n型掺杂单晶金刚石场板结构的场效应晶体管的制备方法与流程

本发明属于半导体器件领域，尤其涉及n型掺杂单晶金刚石场板结构的场效应晶体管的制备方法。

背景技术：

金刚石作为超宽禁带半导体材料的代表之一，在热、电、声、光、机械等方面具有其他半导体材料不可比拟的优异性能。在热学方面，金刚石热导率高、热熔小、尤其是高温时的散热效能更为显著，是散热极好的热沉材料，近年来，高热导金刚石薄膜制备技术的发展，使金刚石热沉积在大功率激光器、微波器件和集成电路上的应用变成现实；在声学领域，金刚石具有低的密度和高的弹性模量，这些特点使得金刚石可以作为高保真扬声器高音单元的振膜，从而生产出高档音响扬声器，以及声表面波(saw)器件的衬底材料；在光学领域，金刚石除大约在3～5um位置存在微小吸收峰(由声子震动引起)外，从紫外线(0.22um)到远红外(毫米波段)整个波段都具有高的透过率，这使得金刚石可以作为大功率红外激光器和探测器的理想窗口材料；在电学方面，金刚石具有较高的禁带宽度、超高的击穿电压、高的johnson指数、高的keyes指数、高的baliga指数、较大的电子迁移率以及空穴迁移率，因此，使用金刚石材料可以制作超高频、超大功率电子器件。

现代社会科技和经济的飞速发展离不开集成电路的发展，而作为集成电路中的最基本的单元——场效应晶体管更是具有举足轻重的作用。从器件结构上分类，场效应晶体管可以分为金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)和金属半导体场效应晶体管(mesfet)。前者在大功率领域应用较多，后者在高频领域应用较多，但是随着半导体技术的发展和电子电路的复杂性提高，高频器件同时也要具备大功率特性，即对高频器件耐压性能的要求也越来越高。

目前，金刚石掺杂技术虽然不是十分的成熟，但是通过掺入常规掺杂剂，已经可以初步实现不同类型的掺杂，例如：硼元素和磷元素的掺入可以实现p和n型掺杂单晶金刚石。使用掺杂金刚石初步可以实现电子器件的制备。金刚石具有大的禁带宽度，高的电子空穴迁移率，高的热导率等优点，使得金刚石可以用在高频高功率领域。当使用mesfet结构时，由于电场集中效应使得源栅漏电极边缘具有高的电场，容易在这些部位产生硬击穿现象。mesfet的硬击穿是不可逆的，轻则损坏单个器件的正常功能，重则造成庞大的集成电路瘫痪。在半导体器件领域，通过场板结构可以有效的扩展电极边缘的耗尽区，减弱电极边缘电场集中效应，实现耐压值的增加。因此，在掺杂金刚石mesfet的源栅漏电极中使用场板结构可以有效的降低电场集中效应，增大器件的耐压特性，对于金刚石器件在高频高功率方面的应用十分的必用和紧迫。

技术实现要素：

本发明的目的是提供n型掺杂单晶金刚石场板结构的场效应晶体管的制备方法，以解决现有源栅漏电极边缘容易产生硬击穿的问题。

本发明采用以下技术方案：n型掺杂单晶金刚石场板结构的场效应晶体管的制备方法，在金刚石衬底上生长出n型掺杂单晶金刚石外延薄膜，然后将n型掺杂单晶金刚石外延薄膜刻蚀形成台面，在台面上沉积两个条形的介质层，沿介质层和台面的外沿分别形成漏极和源极，在两个介质层之间形成栅极形成场板结构，使用钝化层覆盖所有结构，去除源极、漏极和栅极上的部分钝化层形成通孔，最后沿通孔在源极、漏极和栅极上沉积源引出电极、漏引出电极和栅引出电极。

进一步地，介质层采用光刻工艺和磁控溅射工艺，磁控溅射工艺参数为：功率为100w，靶材为氧化铝，厚度为30nm，氩气30sccm。

进一步地，源极和漏极形成方法采用光刻工艺和电子束蒸发工艺，电子束蒸发工艺所选材质为钛/金，钛的厚度为20nm，金的厚度为100nm，电子束蒸发工艺工艺：腔压5×10^-4pa，室温。

进一步地，栅极形成方法采用光刻工艺和电子束蒸发工艺，电子束蒸发工艺所选材质为铝，厚度为150nm。

进一步地，钝化层形成方法采用磁控溅射工艺，所采用的参数为功率为120w，靶材为二氧化硅，氩气为50sccm，钝化层的厚度为200nm。

进一步地，源引出电极、漏引出电极和栅引出电极采用的材质为铝，厚度为300nm。

进一步地，n型掺杂单晶金刚石外延薄膜的生长条件为功率1kw，腔压为50torr，气体总流量500sccm，磷烷20sccm，n型掺杂单晶金刚石外延薄膜的厚度为1μm。

本发明的有益效果是：在金刚石mesfet的源栅漏电极边缘引入场板结构，有效的降低了电场集中效应，增大了器件的耐压特性，有效减弱器件源、栅、漏边缘的电场集中现象，提高了器件击穿电压性能；通过设置场板结构可以提高器件的击穿电压，因为场板结构可以将场板下方的电场分布均匀，使得电场集中现象消除，增加器件的击穿电压，使得源栅漏电极边缘不易产生硬击穿。

【附图说明】

图1为本发明中的晶体管结构示意图；

图2为本发明中步骤1的俯视图和侧视图；

图3为本发明中步骤2的俯视图和侧视图；

图4为本发明中步骤3的俯视图和侧视图；

图5为本发明中步骤4的俯视图和侧视图；

图6为本发明中步骤5的俯视图和侧视图；

图7为本发明中步骤6的俯视图和侧视图；

图8为本发明中步骤7的俯视图和侧视图；

图9为本发明中步骤8的俯视图和侧视图；

图10为本发明中步骤9的俯视图和侧视图。

其中：1.金刚石衬底；2.n型掺杂单晶金刚石外延薄膜；3.台面；4.场板结构；5.源极；6.漏极；7.栅极；8.钝化层；9.源引出电极；10.漏引出电极；11.栅引出电极。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了n型掺杂单晶金刚石场板结构的场效应晶体管的制备方法由以下步骤组成：

步骤1：去除金刚石衬底1表面非金刚石相。

步骤2：在金刚石衬底1上生长出一层n型掺杂单晶金刚石外延薄膜2。

步骤3：将n型掺杂单晶金刚石外延薄膜2刻蚀形成台面3。

步骤4：在台面3上沉积两个条形的介质层4。

步骤5：沿各介质层4和台面的3的外沿分别形成漏极6和源极5。

步骤6：在两个介质层4之间形成栅极7，最终形成场板结构。

步骤7：使用钝化层8覆盖所有结构。

步骤8：去除源极5、漏极6和栅极7上的部分钝化层8形成通孔。

步骤9：沿通孔在源极5、漏极6和栅极7上沉积源引出电极9、漏引出电极10和栅引出电极11。

其中，步骤1中金刚石衬底1为本征金刚石材料。

其中，步骤2中的n型掺杂单晶金刚石外延薄膜2为磷掺杂金刚石材料，导电特性表现为n型，n型掺杂单晶金刚石外延薄膜2的厚度为0-100μm。

其中，步骤3中的台面3的形成方法为去除部分n型掺杂单晶金刚石外延薄，即去除n型掺杂单晶金刚石外延薄的边缘部位形成台面3，台面3的表面积要小于步骤2中生长出的n型掺杂单晶金刚石外延薄膜2的表面积，台面3的厚度大于步骤2中生长出的n型掺杂单晶金刚石外延薄膜2的厚度。

其中，步骤4中的介质层4采用光刻工艺和磁控溅射工艺，所选靶材的介电常数大于1，形成的介质层4的厚度大于30nm，介质层4的短边外沿均超出台面3的外沿。

其中，步骤5中的源极5和漏极6形成方法采用光刻工艺和电子束蒸发工艺，源极5和漏极6的剖面成l形，源极5和漏极6均覆盖部分的介质层4和部分的台面3，源极5和漏极6的短边外沿均超出台面3的外沿，源极5和漏极6与台面3为欧姆接触。

其中，步骤6中的栅极7形成方法采用光刻工艺和电子束蒸发工艺，栅极7覆盖部分的介质层4和部分的台面3，栅极7的短边外沿超出台面3的外沿，栅极7与台面3为肖特基接触。

其中，步骤7中钝化层8采用磁控溅射工艺，材质为介质层，钝化层8的介电常数大于1，钝化层8的厚度大于200nm。

其中，步骤8中形成通孔的目的是将源极5和栅极7上方部分区域的钝化层8移除，使源、漏、栅电极部分裸露。

其中，步骤9中沿通孔沉积出源引出电极9、漏引出电极10和栅引出电极11，采用的材质为导电物质，方块电阻小于100kω/□。

采用本发明制备的场效应晶体管，如图1所示，包括金刚石衬底1，金刚石衬底1上铺设有由n型掺杂单晶金刚石外延薄膜2形成的台面3，台面3上铺设有两个条形的介质层4，沿各介质层4和台面3的外沿分别铺设有漏极6和源极5，在两个介质层4之间铺设有栅极7，介质层4、漏极6、源极5和栅极7形成场板结构，源极5、漏极6和栅极7上分别沉积有源引出电极9、漏引出电极10和栅引出电极11，源引出电极9、漏引出电极10和栅引出电极11之间通过钝化层8相互完全分隔。

栅极7覆盖部分的介质层4和部分的台面3，栅极7的短边外沿超出台面3的外沿，或与台面3的外沿平齐，栅极7与台面3为肖特基接触，漏极6的剖面成l形，l形的一部分为直接覆盖在金刚石衬底1上、且l形的另一部分覆盖在介质层4和部分的台面3上。

漏极6的剖面成l形，l形的一部分为直接覆盖在金刚石衬底1上、且l形的另一部分覆盖在介质层4和部分的台面3上，源极5、漏极6和介质层4的短边外沿均超出台面3的外沿，或与台面3的外沿平齐；源极5和漏极6与台面3均为欧姆接触。钝化层8还覆盖金刚石衬底1上除源引出电极9、漏引出电极10和栅引出电极11之外的裸露部位。

通过设置场板结构可以提高器件的击穿电压，因为场板结构可以将场板下方的电场分布均匀，使得电场集中现象消除，增加器件的击穿电压。

实施例1

步骤1：去除金刚石衬底1表面非金刚石相。

如图2所示，使用标准的酸碱洗工艺对金刚石衬底1进行清洗，除去表面的非金刚石相，然后使用酒精、丙酮、去离子水对金刚石衬底1进行清洗，使用氮气吹干金刚石衬底1。

步骤2：在金刚石衬底1上生长出一层n型掺杂单晶金刚石外延薄膜2。

使用微波等离子体化学气相沉积技术在金刚石衬底1上生长一层1μm厚的n型掺杂单晶金刚石外延薄膜2，生长条件为：功率1kw，腔压为50torr，气体总流量500sccm，磷烷20sccm。

步骤3：将n型掺杂单晶金刚石外延薄膜2刻蚀形成台面3。

如图3和图4所示，使用光刻工艺和感应耦合等离子刻蚀技术将一部分n型掺杂单晶金刚石外延薄膜2图形化刻蚀除去，形成台面3。

光刻工艺：在样品表面旋涂一层az5214光刻胶，然后将样品至于100℃热板加热90秒，然后使用紫外曝光机5s，然后将样品浸泡显影液中60秒，将不刻蚀的部分用光刻胶图形化覆盖，只漏出待刻蚀部分。刻蚀气体为氧气和氩气的混合气体。

步骤4：在台面3上沉积两个条形的介质层4。

使用丙酮、酒精和去离子水分清洗样品表面的光刻胶和杂质。然后使用光刻工艺和磁控溅射工艺沉积介质层4，光刻工艺如图5所示。

光刻工艺：在样品表面旋涂一层az5214光刻胶，然后将样品至于100℃热板加热90秒，然后使用紫外曝光机5s，然后将样品浸泡显影液中60秒，将不刻蚀的部分用光刻胶图形化覆盖，只漏出待刻蚀部分。刻蚀气体为氧气和氩气的混合气体。

磁控溅射工艺参数为：功率为100w，靶材为氧化铝，厚度为30nm，氩气30sccm。

步骤5：沿各介质层4和台面的3的外沿分别形成漏极6和源极5。

使用丙酮对器件进行剥离，去除多余氧化铝和光刻胶。然后使用光刻工艺和电子束蒸发工艺，沉积源极5和漏极6，电子束蒸发工艺所选材质为金属钛/金，钛的厚度为20nm，金的厚度为100nm，光刻工艺如图6所示，电子束蒸发工艺：腔压5×10^-4pa，室温。

光刻工艺：在样品表面旋涂一层az5214光刻胶，然后将样品至于100℃热板加热90秒，然后使用紫外曝光机5s，然后将样品浸泡显影液中60秒，将不刻蚀的部分用光刻胶图形化覆盖，只漏出待刻蚀部分。刻蚀气体为氧气和氩气的混合气体。

使用丙酮对器件进行剥离，去除多余ti/au和光刻胶，然后将样品在氮气中500℃退火30分钟，使得ti/au和台面3形成欧姆接触。

步骤6：在两个介质层4之间形成栅极7，最终形成场板结构。

使用光刻工艺和电子束蒸发工艺，沉积栅极7，材质为铝，厚度为150nm。光刻工艺如图3所示，电子束蒸发工艺如图7所示，al和台面3形成肖特基接触。

光刻工艺：在样品表面旋涂一层az5214光刻胶，然后将样品至于100℃热板加热90秒，然后使用紫外曝光机5s，然后将样品浸泡显影液中60秒，将不刻蚀的部分用光刻胶图形化覆盖，只漏出待刻蚀部分。刻蚀气体为氧气和氩气的混合气体。

步骤7：使用钝化层8覆盖所有结构；

如图8所示，使用丙酮对器件进行剥离，去除多余al和光刻胶，然后使用磁控溅射在样品表面沉积一层200nm的二氧化硅，作为钝化层8。

磁控溅射工艺参数：功率120w，靶材二氧化硅，氩气50sccm。

步骤8：去除源极5、漏极6和栅极7上的部分钝化层8形成通孔；

使用光刻工艺和湿法腐蚀技术，去除部分源极5、栅极7和漏极6上的二氧化硅，形成通孔，光刻工艺如图9所示。

湿法腐蚀工艺：氟化氢缓冲液，室温。

步骤9：沿通孔沉积出源引出电极9、漏引出电极10和栅引出电极11；

如图10所示，使用丙酮对器件进行剥离，去除多余光刻胶，然后使用光刻工艺和电子束蒸发工艺，沿通孔沉积出源引出电极9、漏引出电极10和栅引出电极11，材质为铝，厚度为300nm。