一种金刚石结型场效应晶体管及其制备方法与流程

1.本发明属于微电子工艺技术领域，具体涉及一种金刚石结型场效应晶体管及其制备方法。


背景技术：

2.金刚石是一种超宽禁带半导体材料，具有击穿电场大、饱和速度高、热导率高等优异的材料特性，是研制高压、大功率电子器件的理想材料。金刚石结型场效应晶体管通过p型掺杂和n型掺杂形成的pn结来对沟道进行调制，通过调节掺杂浓度可以实现对器件阈值电压的调节。为获得增强型器件，n型掺杂需要较高浓度的电子来耗尽金刚石p型沟道。然而，金刚石中的施主杂质均为深能级杂质，室温下激活率极低，掺杂原子很难电离，导致n型掺杂电子浓度过低，无法起到耗尽p型沟道的作用。因此采用金刚石同质pn结难以用来研制增强型器件，严重制约了金刚石结型场效应晶体管的发展。


技术实现要素：

3.解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种金刚石结型场效应晶体管及其制备方法，通过制备金刚石/氧化镓异质结能有效解决现有金刚石结型场效应晶体管器件中n型掺杂电子浓度过低、无法获得增强型器件等问题。
4.技术方案：第一方面，本发明提供一种金刚石结型场效应晶体管，包括本征金刚石衬底；p型金刚石外延层，位于所述本征金刚石衬底的上表面；p型重掺区，位于所述p型金刚石外延层内部的两端，且p型重掺区的上表面与p型金刚石外延层的上表面位于同一个平面内；欧姆接触金属，位于所述p型重掺区的上表面；n型氧化镓外延层，位于所述p型重掺区之间的p型金刚石外延层的上表面；栅金属，位于所述n型氧化镓外延层的上表面。
5.第二方面，本发明提供一种金刚石结型场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：s1、在洁净的本征金刚石衬底上生长p型金刚石外延层；s2、利用第一光刻胶在p型金刚石外延层的上表面定义源漏区域，向源漏区域的p型金刚石外延层内注入硼离子，形成p型重掺区，通过有机溶液去除第一光刻胶，然后进行高温退火；s3、在p型重掺区的上表面淀积欧姆接触金属，通过有机溶液剥离形成欧姆电极，并退火形成欧姆接触；s4、利用第二光刻胶在p型重掺区部分上表面、欧姆接触金属上表面和位于p型重掺区之间的p型金刚石外延层的上表面定义隔离区域，然后刻蚀无第二光刻胶保护的区域的p型金刚石外延层，通过有机溶剂清洗去除第二光刻胶；s5、在本征金刚石衬底、p型金刚石外延层、p型重掺区和欧姆接触金属上表面生长
n型氧化镓外延层；s6、利用第三光刻胶在n型氧化镓外延层上表面定义栅电极区域，然后淀积栅金属，通过有机溶液剥离形成栅电极；s7、以栅金属为掩膜将无掩膜保护的n型氧化镓外延层刻蚀掉，得到金刚石结型场效应晶体管。
6.优选的，在步骤s1中，所述本征金刚石衬底为单晶或多晶，所述p型金刚石外延层的掺杂原子为硼，掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3
~1
×
10
19
cm-3
，厚度为5nm~500nm。
7.优选的，在步骤s2中，所述硼离子的注入能量为10kev~100kev，注入剂量为1
×
10
14
cm-2
~5
×
10
15
cm-2
，退火气氛为惰性氛围，退火温度为700℃~1500℃。
8.优选的，在步骤s3中，所述欧姆接触金属为ti、al、au、pt、ni、mo、cu、ag、pd、w、fe中的一种或多种的组合，欧姆接触金属的总厚度为10nm~1μm，退火气氛为氮气或氩气，退火温度为400℃~800℃，退火时间为5s~30min。
9.优选的，在步骤s4中，所述p型金刚石外延层的刻蚀方法为icp或rie，刻蚀气体为o2、o2与cf4的混合气体或o2与sf6的混合气体，其中，o2与cf4气体流量比为1:10~100:1，o2与sf6气体流量比为1:10~100:1，刻蚀深度大于等于p型金刚石外延层的厚度，且小于p型金刚石外延层与本征金刚石衬底的总厚度。
10.优选的，在步骤s5中，所述n型氧化镓外延层的外延方法为激光脉冲沉积、磁控溅射、化学气相沉积或分子束外延，掺杂原子为si或sn，掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3
到1
×
10
19
cm-3
，厚度为10nm~500nm。
11.优选的，在步骤s6中，所述栅金属为ti、al、au、pt、ni、mo、cu、ag、pd、w、fe中的一种或多种的组合，栅金属的总厚度为10nm~1μm。
12.优选的，在步骤s7中，所述n型氧化镓外延层的刻蚀方法为湿法腐蚀或干法刻蚀，湿法腐蚀使用的溶液为磷酸、氢氟酸或氢氧化钠，干法刻蚀设备为icp刻蚀机或者rie刻蚀机，刻蚀气体为bcl3、bcl3与ar的混合气体或bcl3与cl2的混合气体，其中，bcl3与ar气体流量比为1:10至100:1，bcl3与cl2气体流量比为1:10至100:1。
13.有益效果：本发明制备的金刚石结型场效应晶体管具有（1）阈值电压可调，（2）击穿电压高，（3）高温稳定性好，（4）承受电流能力高的优点。
附图说明
14.图1是本发明一种金刚石结型场效应晶体管的结构示意图；图2是本发明一种金刚石结型场效应晶体管的制备流程图；图中序号：1、本征金刚石衬底，2、p型金刚石外延层，3、第一光刻胶，4、p型重掺区，5、欧姆接触金属，6、第二光刻胶，7、n型氧化镓外延层，8、第三光刻胶，9、栅金属。
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明：实施例1如图1所示，一种金刚石结型场效应晶体管，包括本征金刚石衬底1；p型金刚石外延层2，位于所述本征金刚石衬底1的上表面；p型重掺区4，位于所述p型金刚石外延层2内部
的两端，且p型重掺区4的上表面与p型金刚石外延层2的上表面位于同一个平面内；欧姆接触金属5，位于所述p型重掺区4的上表面；n型氧化镓外延层7，位于所述p型重掺区4之间的p型金刚石外延层2的上表面；栅金属9，位于所述n型氧化镓外延层7的上表面。
16.实施例2一种金刚石结型场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：s1、如图2中（a）所示，在洁净的本征金刚石衬底1上生长50nm厚的p型金刚石外延层2，硼掺杂浓度为2
×
10
17 cm-3
；s2、如图2中（b）所示，通过常规光刻、显影工艺，利用第一光刻胶3在p型金刚石外延层2的上表面定义源漏区域，向源漏区域的p型金刚石外延层2内注入硼离子，注入能量10kev，剂量1
×
10
15
cm-2
，形成p型重掺区4，通过丙酮去除第一光刻胶3，然后在氩气氛围下1200℃退火10min以激活硼离子；s3、如图2中（c）所示，通过常规光刻、显影工艺，在p型重掺区4的上表面淀积厚度为20nm的ti和厚度为500 nm的au形成欧姆接触金属5，通过丙酮剥离形成欧姆电极，并在氩气氛围下700
ꢀ°
c退火形成欧姆接触；s4、如图2中（d）-（e）所示，通过常规光刻、显影工艺，利用第二光刻胶6在p型重掺区4部分上表面、欧姆接触金属5上表面和位于p型重掺区4之间的p型金刚石外延层2的上表面定义隔离区域，然后采用icp刻蚀无第二光刻胶6保护的区域的p型金刚石外延层2，刻蚀气体为o2与sf6的混合气体，且o2与sf6的气体流量比为10:1，刻蚀深度60nm，通过丙酮清洗去除第二光刻胶6；s5、如图2中（f）所示，采用激光脉冲沉积法在本征金刚石衬底1、p型金刚石外延层2、p型重掺区4和欧姆接触金属5上表面生长100nm厚的n型氧化镓外延层7，si掺杂浓度为5
×
10
16 cm-3
；s6、如图2中（g）-（h）所示，通过常规光刻、显影工艺，利用第三光刻胶8在n型氧化镓外延层7上表面定义栅电极区域，然后淀积20nm厚的ti和500nm厚的au形成栅金属9，通过丙酮剥离形成栅电极；s7、如图2中（i）所示，以栅金属9为掩膜，采用icp将无掩膜保护的n型氧化镓外延层7刻蚀掉，刻蚀气体为bcl3与cl2的混合气体，且两者的流量比为10:1，得到金刚石结型场效应晶体管。
17.实施例3一种金刚石结型场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：s1、在洁净的本征金刚石衬底1上生长500nm厚的p型金刚石外延层2，硼掺杂浓度为1
×
10
16 cm-3
；s2、通过常规光刻、显影工艺，利用第一光刻胶3在p型金刚石外延层2的上表面定义源漏区域，向源漏区域的p型金刚石外延层2内注入硼离子，注入能量100kev，剂量5
×
10
15
cm-2
，形成p型重掺区4，通过丙酮去除第一光刻胶3，然后在氩气氛围下900℃退火30min以激活硼离子；s3、通过常规光刻、显影工艺，在p型重掺区4的上表面淀积厚度为10nm的ti和厚度为100 nm的au形成欧姆接触金属5，通过丙酮剥离形成欧姆电极，并在氩气氛围下500
ꢀ°
c退火形成欧姆接触；
s4、通过常规光刻、显影工艺，利用第二光刻胶6在p型重掺区4部分上表面、欧姆接触金属5上表面和位于p型重掺区4之间的p型金刚石外延层2的上表面定义隔离区域，然后采用icp刻蚀无第二光刻胶6保护的区域的p型金刚石外延层2，其中，刻蚀气体为o2与sf6的混合气体，且o2与sf6的气体流量比为10:1，刻蚀深度600nm，通过丙酮清洗去除第二光刻胶6；s5、采用分子束外延法在本征金刚石衬底1、p型金刚石外延层2、p型重掺区4和欧姆接触金属5上表面生长300nm厚的n型氧化镓外延层7，sn掺杂浓度为1
×
10
17 cm-3
；s6、通过常规光刻、显影工艺，利用第三光刻胶8在n型氧化镓外延层7上表面定义栅电极区域，然后淀积10nm厚的ti和20nm厚的au形成栅金属9，通过丙酮剥离形成栅电极；s7、以栅金属9为掩膜，采用icp将无掩膜保护的n型氧化镓外延层7刻蚀掉，刻蚀气体为bcl3与cl2的混合气体，且二者的气体流量比为2:1，得到金刚石结型场效应晶体管。
18.实施例4一种金刚石结型场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：s1、在洁净的本征金刚石衬底1上生长200nm厚的p型金刚石外延层2，硼掺杂浓度为1
×
10
17 cm-3
；s2、通过常规光刻、显影工艺，利用第一光刻胶3在p型金刚石外延层2的上表面定义源漏区域，向源漏区域的p型金刚石外延层2内注入硼离子，注入能量60kev，剂量2
×
10
15
cm-2
，形成p型重掺区4，通过丙酮去除第一光刻胶3，然后在氩气氛围下1400℃退火2min以激活硼离子；s3、通过常规光刻、显影工艺，在p型重掺区4的上表面淀积厚度分别为20nm、50nm和200nm 的ti、pt和au形成欧姆接触金属5，通过丙酮剥离形成欧姆电极，并在氮气氛围下800
ꢀ°
c退火30s形成欧姆接触；s4、通过常规光刻、显影工艺，利用第二光刻胶6在p型重掺区4部分上表面、欧姆接触金属5上表面和位于p型重掺区4之间的p型金刚石外延层2的上表面定义隔离区域，然后采用icp刻蚀无第二光刻胶6保护的区域的p型金刚石外延层2，刻蚀气体为o2与sf6的混合气体，且二者的气体流量比为10:1，刻蚀深度300nm，通过丙酮清洗去除第二光刻胶6；s5、采用激光脉冲沉积法在本征金刚石衬底1、p型金刚石外延层2、p型重掺区4和欧姆接触金属5上表面生长30nm厚的n型氧化镓外延层7，si掺杂浓度为1
×
10
18 cm-3
；s6、通过常规光刻、显影工艺，利用第三光刻胶8在n型氧化镓外延层7上表面定义栅电极区域，然后淀积20nm厚的ni和500nm厚的au形成栅金属9，通过丙酮剥离形成栅电极；s7、以栅金属9为掩膜，采用icp将无掩膜保护的n型氧化镓外延层7刻蚀掉，刻蚀气体为bcl3与cl2的混合气体，且二者的气体流量比为20:1，得到金刚石结型场效应晶体管。
19.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。