一种碳化硅基石墨烯材料的HEMT芯片及其制备方法与流程

一种碳化硅基石墨烯材料的hemt芯片及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体电子信息领域技术领域，更具体的说是涉及一种碳化硅基石墨烯材料的hemt芯片及其制备方法。


背景技术：

2.一般的高电子迁移率晶体管hemt(或异质结场效应晶体管hfet，调制掺杂场效应晶体管modfet)使用两种具有不同能隙的材料形成异质结，为载流子提供沟道，像砷化镓、砷镓铝三元化合物半导体是构成这种器件的可选材料，根据具体的应用场合，可以有其他多种组合。近年来发展的氮化镓(gan)为代表的第三代宽禁带半导体，以其宽的禁带常数、更高的电子迁移率、抗辐射能力强、击穿电场强度好、耐高温等特点，在半导体领域已经取得广泛应用，其芯片具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，但随着应用深入前进，对高电子迁移率芯片的性能和功能要求越来越高，传统的一些设计结构和材料性能面临很大挑战。
3.传统的高电子迁移率晶体管采用两个异质结材料，一般为化合物半导体，利用两种材料的能带差异会在界面靠近窄带一侧形成二维电子气(2deg)，二维电子气远离耗尽层区的散射原子，在界面深的势阱中二维方向运动，具有很高的电子迁移率，通过在器件表面制作源极、栅极和漏极可以通过栅极来控制2deg的密度和移动导通。从而实现整个器件的电流和开关。
4.目前传统hemt基于异质结材料的，由于材料生长难度，会造成晶格缺陷，影响器件性能，尤其是第三代宽禁带半导体，aln/algan/gan想实现更高的材料质量，非常困难，影响器件电压电流特性和截止频率及器件可靠性；
5.此外传统高电子迁移率器件的2deg虽然迁移率已经相对很高，但是受材料本身限制和自身传输特性限制其上限速率，从材料本身突破将是重大的解决方法。
6.想要实现高的抗电压和高的迁移率，必须使用禁带宽度很大的化合物半导体和禁带宽度差异大的不同材料，需要更加复杂和精细的生长方法和制作成本以及材料成本，不利于批量化，限制了其更大的应用场景和市场。
7.目前研究和应用表明，石墨烯(graphene)是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料具有优异的光学、电学、力学特性，石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/(v
·
s)，在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm2/(v
·
s)。此外石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50～500k之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm2/(v
·
s)左右。此外，石墨烯中电子载体和空穴载流子的半整数量子霍尔效应可以通过电场作用改变化学势而被观察到，石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应，在碰到杂质时不会产生背散射，这就就成就了石墨烯很高的载流子迁移率，此外石墨烯具有非常好的热传导性能，能在大电流电压下，表现出优良特性。
8.因此，如何提供一种可以实现超高速的电子迁移和导电速率的碳化硅基石墨烯材
料的hemt芯片及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明提供了一种碳化硅基石墨烯材料的hemt芯片及其制备方法，通过利用石墨烯材料作为导电通道代替传统的异质界面2deg,实现超高速的电子迁移和导电速率，采用金属半导体接触的肖特基势垒作为栅电源控制整个晶体管的开关，采用sic作为基底材料，通过半导体工艺现实不同材料的生长集成，构成全新的具有优良特性的高电子迁移率晶体管。
10.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
11.一种碳化硅基石墨烯材料的hemt芯片，包括：基底、石墨烯层、离子注入区、s/d电极区和g电极；
12.所述石墨烯层位于所述基底上方，且与所述基底连接；
13.所述离子注入区位于所述基底内部中心位置，且向上贯穿至所述石墨烯层上表面；
14.所述s/d电极区位于所述石墨烯层上方且与所述石墨烯层连接；
15.所述g电极位于所述离子注入区上方，且与所述离子注入区连接。
16.优选的，上述的一种碳化硅基石墨烯材料的hemt芯片，还包括：保护层；
17.所述保护层设置于所述s/d电极区和g电极以外的石墨烯层和离子注入区的上方。
18.优选的，所述离子注入区包括重掺杂区和位于其两侧的轻掺杂区；所述g电极位于所述重掺杂区上方，且与所述重掺杂区连接。
19.优选的，所述s/d电极区包括s电极和d电极，所述s电极和d电极分别位于所述石墨烯层上方两侧，且与所述石墨烯层连接。
20.优选的，所述基底为sic。
21.优选的，所述离子注入区为n型半导体离子注入区或p型半导体离子注入区。
22.优选的，所述s电极和d电极均为由ti/al/ni/au组合的金属合金层，各层厚度分别为ti20-50nm；al150-200nm；ni80-120nm；au100-150nm。
23.优选的，其特征在于，所述g电极为由ni/au组合的金属合金层，各层厚度分别为
24.优选的，所述轻掺杂区的掺杂浓度为10
12
cm-3-10
15
cm-3
；重掺杂区的掺杂浓度为10
19
cm-3-10
22
cm-3
。
25.本发明的另一个目的在于提供上述的一种碳化硅基石墨烯材料的hemt芯片的制备方法，包括以下步骤：
26.(1)在sic基底上通过光刻工艺，去掉注入区域光刻胶，其他区域受光刻胶保护，制作出用于离子注入的开孔；
27.(2)通过离子注入工艺，将开孔区域注入所需的注入掺杂元素氮离子或磷离子，形成n型半导体离子注入区或通过离子注入al离子或b离子形成p型半导体离子注入区；
28.其中。离子注入区分为轻掺杂区和重掺杂区，轻掺杂区位于中间，重掺杂区位于两端；
29.(3)去掉离子注入时表面保护区域光刻胶，利用光刻工艺在离子注入区上镀一层
sio2保护层(sio2保护层面积范围略小于离子注入区面积范围)，其他区域不蒸镀sio2层，将基底加热到1200-1400℃，由于sic材料会在高温下碳化，在碳化硅基底被加热到1100℃以上，表面的硅原子就会蒸发逃逸，形成石墨烯层，然后利用hf酸去除掉sio2层，高温形成的表面石墨烯层和重掺杂区边缘相接并略覆盖重掺杂区两端边界；
30.(4)利用光刻工艺制作出s和d电极，分别位于器件两侧，然后通过蒸镀工艺蒸镀一层ti/al/ni/au金属或合金层，该层和表面石墨烯接触形成欧姆接触电极(s电极和g电极)；
31.(5)利用光刻和蒸镀工艺，在离子注入的半导体区上表面蒸镀一层金属ni/au层，该层和下面的半导体区形成肖特基接触，制作形成g电极；
32.(6)利用光刻工艺，在表面上采用化学气相淀积法pecvd生长一层sio2钝化层保护层，除s、d和g电极以外所有区域都被覆盖。
33.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
34.通过背景技术的简要描述可知，传统的高电子迁移率晶体管，由于材料本身的问题，限制载流子的传输速率，材料的生长复杂特性决定了其较高的背景载流子浓度，使得漏电通道大增，通过掺杂深受主杂质方式还会增加工艺的复杂性和不稳定性，很难把控；此外高禁带宽度材料会出现低热导性，而且结构越是复杂制作的难度和成本大量增加。
35.本发明采用导电性极具优良的石墨烯层，作为导电通道，作为源极s和漏极d直接的电流流通通道，代替以往的2deg，可以极大的提升电子的迁移速率，实现更到的频率特性，通过在sic上直接生成石墨烯层可以简化制造工艺。
36.在本发明中，由于sic材料会在高温下碳化，在碳化硅被加热到1100℃以上，表面的硅原子就会蒸发逃逸，形成石墨烯层，可以直接方便的得到石墨烯导电层材料；通过采用金属和半导体接触的肖特基结构作为g栅极，来控制s极和d极的导通，本体基底sic通过离子注入形成的半导体，离子注入区分别又轻掺杂区和重掺杂区，轻掺杂区位于中间，重掺杂区位于两端，轻掺杂区主要为了容易形成耗尽区，重掺杂区位于两端为了方便和石墨烯层接触，形成欧姆接触降低电压；轻掺杂区上方与镀层的金属形成肖特基结构，肖特基耗尽层范围在轻掺杂区域宽度内，但穿过离子注入区，深入到基底sic区，零偏压下肖特基区完全耗尽，s极和d极的通道被耗尽区阻挡，无法导通，成为增强型高电子迁移率晶体管，在栅极一定正向电压下，肖特基势垒区变薄，此时s电极和d电极在电压下通过掺杂的sic半导体区导通；无需传统的大量深入材料内部台面刻蚀工艺，简化了晶体管设计和制造的工艺，同时极大的提升了载流子迁移速率、降低导通电阻、提升工作频率、增大散热效果，实现高性能应用。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
38.图1为本发明中碳化硅基的石墨烯材料的hemt的结构图；
39.图2为栅极0偏压下肖特基势垒层结构图；
40.图3为栅极正向偏压下肖特基势垒层结构图；
41.图4为离子注入区的掺杂区域结构图。
42.其中，图中：
43.1-基底；2-石墨烯层；3-轻掺杂区；4-重掺杂区；5-s电极；6-d电极；7-g电极；8-保护层。
具体实施方式
44.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.实施例1
46.一种碳化硅基石墨烯材料的hemt芯片，包括：基底1、石墨烯层2、离子注入区、s/d电极区、g电极7和保护层8；
47.石墨烯层2位于基底1上方，且与基底1连接；
48.离子注入区位于基底1内部中心位置，且向上贯穿至石墨烯层2上表面；
49.s/d电极区位于石墨烯层2上方且与石墨烯层2连接；
50.g电极7位于离子注入区上方，且与离子注入区连接；
51.保护层8设置于s/d电极区和g电极以外的石墨烯层2和离子注入区的上方。
52.其中，离子注入区包括重掺杂区3和位于其两侧的轻掺杂区4；g电极7位于重掺杂区3上方，且与重掺杂区3连接；
53.s/d电极区包括s电极5和d电极6，s电极5和d电极6分别位于石墨烯层2上方两侧，且与石墨烯层2连接；
54.基底2材料为sic；
55.离子注入区为n型半导体离子注入区；
56.s电极和d电极均为由ti/al/ni/au组合的金属合金层，各层厚度分别为ti20nm；al150nm；ni80nm；au100nm。
57.g电极为由ni/au组合的金属合金层，各层厚度分别为
58.轻掺杂区的掺杂浓度为10
12
cm-3
；重掺杂区的掺杂浓度为10
19
cm-3
。
59.实施例2
60.一种碳化硅基石墨烯材料的hemt芯片，包括：基底1、石墨烯层2、离子注入区、s/d电极区、g电极7和保护层8；
61.石墨烯层2位于基底1上方，且与基底1连接；
62.离子注入区位于基底1内部中心位置，且向上贯穿至石墨烯层2上表面；
63.s/d电极区位于石墨烯层2上方且与石墨烯层2连接；
64.g电极7位于离子注入区上方，且与离子注入区连接；
65.保护层8设置于s/d电极区和g电极以外的石墨烯层2和离子注入区的上方。
66.其中，离子注入区包括重掺杂区3和位于其两侧的轻掺杂区4；g电极7位于重掺杂区3上方，且与重掺杂区3连接；
67.s/d电极区包括s电极5和d电极6，s电极5和d电极6分别位于石墨烯层2上方两侧，
且与石墨烯层2连接；
68.基底2材料为sic；
69.离子注入区为p型半导体离子注入区；
70.s电极和d电极均为由ti/al/ni/au组合的金属合金层，各层厚度分别为ti50nm；al200nm；ni120nm；au150nm。
71.g电极为由ni/au组合的金属合金层，各层厚度分别为
72.轻掺杂区的掺杂浓度为10
15
cm-3
；重掺杂区的掺杂浓度为10
22
cm-3
。
73.实施例3
74.一种碳化硅基石墨烯材料的hemt芯片，包括：基底1、石墨烯层2、离子注入区、s/d电极区、g电极7和保护层8；
75.石墨烯层2位于基底1上方，且与基底1连接；
76.离子注入区位于基底1内部中心位置，且向上贯穿至石墨烯层2上表面；
77.s/d电极区位于石墨烯层2上方且与石墨烯层2连接；
78.g电极7位于离子注入区上方，且与离子注入区连接；
79.保护层8设置于s/d电极区和g电极以外的石墨烯层2和离子注入区的上方。
80.其中，离子注入区包括重掺杂区3和位于其两侧的轻掺杂区4；g电极7位于重掺杂区3上方，且与重掺杂区3连接；
81.s/d电极区包括s电极5和d电极6，s电极5和d电极6分别位于石墨烯层2上方两侧，且与石墨烯层2连接；
82.基底2材料为sic；
83.离子注入区为p型半导体离子注入区；
84.s电极和d电极均为由ti/al/ni/au组合的金属合金层，各层厚度分别为ti35nm；al175nm；ni100nm；au125nm。
85.g电极为由ni/au组合的金属合金层，各层厚度分别为
86.轻掺杂区的掺杂浓度为10
14
cm-3
；重掺杂区的掺杂浓度为10
20
cm-3
。
87.实施例4
88.实施例1-3任一所述的一种碳化硅基石墨烯材料的hemt芯片的制备方法，包括以下步骤：
89.1.对sic衬底在丙酮和乙醇或其他有机溶剂中分别进行各5min的超声清洗，然后后用去离子水清洗干净，并在烤箱烘干；
90.2.接着在其表面涂上一层光刻胶，利用带有离子注入区图形的光刻板通过光刻mesa工艺,形成出离子注入区图形，然后通过显影去胶清洗，去掉离子注入区上的光刻胶，露出离子注入区，其他区域光刻胶作为屏蔽，阻挡离子注入该区；
91.3.利用离子注入技术，将铝离子或硼离子注入到未被光刻胶覆盖的离子注入区上表面，在衬底该区域形成p型半导体离子注入区，离子注入区的深度在30nm,形成轻掺杂区，此区位于离子注入区中间；
92.4.同样利用带有离子注入区图形的光刻板通过光刻mesa工艺,形成出离子注入区图形，用光刻胶做屏蔽，利用离子注入技术，将铝离子或硼离子注入到未被光刻胶覆盖的离
子注入区上表面，离子注入区的深度在25nm,形成重掺杂区，此区域位于离子注入区两端；
93.5.然后去掉离子注入时表面保护区域光刻胶，利用光刻工艺在不需要镀sio2区域涂上光阻，然后利用pecvd镀膜工艺镀一层5nm的sio2保护层(sio2保护层面积范围略小于注入区面积范围)；
94.6.然后去掉光阻，将基底加热到1400℃，由于sic材料会在高温下碳化，表面的硅原子就会蒸发逃逸，形成石墨烯层；
95.7.利用hf酸去除掉sio2层，高温形成的表面石墨烯层和离子注入的掺杂层边缘相接并略覆盖掺杂区两端边界；
96.8.利用光刻工艺制作出s和d电极，分别位于器件两侧，然后通过蒸镀工艺蒸镀一层ti/al/ni/au金属或合金，和表面石墨烯接触形成欧姆接触电极；
97.9.接着通过带有g电极图形的光刻板结合光刻mesa工艺,在掺杂区上面，制作出g电极图形区；
98.10.接着采用电子束蒸发工艺方法，分别蒸发金属ni/au，然后通过金属剥离技术将其他蒸镀区层上金属剥离留下g区金属，形成栅电极g；
99.11.然后结合mesa工艺，在表面上采用化学气相淀积法pecvd生长一层sio2钝化层保护层，除三处电极区以外所有区域都被覆盖。
100.实施例5
101.实施例1-3任一所述的一种碳化硅基石墨烯材料的hemt芯片的制备方法，包括以下步骤：
102.1.对sic衬底在丙酮和乙醇或其他有机溶剂中分别进行各3min的超声清洗，然后后用去离子水清洗干净，并在烤箱烘干；
103.2.接着在其表面涂上一层光刻胶，利用带有离子注入区图形的光刻板通过光刻mesa工艺,形成出离子注入区图形，然后通过显影去胶清洗，去掉离子注入区上的光刻胶，露出离子注入区，其他区域光刻胶作为屏蔽，阻挡离子注入该区；
104.3.利用离子注入技术，将氮离子或磷离子注入到未被光刻胶覆盖的离子注入区上表面，在衬底该区域形成n型半导体离子注入区，离子注入区的深度在10nm,形成轻掺杂区，此区位于离子注入区中间；
105.4.同样利用带有离子注入区图形的光刻板通过光刻mesa工艺,形成出离子注入区图形，用光刻胶做屏蔽，利用离子注入技术，将氮离子或磷离子注入到未被光刻胶覆盖的离子注入区上表面，离子注入区的深度在5nm,形成重掺杂区，此区域位于离子注入区两端；
106.5.然后去掉离子注入时表面保护区域光刻胶，利用光刻工艺在不需要镀sio2区域涂上光阻，然后利用pecvd镀膜工艺镀一层2nm的sio2保护层(sio2保护层面积范围略小于注入区面积范围)；
107.6.然后去掉光阻，将基底加热到1200℃，由于sic材料会在高温下碳化，表面的硅原子就会蒸发逃逸，形成石墨烯层；
108.7.利用hf酸去除掉sio2层，高温形成的表面石墨烯层和离子注入的掺杂层边缘相接并略覆盖掺杂区两端边界；
109.8.利用光刻工艺制作出s和d电极，分别位于器件两侧，然后通过蒸镀工艺蒸镀一层ti/al/ni/au金属或合金，和表面石墨烯接触形成欧姆接触电极；
110.9.接着通过带有g电极图形的光刻板结合光刻mesa工艺,在掺杂区上面，制作出g电极图形区；
111.10.接着采用电子束蒸发工艺方法，分别蒸发金属ni/au，然后通过金属剥离技术将其他蒸镀区层上金属剥离留下g区金属，形成栅电极g；
112.11.然后结合mesa工艺，在表面上采用化学气相淀积法pecvd生长一层sio2钝化层保护层，除三处电极区以外所有区域都被覆盖。
113.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
114.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。