[发明专利]氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管及其制备方法，在金刚石衬底1上生长出氢终端金刚石外延薄膜2，在氢终端金刚石外延薄膜2上制备出源极3和漏极4，沉积介质层5覆盖所有结构，对介质层5图形化处理，保留源极3、漏极4及其之间的介质层5，在源极3和漏极4之间的介质层5上沉积出栅极6；本发明采用两步法制备介质层，通过两个步骤完成介质层的制备，先使用低温工艺制备一层介质层保护氢终端金刚石的二维空穴气不被破坏，再使用高温工艺沉积高质量介质层改善器件性能，从而提升器件的电学特性，该两步法制备的氧化铝薄膜，既可以最大程度的保护氢终端金刚石的二维空穴气，又可以得到高质量的介质层氧化铝薄膜。

【技术领域】

本发明属于半导体器件领域，尤其涉及氢终端金刚石基两步法介质层场效应晶体管及其制备方法。

【背景技术】

随着现代社会经济和科技的飞速发展，半导体集成电路领域得到了前所未有的进步。作为集成电路的基石——半导体材料，更是起着举足轻重的作用。金刚石作为第四代半导体的典型代表之一，在各个方面都具有优异性能，被誉为“终极半导体”。尤其是在电学领域，金刚石具有大的禁带宽度、超高的击穿电压、高的Johnson指数、高的Keyes指数、高的Baliga指数、大的电子迁移率以及空穴迁移率。因此，使用金刚石材料制作的超高频、超大功率电子器件具有先天的优势。

集成电路的基本单元是场效应晶体管，按照结构划分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)。在结构上，这两者的主要差异是前者在栅电极和半导体之间有一层介质层，将栅电极和半导体分离开，通孔调节栅极偏压来调控沟道载流子；而后者栅电极直接和半导体接触，形成肖特基接触。MOSFET一般用在大功率电路方面，具有高的击穿电压和电流密度；MESFET一般用在高频领域，具有低的寄生效应。随着集成电路的飞速发展，一般MESFET也需要具备大功率特性，来满足目前集成电路功率来越大的要求。这就要求半导体材料本身具有良好的导热特性，高的载流子迁移率等特点。金刚石可以同时满足这些要求，是替代其他半导体材料，延续摩尔定律的明智选择。

目前，金刚石面临着最大的问题就是有效掺杂。由于常规掺杂剂，如硼、磷等元素在金刚石内的激活能大，使得掺杂金刚石的载流子浓度低，无法满足器件的使用。科学家为了解决这个问题，尝试使用δ超薄掺杂技术，该技术是在金刚石内部形成一层纳米级别厚度的掺杂层，类似于二维载流子气层，但是该技术对掺杂的要求极高，载流子迁移率也不是十分的理想，因此该技术在金刚石中并没有得到广泛的应用。幸运的是，研究表明把金刚石置于氢等离子体中处理，在金刚石表面将形成碳氢键，然后金刚石表面以下10nm左右将形成一层二维空穴气，这层二维空穴气的浓度可达10¹³cm^-2左右，载流子迁移率可达20-200cm²·V^-1·s^-1，这种金刚石被称为氢终端金刚石。我们可以使用氢终端金刚石来制备场效应晶体管。目前为止，这层二维空穴气的形成原因并没有定论，两个说法被大家广发接受。第一，碳氢原子形成共价键以后，由于碳氢原子对电子对吸引作用不同，产生极化现象，使得二维空穴气形成；第二，由于氢终端金刚石表面吸附一层水汽膜，空气中大量带电离子溶解到水汽膜中，带负电的离子在金刚石表面感应出空穴，带正电的离子和金刚石表面的电子发生中和反应，留下空穴，所以形成了二维空穴气。不论是哪种原因形成了氢终端金刚石二维空穴气层，这种二维空穴气层都不是十分的稳定，在高温和有氧气的环境下，二维空穴气层会遭到不同程度的破坏，进而影响器件的性能。因此，为了解决这个问题，一般使用介质层覆盖氢终端金刚石来保护二维空穴气层。原子层沉积技术作为沉积介质层的常规手段，被广泛使用在半导体器件制备中。为了得到高质量介质层，原子层沉积工艺一般会长时间使用很高的反应温度，这将一定程度损坏氢终端金刚石的二维空穴气。

【发明内容】