化方法形成的Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜，作为金刚石MIS结构器件中栅下的绝缘层，用来降低器件栅漏电，提高栅的控制能力；

所述的栅金属5为金刚石MIS结构场效应晶体管的栅，用来控制器件的沟道电流。

对照图2-1~图2-8，金刚石MIS结构场效应晶体管器件制备的工艺流程为：

1）将洁净的非故意掺杂金刚石单晶材料放入微波化学气相沉积（MPCVD）设备，设备中离化源是2.45GHz，1.2 kW，在500℃-700℃范围内，纯氢气保护下，进行30分钟到1小时的表面氢化处理，获得表面导电沟道，如图2-1中的金刚石表面氢化后形成的导电沟道2；

2）利用常规半导体工艺，通过甩正胶、曝光、显影在样品上获得欧姆电极图形，使用电子束蒸发Au，Au厚度大于50nm，利用正胶剥离技术获得欧姆接触金属，如图2-2中的Au；

3）通过甩正胶、曝光、显影获得隔离图形，如图2-3中的光刻胶6，采用功率50W-100W的氧等离子体，如图2-3中的氧等离子体7，对表面处理，时间不低于2min，用丙酮/乙醇去除光刻胶掩膜，完成器件隔离，如图2-4；

4）使用常规光刻技术，通过甩正胶、曝光、显影获得栅图形，如图2-5；

5）通过电子束蒸发设备先蒸发一层薄Al金属，再在氮气干燥箱内自然氧化，然后再蒸发一层薄Ti金属，然后在氮气干燥箱内自然氧化，每次单独蒸发Al和Ti的厚度控制在1-3nm，蒸发完成后立刻放到氮气干燥箱内自然氧化，氧化温度不超过90℃，每次氧化时间大于1小时，循环3-4次后再单独蒸发氧化2nm Ti金属2-5次，总的蒸发金属厚度控制在30nm以内，通过多次反复这一过程获得高质量Al₂O₃/TiO₂多层复合氧化薄膜，如图2-6中的Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜4；

6）利用电子束蒸发设备蒸发栅金属，如图2-7所示，并通过正胶剥离技术获得栅金属，如图2-8中的栅金属5；

7）使用常规光刻技术，通过甩正胶、曝光、显影获得测试压块图形，通过蒸发剥离金属Au实现电极测试区域金属加厚；

实施例

1）先将单晶金刚石衬底材料（5mm×5mm×0.5mm）样品进行表面清洁，分别在丙酮和乙醇溶液中超声清洗5分钟，在去离子水中漂洗后氮气吹干；

2）将样品放入MPCVD设备，设备中离化源是2.45GHz， 1.2 kW，通过纯氢气进行保护，在500℃或600℃或700℃下进行40分钟的表面氢化处理；

3）用AZ7908正型光刻胶作为掩膜，用旋转涂覆的方法制备光刻胶层，匀胶转数为5000rpm，匀胶时间为20秒，匀胶后在110℃热板前烘150秒对光刻胶进行固化；使用光刻机将所需掩膜图形曝光，使用RZX-3038正胶显影液显影；显影后在90℃烘箱坚膜10分钟；在电子束蒸发台中淀积金属Au，总厚度为120nm；淀积完后在丙酮中浸泡4小时，然后在丙酮/乙醇中分别进行3分钟的超声处理，使用去离子水清洗，N₂吹干，获得的金属电极如图2-2中的Au；

4）用AZ7908正型光刻胶作为掩膜，匀胶转数为5000rpm，匀胶时间为20秒，匀胶后在110℃热板前烘150秒对光刻胶进行固化；使用光刻机将所需掩膜图形曝光，使用RZX-3038正胶显影液显影；显影后在90℃烘箱坚膜10分钟；利用等离子体打胶机在纯氧下用100 W功率打胶5分钟，在丙酮/乙醇中分别进行3分钟的超声处理，使用去离子水清洗，N₂吹干；

5）用AZ7908正型光刻胶作为掩模，匀胶转数为5000rpm，匀胶时间为20秒，匀胶后在110℃热板前烘150秒对光刻胶进行固化；使用光刻机将所需掩膜图形曝光，使用RZX-3038正胶显影液显影；显影后在90℃烘箱坚膜10分钟，得到栅图形掩模，如图2-5；

6）通过电子束蒸发设备蒸发薄层2nm 薄层Al金属，然后放入22℃氮气干燥箱内自然氧化2小时，再次蒸发2nm薄层Ti金属，放入22℃氮气干燥箱内自然氧化2小时，重复以上步骤3次，然后再按相同条件蒸发氧化2nm薄层Ti金属两次，最后获得高质量Al₂O₃/TiO₂多层复合氧化薄膜，如图2-6中的Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜4；

7）通过电子束蒸发设备蒸发200 nm的Al金属，然后将样品放入丙酮溶液浸泡4小时，然后在丙酮/乙醇中分别进行3分钟的超声处理，使用去离子水清洗，N₂吹干，获得的栅金属电极如图2-7中的栅金属5；

8）用AZ7908正型光刻胶作为掩模，匀胶转数为5000rpm，匀胶时间为20秒，匀胶后在110℃热板前烘150秒对光刻胶进行固化；使用光刻机将所需掩膜图形曝光，使用RZX-3038正胶显影液显影；显影后在90℃烘箱坚膜10分钟，得到测试电极图形掩模；

9）通过电子束蒸发设备蒸发300 nm的Au金属，然后将样品放入丙酮溶液浸泡4小时，然后在丙酮/乙醇中分别进行3分钟的超声处理，使用去离子水清洗，N₂吹干，完成对测试电极的金属加厚。

经过以上步骤，获得的1微米栅长金刚石MIS结构场效应晶体管器件，在-3V到+3V栅压范围内漏电低于0.5pA，在-4V到+4V栅压范围内漏电低于2pA，如图3所示。

器件在-5V漏压下，-6V栅压下漏电流达到80 mA/mm，在-3V栅压下跨导达到了22 mS/mm，如图4所示。

器件的电流增益截止频率达到了2GHz以上，如图5所示。

Claims

1.金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管，其特征是包括金刚石、金刚石表面氢化后形成的导电沟道、Au，Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜和栅金属，其中金刚石上是金刚石表面氢化后形成的导电沟道，在金刚石表面氢化后形成的导电沟道上是两个呈对称状的Au，两个呈对称状的Au间是Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜，Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜上是栅金属。

2.根据权利要求1所述的刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管器件，其特征是所述的金刚石为非故意掺杂单晶金刚石衬底材料，方阻大于10 MΩ/sq。

3.根据权利要求1所述的刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管器件，其特征是所述的金刚石表面氢化后形成的导电沟道为通过表面氢化后在金刚石表面形成的空穴导电沟道层；所述的Au为器件欧姆接触，采用具有高功函数的Au作为欧姆接触金属，用来作为金刚石MIS结构场效应晶体管的源和漏电极。

4.根据权利要求1所述的金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管器件，其特征是所述的Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜为采用交替蒸发薄层Al及Ti，通过自氧化方法形成的Al₂O₃/TiO₂复合介质薄膜，作为金刚石MIS结构器件中栅下的绝缘层，用来降低器件栅漏电，提高栅的控制能力；所述的栅金属为金刚石MIS结构场效应晶体管的栅，用来控制器件的沟道电流。

5.一种采用自氧化方法制备金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管的方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

一、将洁净的非故意掺杂金刚石单晶材料放入微波化学气相沉积 MPCVD设备，在500℃-700℃下氢气氛保护下进行表面氢化处理，获得表面导电沟道；

二、利用常规半导体工艺，通过甩正胶、曝光、显影在步骤1）上得到的样品上获得欧姆电极图形，使用电子束蒸发Au，利用正胶剥离技术获得欧姆接触金属；

五、通过电子束蒸发设备蒸发薄层Al金属，然后1）在氮气干燥箱内自然氧化，然后再蒸发Ti金属，2）在氮气干燥箱内自然氧化，3）通过多次反复这一过程获得高质量Al₂O₃/TiO₂多层复合氧化薄膜；

六、利用电子束蒸发设备蒸发栅金属，并通过正胶剥离技术获得栅金属；

七、使用常规光刻技术，通过甩正胶、曝光、显影获得测试压块图形，通过蒸发剥离金属Au实现电极测试区域金属加厚。

6.根据权利要求5所述的一种采用自氧化方法制备金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管的方法，其特征在于所述的工艺步骤一中，所用金刚石材料为非故意掺杂单晶材料，方阻大于10 MΩ/sq，MPCVD设备中离化源是2.45GHz， 1.2 kW，氢化过程在500℃-700℃范围内，纯氢气保护下，进行30分钟到1小时的表面氢化处理。

7.根据权利要求5所述的一种采用自氧化方法制备金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管的方法，其特征在于所述的工艺步骤二中Au的厚度大于50 nm。

8.根据权利要求5所述的一种采用自氧化方法制备金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管的方法，其特征在于所述的工艺步骤三中采用功率50W-100W的氧等离子体对表面处理，时间不低于2min。

9.根据权利要求5所述的一种采用自氧化方法制备金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管的方法，其特征在于所述的工艺步骤五中，每次单独蒸发Al和Ti的厚度控制在1-3nm，蒸发完成后立刻放到氮气干燥箱内自然氧化，氧化温度不超过90℃，每次氧化时间大于1小时，循环3-4次，然后再单独蒸发氧化2nm 的Ti金属2-5次，总的蒸发金属厚度控制在30nm以内。

10.1根据权利要求5所述的一种采用自氧化方法制备金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管的方法，其特征在于所述的工艺步骤六中栅金属采用高电阻率Al、Au、Ti/Au或Ti/Al金属，金属总厚度大于100 nm。