一种低导通电阻氢终端金刚石场效应晶体管及其制备方法与流程

本发明属于微电子技术领域，特别是一种低导通电阻氢终端金刚石场效应晶体管及其制备方法。

背景技术：

金刚石是碳的一种同素异形体，具有光学透明、高弹性模量、高硬度和抗化学腐蚀等一系列优良的材料特性。金刚石禁带宽度5.5eV，临界击穿场强高达10MV/cm，是SiC和GaN的3倍多；热导率高达22W·cm^-1·K^-1，是所有半导体材料中最高的；电子和空穴迁移率分别高达4500cm²/V·s和3800cm²/V·s。作为新型宽禁带半导体材料，金刚石集物理、化学和机械等优良性质为一身，是制备微波大功率电子器件的理想材料。

目前，金刚石上的施主和受主杂质均为深能级，在室温下不能激活或者激活率很低，导致材料中载流子浓度偏低，严重制约了金刚石在半导体器件领域的发展。通过表面氢处理使金刚石表面以氢原子终结，可以在未掺杂的绝缘金刚石表面形成一层p型空穴导电层，薄层空穴面密度可达10¹³cm^-2，远高于通过掺杂获得的载流子浓度。目前具有良好性能的金刚石场效应晶体管均采用表面氢处理的方法获得，氢终端金刚石器件也因此被认为是最有前途的金刚石场效应管。

然而，氢终端金刚石器件存在的最大的问题之一是空穴的迁移率偏低，普遍在20～80cm²/V·s，远低于理论值。较低的迁移率导致金刚石表面导电层的方块电阻偏大，一般大于5kΩ/□。因此制备的氢终端金刚石场效应管沟道两端的串联寄生电阻大，器件导通电阻高，严重影响到了器件的饱和电流和频率特性的提高。

为了降低器件的导通电阻，目前通常采用源漏金属腐蚀自对准的方法，即在与金刚石表面形成欧姆接触的金属掩膜上刻写栅，利用腐蚀液去除栅下的金属并使金属在栅下形成侧向腐蚀，从而实现两侧源漏金属与栅电极的电学隔离(周建军：自对准栅金刚石MESFET器件研究，《固体电子学研究与进展》，2013年2月)。另外，发明专利一种类T型栅掩蔽自对准法制备金刚石基FET器件的方法(201310183880.6)采用类T型栅掩蔽自对准工艺，有效的减小栅源和栅漏之间间距，使源漏间距基本上和栅长相当，从而减小栅源和栅漏电阻。然而采用的上述方法中，为了缩短源漏间距，需要采用尽量薄的金属掩膜以减小侧向腐蚀量，而过薄的金属会增大沟道两端金属的寄生电阻。由于金属中的电子不具有电场可调制性，随着源漏间距的缩小，器件的击穿电压会大幅度降低。此外，沟道两侧金属与金刚石间存在界面态，金属原子也会往有源区扩散，这些都会影响器件的可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低导通电阻氢终端金刚石场效应晶体管及其制备方法，能够解决氢终端金刚石场效应管由于表面p型导电层方块电阻高而导致的沟道两端串联寄生电阻过大的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种低导通电阻氢终端金刚石场效应晶体管及其制备方法，由以下步骤按顺序制备而得：

(1)采用石墨烯转移技术将石墨烯薄膜转移至氢终端金刚石衬底上得到样品；

(2)在样品上光刻源漏图形，并进行源漏金属的蒸发和剥离；

(3)对样品进行退火处理，实现低欧姆接触；

(4)对退火处理的样品采用原子层淀积技术ALD生长一层Al₂O₃钝化保护层；

(5)采用光刻或者电子束技术进行栅的曝光和显影，选择性露出栅电极；

(6)用氢氟酸将栅电极下的Al₂O₃腐蚀掉，并使Al₂O₃形成侧向腐蚀；

(7)用氧等离子体将栅电极下的石墨烯去除；

(8)采用ALD生长一层薄Al₂O₃栅介质；

(9)蒸发栅金属，并对栅金属进行剥离；

(10)对剥离后的样品进行表面氢处理，修复和增强器件沟道上的氢终端化，得到氢终端金刚石场效应管。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)石墨烯具有最低的电阻率，通过本发明方法的处理后，与金属相比，相同厚度下可以获得更低的源漏寄生电阻。(2)石墨烯中载流子具有电场调制的特点，从而有利于提高器件的击穿电压。(3)石墨稀与金刚石均由碳元素组成，采用石墨烯可以降低与金刚石的界面态，防止金属原子在金刚石有源区扩散，从而提高器件的可靠性。(4)石墨烯比金属与抗蚀剂之间的黏附性要好，可以提高抗蚀剂与样品表面的粘附性。(5)降低了氢终端金刚石场效应管的导通电阻，从而提高器件的饱和电流和频率特性。(6)在制备的器件上进行表面氢处理，可以对器件制备过程中退化的沟道进行氢终端的修复和增强。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明制备方法中在氢终端金刚石衬底上转移一层石墨烯薄膜的示意图。

图2是本发明制备方法中光刻源漏，淀积Au/Pt/Ti，并剥离的示意图。

图3是本发明制备方法中氢氛围退火，形成欧姆接触的示意图。

图4是本发明制备方法中ALD生长Al₂O₃钝化保护介质的示意图。

图5是本发明制备方法中电子束刻写T型栅的示意图。

图6是本发明制备方法中氢氟酸腐蚀Al₂O₃，氧等离子体去除石墨烯的示意图。

图7是本发明制备方法中ALD生长一层薄Al₂O₃栅介质，蒸发栅金属并剥离的示意图。

图8是本发明制备方法中对器件表面进行氢处理的示意图。

具体实施方式

本发明低导通电阻氢终端金刚石场效应晶体管是由以下步骤制备而得：

1)采用通用石墨烯转移技术将石墨烯薄膜转移至氢终端金刚石衬底上得到样品。

2)在样品上光刻源漏图形，并进行源漏金属的蒸发和剥离。

3)对样品进行退火处理，实现低欧姆接触。

4)对退火处理的样品采用原子层淀积技术ALD生长一层Al₂O₃钝化保护层。

5)采用光刻或者电子束技术进行栅的曝光和显影，选择性露出栅电极。所述选择性是指需要制备的栅和栅电极。

6)用氢氟酸将栅电极下的Al₂O₃腐蚀掉，并使Al₂O₃形成侧向腐蚀。

7)用氧等离子体将栅电极下的石墨烯去除，确保后边步骤中的栅金属与石墨烯之间形成物理隔离。

8)采用ALD技术生长一层薄Al₂O₃栅介质。

9)蒸发栅金属，并对栅金属进行剥离。

10)对剥离后的样品进行表面氢处理，修复和增强器件沟道上的氢终端化，得到氢终端金刚石场效应管。

所述步骤1)中的金刚石衬底包括单晶或多晶金刚石衬底，单晶金刚石衬底晶向包括<100>、<110>和<111>晶向。

所述步骤2)中的源漏金属种类包括Ti、Al、Au、Pt、Ni、Mo、Cu、Ag、Pd、W、Fe中的一种或多种复合结构及合金，厚度范围1nm～1000nm。

所述步骤3)中的退火气氛为H₂、N₂、O₂、O₃、NH₃、Cl₂、Ar、Nr、He中的一种或多种混合气体，退火温度范围100℃～1000℃。

所述步骤5)中的栅制备方法包括光刻或电子束刻写，栅的形状包括矩形栅、T形栅、Г形栅或Y形栅。

所述步骤7)中的去除石墨烯的方法包括氧等离子体打胶、RIE或ICP刻蚀。

所述步骤9)中的栅金属种类包括Ni、Pt、Ti、Au、Al、Mo、Cu、Ag、Pd、W、Fe中的一种或多种复合结构及合金，厚度范围1nm～1000nm。

所述步骤10)中的表面氢处理方法包括氢微波等离子体、氢自由基辐照、氢气退火的一种或多种组合。

实施例

如图1至图8所示，本发明低导通电阻氢终端金刚石场效应晶体管的制备方法，步骤如下：

1)采用常规石墨烯转移技术，在氢终端单晶金刚石衬底上转移一层石墨烯薄膜；

2)在样品上进行源漏图形的光刻和显影，蒸发Au/Pt/Ti源漏金属，并用丙酮溶液进行剥离，然后依次过丙酮、乙醇溶液，并用去离子水清洗，氮气吹干；

3)样品在氢气氛围中600℃退火1小时，底层金属Ti与石墨烯和金刚石反应生成TiC，实现低欧姆接触；

4)采用原子层淀积(ALD)技术生长50nm厚的Al₂O₃钝化保护层，同时防止后续石墨烯的氢化；

5)采用PMMA/MMA双层电子束抗蚀剂刻写T型栅，露出栅电极；

6)用20％浓度氢氟酸将栅电极下的Al₂O₃腐蚀掉，并使Al₂O₃形成侧向腐蚀；

7)用氧等离子体将栅电极下的石墨烯去除，确保栅金属与石墨烯之间形成物理隔离；

8)采用ALD技术生长5nm厚的Al₂O₃栅介质；

9)蒸发栅金属Al，并用丙酮溶液进行剥离，然后依次过丙酮、乙醇溶液，并用去离子水清洗，氮气吹干；

10)用氢自由基辐射对样品表面进行氢处理，修复和增强器件沟道上的氢终端化，完成氢终端金刚石场效应晶体管的制备。

上述方法得到的氢终端金刚石场效应晶体管是利用石墨烯的高电导率来降低氢终端金刚石场效应管沟道两端的寄生电阻，利用石墨烯中载流子具有电场调制作用来提高器件的击穿电压。此外，石墨烯与金刚石都是碳的同素异形体，采用石墨烯可以降低与金刚石之间的界面态，防止金属原子在有源区内的扩散，从而提高器件的可靠性。