專(zhuān)利名稱:金剛石晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及利用金剛石材料制成的晶體管,尤其是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET),還涉及制造這種晶體管的方法。
背景技術(shù):
現(xiàn)在大多都是基于硅和砷化鎵器件來(lái)產(chǎn)生高頻(HF)和微波信號(hào)。由于受到物理?xiàng)l件限制,這些器件在簡(jiǎn)單固態(tài)器件結(jié)構(gòu)中不能實(shí)現(xiàn)高于幾百瓦特(根據(jù)要放大的頻率而定)的功率電平。寬帶隙材料(金剛石、SiC、GaN等等)在理論上可以在微波頻率下獲得較高的單位柵極長(zhǎng)度的功率放大。這是因?yàn)榭缭谄渖险{(diào)制電流的晶體管溝道區(qū)可以支持更大偏壓以及微波信號(hào)的電壓振幅。實(shí)際上,開(kāi)發(fā)出寬帶隙半導(dǎo)體的更高擊穿電場(chǎng)。在微波功率晶體管中,支持高電壓的能力尤其令人滿意,這是因?yàn)椋ǔG闆r下,功率必須傳輸?shù)较鄬?duì)高阻抗(50歐姆)負(fù)載。
在制造這種晶體管時(shí)利用金剛石已經(jīng)在以下公開(kāi)出版物中公開(kāi)JP-A-60246627、EP0343963 B1和US005491348A。
本發(fā)明的目的在于,提供一種具有便于制造和性能方面的特殊優(yōu)勢(shì)的替代晶體管結(jié)構(gòu)及其制造方法。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面,一種制造晶體管的方法,包括以下步驟 (a)提供襯底,該襯底包括單晶金剛石材料,該單晶金剛石材料具有生長(zhǎng)表面,在該生長(zhǎng)表面上沉積其它金剛石材料層,該生長(zhǎng)表面或其區(qū)域具有3納米或更低的均方根粗糙度或沒(méi)有大于3納米的臺(tái)階或凸起; (b)在該襯底生長(zhǎng)表面上沉積多個(gè)其它金剛石層;以及 (c)將合適接觸連接到相應(yīng)金剛石層,從而限定出晶體管結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,該襯底的生長(zhǎng)表面或其區(qū)域優(yōu)選具有小于1納米、更優(yōu)選小于0.1納米以及最優(yōu)選小于0.05納米的均方根(rms)粗糙度(或RQ)。由于在整個(gè)申請(qǐng)中大量采用RA和RQ,所以有必要陳述它們兩者之間的關(guān)系對(duì)于表面高度的高斯分布,RQ=1.25RA。
該襯底的表面的進(jìn)一步特征在于它的RT值,其中這是測(cè)得的最大峰谷高度。由于在具有大RT值的表面上存在少量深坑或高隆起,所以具有小RA或RQ的表面仍然是不合適的。優(yōu)選的是,該襯底的RT值小于3納米,更優(yōu)選為小于1納米,進(jìn)一步優(yōu)選為小于0.5納米以及最優(yōu)選為小于0.2納米。
滿足rms、RQ、RA和RT粗糙度要求所需的區(qū)域橫向范圍優(yōu)選由該器件或者所電連接到的器件組件的橫向范圍來(lái)限定,或者更優(yōu)選為這些橫向尺寸的兩倍,以及最優(yōu)選為這些橫向尺寸的三倍。
該器件包括源極、漏極、柵極、溝道和接觸區(qū),這是本領(lǐng)域公知的。
所電連接到的器件組件是指這樣的兩個(gè)或多個(gè)器件,它們被連接而使得相當(dāng)于單個(gè)器件,而其電特性(尤其是總體功率和總體電流處理能力)大于各個(gè)單獨(dú)的器件的電特性。
至于絕對(duì)尺寸,單獨(dú)的器件可以具有小至1微米×1微米的橫向尺寸。組件可以包圍整個(gè)金剛石晶片;可以想象到在未來(lái)這可以是100毫米×100毫米或者甚至更大。
該生長(zhǎng)表面的高平整度或平滑度是為要在其上制造的后續(xù)薄器件層提供合適表面所需的。在許多應(yīng)用場(chǎng)合中,除rms粗糙度之外的關(guān)鍵參數(shù)是沒(méi)有高于指定尺寸的臺(tái)階,該指定尺寸通常是在應(yīng)用任何可選其它平整度處理之前在該結(jié)構(gòu)中采用的最薄后續(xù)層的厚度的分?jǐn)?shù)倍。
因此,在本發(fā)明的替換實(shí)施例中,任何臺(tái)階或凸起的高度優(yōu)選小于該最薄的相鄰層厚度的50%、更優(yōu)選小于20%、進(jìn)一步優(yōu)選小于10%、再進(jìn)一步優(yōu)選小于5%、以及最優(yōu)選小于2%,其中臺(tái)階或凸起定義為表面高度在平行于該表面并且等于或大于最薄的相鄰層的厚度的距離上的變化。
優(yōu)選地,該臺(tái)階或凸起定義為表面高度在平行于該表面并且等于最薄的相鄰層的厚度的至少兩倍、更優(yōu)選5倍以及最優(yōu)選10倍的距離上的變化。
換言之,這意味著,晶體管結(jié)構(gòu)中兩個(gè)相鄰層之間的界面的清晰程度(sharpness)應(yīng)當(dāng)小于該材料的德拜長(zhǎng)度(Debye-length)。
由于在許多器件結(jié)構(gòu)中,關(guān)鍵柵極結(jié)構(gòu)是線性結(jié)構(gòu)或者類(lèi)似線性結(jié)構(gòu),所以,提供沿特定方向具有比沿該表面上的正交方向更低的表面粗糙度或更低的最大臺(tái)階高度是有利的,其中該方向隨后作為該線性特征的主要尺寸的方向,例如橫向延伸柵極的方向。
因此,根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例,該生長(zhǎng)表面優(yōu)選沿特定方向具有更低表面粗糙度或更低最大臺(tái)階高度,其中該方向?qū)?yīng)于晶體管的接觸或其它線性特征的線性尺寸。
具體來(lái)說(shuō),優(yōu)選沿與該襯底表面具有更低表面粗糙度或更低最大臺(tái)階高度的方向?qū)?yīng)的方向來(lái)設(shè)置該晶體管的柵極長(zhǎng)度或另一個(gè)線性特征。
從上面可以清楚看到,提供具有適用于金剛石生長(zhǎng)的平滑表面的襯底是本發(fā)明的重要特征。這本身包括細(xì)心挑選所采用的襯底材料,并將襯底表面處理到所需平滑度。
該襯底材料通常是單晶金剛石材料,其特征在于低應(yīng)變、低雙折射率和低位錯(cuò)密度。
該襯底材料的金剛石可以是HPHT、CVD或天然金剛石,其中HPHT和CVD金剛石是優(yōu)選的。
該襯底材料更優(yōu)選為通過(guò)化學(xué)汽相沉積工藝制備的單晶金剛石材料(被稱為“CVD金剛石”),其特征在于低應(yīng)變、低雙折射率和低位錯(cuò)密度。
在WO2004/046427和WO2004/027123中,申請(qǐng)人已經(jīng)描述了低應(yīng)變、低雙折射率(它表示低應(yīng)變)和低位錯(cuò)密度的特性和測(cè)量這些特性的方法,上述申請(qǐng)的內(nèi)容和制造這種材料的方法一起在此被結(jié)合作為參考。
上述特征的典型值包括 a)雙折射率,由相移的正弦的模數(shù)來(lái)例證,小于0.9; b)位錯(cuò)密度,利用“顯露蝕刻”來(lái)測(cè)量,優(yōu)選小于5×103/mm2,更優(yōu)選小于1×103/mm2,進(jìn)一步優(yōu)選小于5×102/mm2,以及最優(yōu)選小于102/mm2。
C)該材料的表面能夠被拋光到優(yōu)選優(yōu)于1納米、更優(yōu)選優(yōu)于0.6納米的RA。這不需指定制造該器件所需的RA,而是指定所需材料的性質(zhì),因?yàn)橐恍〤VD因其點(diǎn)密度和延展缺陷而不能加工到這種表面光潔度。
D)通過(guò)電子順磁共振技術(shù)測(cè)量的CVD襯底中單原子替代氮(single substitutional nitrogen)的濃度優(yōu)選小于5×1017cm-3,更優(yōu)選為小于2×1017cm-3。
E)通過(guò)電子順磁共振技術(shù)測(cè)量的CVD襯底中單原子替代氮的濃度優(yōu)選大于3×1015cm3,更優(yōu)選為大于1×1016cm-3,最優(yōu)選為大于5×1016cm-3。
雖然具有這些特性的襯底材料是優(yōu)選的,但是不排除利用上述范圍之外的其它材料來(lái)制造本發(fā)明的器件,應(yīng)當(dāng)注意,這些數(shù)值范圍僅僅用于表示能夠制造出具有最佳性能的器件的材料特性。
雖然優(yōu)選襯底材料是具有上述特性的單晶CVD金剛石,但是也可以采用其它合成金剛石或天然金剛石。其它合成金剛石可以包括通過(guò)高壓高溫技術(shù)(“HPHT金剛石”)合成的金剛石。在本發(fā)明的范圍內(nèi),作為替換實(shí)施例,采用HPHT金剛石作為襯底,其中在制備后續(xù)電子有源層之前,具有和上述特性相同的特性的高質(zhì)量層生長(zhǎng)在上述襯底上。
雖然可以采用多晶CVD金剛石或高定向多晶金剛石作為本發(fā)明的金剛石襯底,但是都不是優(yōu)選的選擇。
作為晶體材料的金剛石的特征可以在于結(jié)晶方面,尤其是平面(hkl)或{hlk}和方向[uvw]或<uvw>的米勒指數(shù),其中不同類(lèi)型括號(hào)的含義是本領(lǐng)域公知的。
用于CVD金剛石合成的初級(jí)生長(zhǎng)扇區(qū)是任何低指數(shù)平面,包括{100}、{110}、{111}、{311}和{331}。在一個(gè)實(shí)施例中,優(yōu)選的是,用作襯底的金剛石板的主表面為{110}、{111}或{311}平面的15°以內(nèi)、更優(yōu)選為10°以內(nèi)、進(jìn)一步優(yōu)選為7°以內(nèi)以及最優(yōu)選為4°以內(nèi)的平面。
為了方便起見(jiàn),該優(yōu)選{100}平面被稱為(001),并且具有沿方向
的平面法線。
可以處理金剛石板,以使得該板表面的法線相對(duì)于晶面特意成一定角度。這種處理或拋光被稱為“離軸”處理或拋光。離軸拋光可以使得表面粗糙度在CVD金剛石生長(zhǎng)之后變得更低,因?yàn)樗峁┰优_(tái)階的普遍流量(general flow)的方向,這些臺(tái)階是原子平面的邊緣。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中,該金剛石襯底被制備為使得該主表面的法線優(yōu)選從
方向開(kāi)始小于15°,更優(yōu)選從
方向開(kāi)始小于7°,并且優(yōu)選沿位于經(jīng)過(guò)選定(001)主扇區(qū)以及(a)(111)和(110)晶體取向或(b)(-111)和(-110)晶體取向的大圓弧的15°以內(nèi)的方向,更優(yōu)選為10°以內(nèi),進(jìn)一步優(yōu)選為7°以內(nèi),以及最優(yōu)選為4°以內(nèi)。在情況(a)中,晶體管的柵極長(zhǎng)度優(yōu)選平行于方向[-110],而在情況(b)中平行于方向[110]。
尤其優(yōu)選通過(guò)CVD金剛石生長(zhǎng)制得的襯底材料,這是因?yàn)樗鼘?shí)質(zhì)控制許多參數(shù),這些參數(shù)與減小位錯(cuò)密度以及改進(jìn)將表面處理成高平滑度的能力相關(guān),例如在存在受控低等級(jí)氮時(shí)生長(zhǎng)該金剛石材料。
在這點(diǎn)上,雖然需要包括襯底(尤其是靠近平滑以便于進(jìn)一步器件制造的生長(zhǎng)表面)的單晶金剛石材料在電特性方面與該器件兼容,但是由于該襯底通常不構(gòu)成該器件的有源層(除了可能存在屏蔽層或者利用“后接觸(back contact)”結(jié)構(gòu)之外),所以該質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有器件層那么嚴(yán)格,并且可以采用非電子級(jí)金剛石。
例如,發(fā)現(xiàn)在WO2004/046427中公開(kāi)的所謂光學(xué)級(jí)CVD單晶金剛石尤其適于作為執(zhí)行本發(fā)明的方法的襯底材料。
在制造襯底的方法中采用的氮等級(jí)優(yōu)選選定為足以防止或減少產(chǎn)生缺陷的局部應(yīng)變,同時(shí)足夠低以防止或減少有毒吸收和晶體質(zhì)量下降。已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),為了實(shí)現(xiàn)上述所需特性,CVD合成環(huán)境優(yōu)選包括至少300ppb(10億分之一)的氮,更優(yōu)選為至少500ppb,以及最優(yōu)選為至少800ppb,并且優(yōu)選小于5ppm(百萬(wàn)分之一),更優(yōu)選為小于2ppm,以及最優(yōu)選為小于1.5ppb,所有上述物理量都計(jì)算為分子氮?dú)狻?br>
該襯底的另一個(gè)方面是,它整個(gè)或部分包括n+屏蔽層,該屏蔽層通常摻雜有氮或磷。利用該屏蔽層是利用后接觸的一種可替換方式。
屏蔽層中的n型摻雜劑也就是氮或磷的濃度通常在1×1015cm-3至1×1020cm-3范圍內(nèi)。雖然在采用該層的結(jié)構(gòu)中該層的厚度不是至關(guān)重要的,但是優(yōu)選的是它的厚度在1納米至5毫米之間。當(dāng)該屏蔽層沒(méi)有包括整個(gè)襯底(即它是通過(guò)氮和/或磷濃度區(qū)分于該襯底的分立層)時(shí),薄的屏蔽層(厚度通常大于等于1納米且小于等于150微米)是優(yōu)選的。在襯底構(gòu)成該屏蔽層的結(jié)構(gòu)中(即在屏蔽層和襯底之間氮和/或磷濃度沒(méi)有區(qū)別),厚的屏蔽層(厚度通常大于150微米且小于5毫米)是優(yōu)選的。
在替換實(shí)施例中,該屏蔽層可以通過(guò)離子注入工藝來(lái)構(gòu)造。
在該屏蔽層中,該摻雜劑濃度可以是固定的,或者它可以從一個(gè)表面到另一個(gè)表面線性變化,或者它可以滿足一些其它合適的摻雜劑濃度分布或者特性分布。該屏蔽層通常鄰近或靠近將生長(zhǎng)器件結(jié)構(gòu)的表面。該屏蔽層可以通過(guò)CVD金剛石生長(zhǎng)、或者通過(guò)注入、或者通過(guò)利用來(lái)自任何合適源的金剛石的預(yù)摻雜層來(lái)提供,其中在該預(yù)摻雜層上通過(guò)CVD方法附接其它金剛石,以便提供襯底塊體,或者該屏蔽層可以包括整個(gè)襯底從而其是來(lái)自任何合適源的金剛石。
可以通過(guò)許多種方式來(lái)將襯底表面處理為所需平滑度。它可以要求利用傳統(tǒng)研磨拋光技術(shù)結(jié)合細(xì)心表面特征化的機(jī)械處理流程。它還可以通過(guò)受控蝕刻和/或生長(zhǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),例如等離子體蝕刻或低速生長(zhǎng),在某些實(shí)施例結(jié)合改進(jìn)的機(jī)械拋光流程。還可以采用離軸拋光結(jié)合受控蝕刻或者更優(yōu)選結(jié)合受控生長(zhǎng),以便可選地在隨后的機(jī)械處理之后,進(jìn)一步控制蝕刻/生長(zhǎng)工藝中的表面臺(tái)階的動(dòng)作,由此提供更加平滑的表面。
在表面平滑度沿不同方向(通常為兩個(gè)正交方向)不同的情況下,在離軸拋光技術(shù)之后接著進(jìn)行蝕刻或生長(zhǎng)是尤其優(yōu)選的。
在適合制造高質(zhì)量金剛石的條件下,通過(guò)CVD金剛石生長(zhǎng),在該襯底上優(yōu)選沉積(生長(zhǎng))其它金剛石層。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中,高質(zhì)量金剛石的CVD生長(zhǎng)通常包括襯底的原位預(yù)生長(zhǎng)蝕刻,接著進(jìn)行沉積。該蝕刻包括兩個(gè)步驟,首先進(jìn)行氧氣蝕刻,然后進(jìn)行氫氣蝕刻。
由于保持通過(guò)先前的處理獲得的平滑度是重要的,所以該蝕刻優(yōu)選主要或全部為氫氣蝕刻。合適的蝕刻條件的細(xì)節(jié)之前已經(jīng)在WO01/96633中公開(kāi)了。
在本發(fā)明的替換實(shí)施例中,在CVD生長(zhǎng)工藝之前,該襯底可以經(jīng)歷其它蝕刻工藝,包括電感耦合等離子體(ICP)蝕刻、離子束研磨(IBM)和反應(yīng)離子蝕刻(RIE)。這些工藝都在生長(zhǎng)室的位外或原位進(jìn)行。這些蝕刻中任何一個(gè)或兩者都可以通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例的氧和/或氫等離子體蝕刻來(lái)進(jìn)行。
該方法包括沉積至少一層摻雜金剛石材料,以及在摻雜金剛石材料層上沉積至少一層本征金剛石材料,以便限定溝道。
在襯底上沉積(生長(zhǎng))的其它金剛石層優(yōu)選包括至少一個(gè)硼摻雜層(“Δ摻雜(delta-doped)”層)和至少一個(gè)器件級(jí)金剛石相鄰層,其中在相應(yīng)層之間具有清晰(sharp)界面。
該Δ摻雜層優(yōu)選具有以下?lián)诫s劑濃度大于1×1016原子cm-3、更優(yōu)選為大于1×1018原子cm-3、進(jìn)一步優(yōu)選為大于1×1019原子cm-3、更進(jìn)一步優(yōu)選為大于5×1019原子cm-3、再進(jìn)一步優(yōu)選為大于1×1020原子cm-3、以及最優(yōu)選為大于5×1020原子cm-3。
該Δ摻雜層優(yōu)選具有以下?lián)诫s劑濃度小于5×1021原子cm-3、更優(yōu)選為小于1×1021原子cm-3、以及最優(yōu)選為小于8×1020原子cm-3。
該器件級(jí)高純度金剛石優(yōu)選包括具有以下殘留雜質(zhì)濃度的高純度金剛石小于1×1016cm-3、更優(yōu)選為小于1×1015cm-3、進(jìn)一步優(yōu)選為小于1×1014cm-3、以及最優(yōu)選為小于5×1013cm-3。在本專(zhuān)利文獻(xiàn)中,該金剛石被稱為本征金剛石。
各層之間的界面優(yōu)選為平滑的,具有如前所述用于襯底表面的最大臺(tái)階或凸起高度。
理想中,摻雜層和未摻雜層(其中在上述摻雜層頂部沉積未摻雜層)之間的界面應(yīng)當(dāng)極其清晰,摻雜劑濃度在界面交界處變化明顯。然而在實(shí)際中,這種極其清晰是不現(xiàn)實(shí)的,當(dāng)在摻雜層上沉積未摻雜層時(shí),摻雜劑水平會(huì)降低到在有限距離上和未摻雜層相當(dāng)?shù)乃健?br>
該摻雜濃度應(yīng)當(dāng)在小于20%、更優(yōu)選為小于10%、更優(yōu)選為小于5%、進(jìn)一步優(yōu)選為小于2%或者最優(yōu)選為小于1%的摻雜層和未摻雜層之間層厚的距離中下降至少1、更優(yōu)選為至少3、進(jìn)一步優(yōu)選為至少5以及最優(yōu)選為至少7個(gè)數(shù)量級(jí),其中該層厚是沉積到摻雜層上的未摻雜層的層厚。
在摻雜層沉積到本征層上的情況下,該摻雜劑濃度應(yīng)當(dāng)在盡可能短的距離內(nèi)盡可能快速地升高到期望水平,其中極其清晰轉(zhuǎn)換是理想情況。然而,在實(shí)際中不可能實(shí)現(xiàn)這種理想情況,因此優(yōu)選的是,在優(yōu)選小于10納米、更優(yōu)選小于5納米、進(jìn)一步優(yōu)選小于2納米、更進(jìn)一步優(yōu)選小于1納米、再進(jìn)一步優(yōu)選小于0.5納米以及最優(yōu)選小于0.1納米的距離中,摻雜劑濃度從該本征層的水平(通常小于1016cm-3)升高到至少1×1018cm-3、更優(yōu)選為至少1×1019cm-3、進(jìn)一步優(yōu)選為至少1×1020cm-3、更進(jìn)一步優(yōu)選為至少5×1020cm-3、最優(yōu)選為至少1×1021cm-3。
理想中,該摻雜層具有等于單層厚度的厚度。這難以在實(shí)際中實(shí)現(xiàn),并且可以通過(guò)在其上沉積摻雜層的本征層的表面粗糙度來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。
該硼Δ摻雜金剛石層的厚度(圖2中的層3和5)優(yōu)選小于100納米、更優(yōu)選小于50納米、進(jìn)一步優(yōu)選小于20納米、更進(jìn)一步優(yōu)選小于10納米、再進(jìn)一步優(yōu)選小于5納米、進(jìn)一步優(yōu)選小于2納米、進(jìn)一步優(yōu)選小于1納米、最優(yōu)選為小于0.3納米。理想中,該摻雜層具有等于單層的厚度。
限定溝道的該本征金剛石層的厚度優(yōu)選小于1000納米、更優(yōu)選小于200納米、進(jìn)一步優(yōu)選小于100納米、再進(jìn)一步優(yōu)選小于50納米、進(jìn)一步優(yōu)選小于20納米、進(jìn)一步優(yōu)選小于10納米、進(jìn)一步優(yōu)選小于5納米、以及最優(yōu)選為小于2納米。限定溝道的該本征金剛石層的厚度必須比德拜尾部厚。限定溝道的該本征金剛石層的厚度必須比德拜尾部厚。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包括提供肖特基柵極接觸,它通常位于接觸到溝道的凹槽中。該溝道可以利用以下處理工藝來(lái)凹陷和暴露,例如激光燒蝕、感生石墨化和化學(xué)蝕刻、反應(yīng)離子蝕刻、離子束研磨或電感耦合等離子體處理結(jié)合光刻工藝。
該柵極接觸可以包括金屬化層,該金屬化層采用例如鎳、鋁、金或鉑或者難熔金屬。
除了柵極接觸之后,通常還需要在每個(gè)器件中沉積至少兩個(gè)歐姆源極和漏極接觸。
該歐姆接觸直接沉積在第一摻雜層或第二摻雜層上,并且經(jīng)載流子擴(kuò)散接觸到第一摻雜層,這些歐姆接觸通常形成接觸到摻雜層的非常低的電阻。這可以利用許多技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),包括經(jīng)金屬碳化物界面來(lái)形成隧道接觸。用于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的典型金屬和其它材料包括鈦、鉻、鎳和硅化鎢(WSi)。這些材料因?qū)⒃撈骷罱拥揭恍┩獠侩娐返脑蚨靡恍┢渌饘龠M(jìn)行封罩(cap),這些其它金屬包括鉑、金和鋁。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中,提供金剛石或非金剛石鈍化材料層,它在肖特基柵極和兩個(gè)歐姆接觸之間提供附加隔離。它優(yōu)選包括寬帶隙材料,例如可以是以下一種或多種材料藍(lán)寶石、n型金剛石、本征金剛石、氧化硅、碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁和氮化硼。
該柵極接觸優(yōu)選為應(yīng)用到鈍化材料層的肖特基柵極接觸,但是在某些情況下該柵極可以直接應(yīng)用到該暴露溝道。
本發(fā)明的方法可以包括利用受控同位素比來(lái)控制相鄰層之間的應(yīng)變,或者控制通常遍及該器件的層結(jié)構(gòu)的應(yīng)變的建立。尤其是,可以調(diào)節(jié)12C和13C的比率,或者調(diào)節(jié)不同層之間或者層內(nèi)或者在層的邊界的摻雜原子(例如,10B∶11B)的同位素比,其中層的概念則通過(guò)化學(xué)組分而非同位素組分來(lái)限定。
本發(fā)明擴(kuò)展到通過(guò)上述限定方法制造的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(“MESFET”)。
通過(guò)利用本申請(qǐng)公開(kāi)的材料和方法獲得的高頻MESFET已經(jīng)利用成熟建模技術(shù)和關(guān)于材料特性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)建模。這部分是因?yàn)檫@些器件的合成和測(cè)試周期時(shí)間長(zhǎng),并且覆蓋器件的全部范圍可能會(huì)需要比一年還要長(zhǎng)得多的時(shí)間。
表征MESFET的特征的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是閾值頻率FT和以每mm柵極長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的瓦特?cái)?shù)為單位的FT下的最大輸出功率Pmax。對(duì)于本發(fā)明的SC CVD金剛石MESFET,希望器件的閾值頻率FT處于0.1GHz至500GHz的范圍內(nèi),并且希望功率Pmax處于0.05W/mm至1000W/mm的范圍內(nèi)。隨著MESFET的閾值頻率升高,功率容量通常會(huì)降低,因此表征器件性能的最佳方法是采用乘積Pmax×FT。因此下面的性能曲線圖希望根據(jù)本發(fā)明的方法來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)于閾值頻率FT處于0.1至500GHz的范圍內(nèi)并且最大輸出功率Pmax處于0.05至1000W/mm的范圍內(nèi)的器件,單位為GHz的閾值頻率與單位為W/mm的最大功率的乘積Pmax×FT優(yōu)選大于0.005、更優(yōu)選為大于0.05、更優(yōu)選為大于0.5、更優(yōu)選為大于5、更優(yōu)選為大于50、更優(yōu)選為大于500、更優(yōu)選為大于5000、以及最優(yōu)選為大于50000。
對(duì)于閾值頻率FT處于0.1至500GHz的范圍內(nèi)并且最大輸出功率Pmax處于0.05至1000W/mm的范圍內(nèi)的器件,單位為GHz的閾值頻率與單位為W/mm的最大功率的乘積Pmax×FT優(yōu)選不超過(guò)106、更優(yōu)選不超過(guò)105、更優(yōu)選不超過(guò)104、以及最優(yōu)選不超過(guò)103。
對(duì)于制成的器件,柵極長(zhǎng)度(以及以每mm柵極長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的瓦特?cái)?shù)為單位的Pmax)不容易獲得,因此器件性能可以表示為單位為GHz的閾值頻率FT和單位為W的器件最大輸出功率Pdev的乘積。本發(fā)明的器件的希望性能如下所述 對(duì)于閾值頻率FT處于0.1至500GHz的范圍內(nèi)并且最大輸出功率Pmax處于0.05W/mm至1000W/mm的范圍內(nèi)的器件,單位為GHz的閾值頻率與單位為W的器件最大功率的乘積FT×Pdev優(yōu)選大于0.005、更優(yōu)選為大于0.05、更優(yōu)選為大于0.5、更優(yōu)選為大于5、更優(yōu)選為大于50、更優(yōu)選為大于500、更優(yōu)選為大于5000、以及最優(yōu)選為大于50000。
對(duì)于閾值頻率FT處于0.1至500GHz的范圍內(nèi)并且最大輸出功率Pmax處于0.05W/mm至1000W/mm的范圍內(nèi)的器件,單位為GHz的閾值頻率與單位為W的器件最大功率的乘積FT×Pdev優(yōu)選不超過(guò)106、更優(yōu)選不超過(guò)105、更優(yōu)選不超過(guò)104、以及最優(yōu)選不超過(guò)103。
圖1是可作為多種不同半導(dǎo)體材料的頻率的函數(shù)實(shí)現(xiàn)的輸出功率圖; 圖2是制造根據(jù)本發(fā)明的晶體管實(shí)施例所需的單晶(SC)化學(xué)汽相沉積(CVD)金剛石層的多層的示意性截面圖(未按照比例示出); 圖3是根據(jù)本發(fā)明的金剛石晶體管的第一實(shí)施例的示意性截面圖; 圖4是根據(jù)本發(fā)明的金剛石晶體管的第二實(shí)施例的示意性截面圖; 圖5是利用圖2的示意性層結(jié)構(gòu)制造的、根據(jù)本發(fā)明的金剛石晶體管的第三實(shí)施例的示意性截面圖; 圖6是類(lèi)似于圖3的金剛石晶體管的金剛石晶體管的歐姆接觸的接觸電阻曲線圖; 圖7是作為本發(fā)明的晶體管中的溫度的函數(shù)的鋁肖特基接觸的性能曲線圖; 圖8是類(lèi)似于圖3的晶體管的金剛石晶體管的I/V特性曲線圖;以及 圖9是圖3、4和5所示實(shí)施例的變型的示意性截面圖。
具體實(shí)施例方式 例如GaN、SiC和金剛石的寬帶隙材料均在簡(jiǎn)單器件結(jié)構(gòu)中提供高功率固態(tài)射頻(RF)器件的可能性,并且這些材料中,金剛石目前為止具有最佳材料特性(參見(jiàn)圖1)。
理論上,金剛石的本征性能表明,金剛石器件可以占據(jù)高達(dá)數(shù)百GHz(在X帶頻率下產(chǎn)生100s瓦特)的頻率下的整個(gè)RF代市場(chǎng)?;诮饎偸某跗谖⒉ㄆ骷呀?jīng)表明其電流增益截止頻率Ft在11GHz以上。然而,這些器件不是基于也不是優(yōu)選本發(fā)明研制的SC CVD金剛石技術(shù)發(fā)展水平。
RF功率器件需要低寄生電容和電阻、短轉(zhuǎn)換時(shí)間和低熱阻,并且需要具有開(kāi)發(fā)延伸高場(chǎng)漂移區(qū)域的能力。影響器件性能的核心物理參數(shù)如下的表格1所示。第二列示出給定參數(shù)對(duì)器件特性的影響。在該表格中,最高值將帶來(lái)最佳可能器件。在所有相關(guān)參數(shù)中,金剛石是最優(yōu)的。
對(duì)于RF功率應(yīng)用,最大場(chǎng)和飽和速度是從器件獲得功率的最重要參數(shù)。表格1也示出通過(guò)不同材料獲得的約翰遜品質(zhì)因數(shù)。迄今為止,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)背離該法則的情況。它是一種物理模型,僅僅熱管理導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)和約翰遜品質(zhì)因數(shù)之間的差異。金剛石的非常高的熱導(dǎo)率確保由該熱限制產(chǎn)生非常低的效果。金剛石是用于高功率、高頻器件并具有延伸到高于100GHz的操作頻率的終極半導(dǎo)體。
本申請(qǐng)人的在WO01/96633和WO01/96634中公開(kāi)的最近發(fā)明表明,通過(guò)在通過(guò)化學(xué)汽相沉積(CVD)來(lái)合成超高質(zhì)量合成單晶(SC)金剛石時(shí)取得的主要突破。該工作導(dǎo)致產(chǎn)生的大面積獨(dú)立式(free-standing)SC CVD金剛石具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)天然和其它合成金剛石的最佳期望值和之前結(jié)果的載流子壽命和遷移率。
表格1材料特性比較[R串聯(lián)電阻,ft=電流增益截業(yè)頻率,Imax=最大電流密度,Vmax最大偏壓,Pout=最大輸出功率]約翰遜品質(zhì)因數(shù),考慮高功率高速操作,(EBVsat)21/開(kāi)關(guān)損耗,并且是用于RF功率應(yīng)用的多種半導(dǎo)體材料的良好相對(duì)比較。
本發(fā)明采用一些在上述專(zhuān)利申請(qǐng)中公開(kāi)的技術(shù),并且結(jié)合許多新概念,從而產(chǎn)生適用于高頻信號(hào)的放大和切換的金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管,例如用于雷達(dá)、衛(wèi)星通信和下一代移動(dòng)通信。在頻率方面,這對(duì)應(yīng)于高于100GHz的頻率范圍700MHz。然而,該通用器件概念還適用于在該范圍之外的其它頻率下操作的器件,例如用于高壓切換的器件。
本發(fā)明采用在制造SC CVD金剛石中的最近突破,并且采用與此一致的制造流程,以生產(chǎn)特定類(lèi)型的金剛石晶體管。在這種最簡(jiǎn)單的形式中,這種晶體管具有三種變型,在本申請(qǐng)中被稱為SC CVD金剛石晶體管1、SC CVD金剛石晶體管2以及SC CVD金剛石晶體管3。
與其它半導(dǎo)體相比,上述金剛石相當(dāng)難以摻雜,這與它的鍵以及它的小晶格參數(shù)大有關(guān)聯(lián),該小晶格參數(shù)使得其難以將外來(lái)雜質(zhì)結(jié)合到該金剛石晶格中。但是在相關(guān)的文獻(xiàn)中已經(jīng)示出的是,可以利用硼代替碳原子摻雜金剛石,從而得到p型導(dǎo)電性,其具有~0.37eV的熱激活能量,當(dāng)濃度增加到~1019[B]cm-3以上時(shí),該熱激活能量下降到零。這里所描述的三種SC CVD金剛石晶體管使用硼以提供對(duì)導(dǎo)通狀態(tài)下傳導(dǎo)有貢獻(xiàn)的空穴。
然而,本發(fā)明的一部分涉及采用n型層。氮和磷都可以在示出n型特性的替代位置結(jié)合到金剛石晶格中。實(shí)際上,N和P摻雜導(dǎo)致非常深的施主(分別為1.7eV和0.6eV),它在室溫下提供極少的載流子。然而,這些仍然可以在某些器件設(shè)計(jì)中采用。例如,如果該器件在高溫下操作,它們可以提供載流子,或者如本發(fā)明一樣,它們可以用于將費(fèi)米能級(jí)釘扎(pin)在帶隙上部,以便最小化該耗盡的Δ摻雜層下面的漏電流以及瞬變。n型層的存在也使得可以將偏壓施加到該器件的基表面。該層被稱為“屏蔽層”。
雖然在涉及處理金剛石和接觸到金剛石的內(nèi)容中進(jìn)行許多描述,但是結(jié)合到實(shí)際有源器件的內(nèi)容幾乎沒(méi)有引起關(guān)注。本發(fā)明提出利用CVD構(gòu)造SC場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法,它采用的流程可以最大化材料特性(即高載流子速度和高擊穿電壓)以及與蝕刻金剛石和接觸到金剛石相關(guān)的內(nèi)容。
根據(jù)本發(fā)明的晶體管可以根據(jù)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)在耗盡或增強(qiáng)模式下操作。
圖2示出用于制造本發(fā)明的晶體管的基本層結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于在下面的表格2中標(biāo)識(shí)的層1至5和10和11。根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)造的實(shí)施例,可以省略一個(gè)或多個(gè)層。例如,在某些實(shí)施例中,不采用第二摻雜層5。
該結(jié)構(gòu)的第一層1是低應(yīng)變、低雙折射率和低位錯(cuò)密度單晶金剛石材料的襯底,它具有非常平整或平滑的表面。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中,CVD金剛石材料的若干層的生長(zhǎng)發(fā)生在具有基本沒(méi)有晶體缺陷的表面的金剛石襯底上。在本文中,缺陷主要是指位錯(cuò)和微裂紋,并且包括孿晶間界、與摻雜劑N原子或者有意設(shè)置的其它摻雜劑原子并非本質(zhì)相關(guān)的點(diǎn)缺陷、低角度界面和晶體晶格的任何其它延展中斷。優(yōu)選地,該襯底是低雙折射率型Ia天然、Ib或IIa高壓/高溫合成金剛石或者CVD合成單晶金剛石。
在利用被優(yōu)化以顯露缺陷的等離子體或化學(xué)蝕刻(稱為顯露等離子體蝕刻)、利用例如下述類(lèi)型的簡(jiǎn)要等離子體蝕刻之后,該缺陷密度通過(guò)光學(xué)評(píng)估最易于被表征。兩種缺陷可以顯露 1)襯底材料質(zhì)量所固有的缺陷。在選定天然金剛石中,這些缺陷的密度可以低至50/mm2,更典型的值為102/mm2,而在其它情況下可以是106/mm2或更高。
2)因拋光而產(chǎn)生的缺陷,包括沿拋光線形成抖動(dòng)(chatter)軌跡的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和微裂紋。這些缺陷的密度可以根據(jù)樣本而大幅度變化,其中在少量拋光區(qū)域或樣本中,典型值從大約102/mm2高至大約104/mm2。
缺陷的優(yōu)選低密度使得如上所述的與缺陷相關(guān)的表面蝕刻特征的密度低于5×103/mm2、更優(yōu)選為低于103/mm2、更優(yōu)選為低于5×102/mm2、以及最優(yōu)選為低于102/mm2。
發(fā)生CVD生長(zhǎng)的襯底表面處或之下的缺陷水平因此可以通過(guò)細(xì)心制備襯底以及通過(guò)利用隨后優(yōu)選原位的等離子體蝕刻而最小化。這在例如WO01/96633中進(jìn)行詳細(xì)公開(kāi)。在此的制備方法包括應(yīng)用到通過(guò)礦采(在天然金剛石的情況下)或合成(在合成材料的情況下)獲得的材料的任何工藝,其中當(dāng)完成襯底制備時(shí),在將最終形成襯底表面的平面上,每一個(gè)步驟都會(huì)影響材料內(nèi)部的缺陷密度。
具體處理步驟可以包括傳統(tǒng)金剛石工藝,例如機(jī)械鋸切、精磨(lapping)和拋光(在本說(shuō)明書(shū)中為低缺陷水平而特別優(yōu)化),以及較不傳統(tǒng)的技術(shù),例如激光處理、反應(yīng)離子蝕刻、離子束研磨或離子注入和升離(lift-off)技術(shù)、化學(xué)/機(jī)械拋光和液體化學(xué)處理技術(shù)、等離子體處理技術(shù)和高溫高壓退火技術(shù)。
此外,通過(guò)觸針表面光潔度儀(stylus profilometer)優(yōu)選在0.08毫米長(zhǎng)度范圍上測(cè)量的表面RQ優(yōu)選應(yīng)當(dāng)最小化,在任何等離子體蝕刻之前的典型值不大于幾納米,也就是小于10納米。RQ是表面輪廓相對(duì)于平面的均方根偏差(對(duì)于表面高度的高斯分布,RQ=1.25RA為了定義,例如參見(jiàn)“TribologyFriction and Wear of EngineeringMaterials”,IM Hutchings,(1992),Publ.Edward Arnold,ISBN0-340-56184)。
一種最小化襯底的表面損壞的具體方法是在發(fā)生均相外延金剛石生長(zhǎng)的表面上進(jìn)行原位等離子體蝕刻。理論上,該蝕刻不需要在原位進(jìn)行,也不需要緊接在生長(zhǎng)工藝之前進(jìn)行,但是如果在原位進(jìn)行則會(huì)獲得最大好處,因?yàn)樗苊膺M(jìn)一步物理?yè)p壞或化學(xué)污染的任何危險(xiǎn)。當(dāng)生長(zhǎng)工藝也是基于等離子體時(shí),則原位蝕刻通常也是最便利的。該等離子體蝕刻可以采用與沉積或金剛石生長(zhǎng)工藝類(lèi)似的條件,但是沒(méi)有任何含碳的源氣體并且通常在略微更低的溫度下,以更好控制蝕刻速率。例如,它可以包括以下一種或多種方法 1.主要采用氫氣以及可選地采用少量Ar和所需少量O2的氧氣蝕刻。典型的氧氣蝕刻條件是50-450×102Pa的壓力、包含百分之1至4的氧氣含量的蝕刻氣體、百分之0至30的氬氣含量和平衡氫氣,所有的百分?jǐn)?shù)都是體積百分?jǐn)?shù),其中襯底溫度為600-1100攝氏度(更典型為800攝氏度)以及典型持續(xù)時(shí)間為3-60分鐘; 2.氫氣蝕刻,類(lèi)似于(1),但是不存在氧氣;以及 3.不僅基于氬氣、氫氣和氧氣的替換蝕刻方法,例如,采用鹵素、其它惰性氣體或氮?dú)獾姆椒ā?br>
該蝕刻可以包括氧氣蝕刻、然后進(jìn)行氫氣蝕刻、反應(yīng)離子蝕刻(RIE)或電感耦合等離子體蝕刻(ICP)或者這些蝕刻類(lèi)型的一些組合(然后優(yōu)選通過(guò)引入碳源氣體直接進(jìn)行合成)。
由于保持通過(guò)先前的處理獲得的平滑度是重要的,所以在本方法中該蝕刻優(yōu)選主要為或者完全為氫氣蝕刻。選擇蝕刻時(shí)間/溫度,以便能夠去除因處理工藝導(dǎo)致的其它表面損壞,并且能夠去除任何表面污染,而不形成高粗糙度表面以及不沿延伸缺陷例如位錯(cuò)進(jìn)行過(guò)量蝕刻,其中該延伸缺陷與該表面交叉因此導(dǎo)致產(chǎn)生深凹坑。由于該蝕刻可以是侵蝕性的,所以對(duì)于該階段而言,腔室設(shè)計(jì)和部件材料選擇以使得沒(méi)有材料被等離子體從該腔室轉(zhuǎn)移到氣相或者到襯底表面尤其重要。不太專(zhuān)用于晶體缺陷的氫氣蝕刻將棱角磨圓(包括由用來(lái)侵襲這種缺陷的氧氣蝕刻導(dǎo)致的棱角),并且提供更加平滑、更好的表面以便于隨后的生長(zhǎng)。
雖然優(yōu)選蝕刻策略是緊接開(kāi)始生長(zhǎng)工藝之前在生長(zhǎng)室中執(zhí)行氧氣蝕刻接著在原位進(jìn)行氫氣蝕刻,但是這不排除在襯底設(shè)置在生長(zhǎng)室之前執(zhí)行離位(ex situ)RIE和/或ICP蝕刻。采用離位蝕刻確實(shí)有一些好處,例如不那么具有選擇性(在優(yōu)選蝕刻有缺陷材料的方向或速率方面)的蝕刻劑的可用性和/或更加快速和/或更加可控。在本發(fā)明中,也不特別排除在最后原位氧氣和氫氣蝕刻步驟之前采用離位蝕刻步驟。采用離位蝕刻步驟也可以提供其它好處,即,可以在更加靠近最終生長(zhǎng)的狀態(tài)下來(lái)檢查該表面。因此,本發(fā)明的替換實(shí)施例可以包括機(jī)械制備襯底表面、離位蝕刻、可選地檢查表面以確保它適合生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶CVD金剛石、原位氧氣和氫氣蝕刻(比優(yōu)選實(shí)施例的持續(xù)時(shí)間短)、以及最終生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶CVD金剛石層。
該襯底可以整體或部分包括n+屏蔽層(圖1中的層2),它通常摻雜有氮或磷,并且通??拷蚪咏渌饎偸瘜訉⒃谄渖仙L(zhǎng)的表面。在整個(gè)襯底包括n+屏蔽層的實(shí)施例中,優(yōu)選厚度為100微米至5毫米之間。在僅僅一部分襯底包括n+屏蔽層的實(shí)施例中,優(yōu)選厚度為1納米至150納米之間。兩個(gè)實(shí)施例中n+屏蔽層的優(yōu)選厚度不排除采用除優(yōu)選范圍之外的其它厚度。
n+屏蔽層的摻雜劑濃度優(yōu)選小于5×1019cm-3。該摻雜劑濃度可以固定,或者它可以從一個(gè)表面到另一個(gè)表面發(fā)生線性變化,或者它可以具有一些其它的合適摻雜劑濃度分布或者特性分布。該屏蔽層可以通過(guò)CVD金剛石生長(zhǎng)或者注入或者利用來(lái)自任何合適源的金剛石的預(yù)摻雜層來(lái)提供,其中其它金剛石通過(guò)CVD方法附接到該屏蔽層上,從而提供襯底塊體,或者可以包括整個(gè)襯底并因此稱為來(lái)自任何合適源的金剛石。
適用于合成本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的襯底(圖2的層0和/或?qū)?)可以按照如下方法制備 i)基于顯微觀測(cè)和雙折射成像來(lái)優(yōu)化庫(kù)存材料選擇(類(lèi)型Ia天然石和類(lèi)型Ib HPHT石),以便識(shí)別出沒(méi)有應(yīng)變和瑕疵的襯底。
ii)利用顯露等離子體蝕刻進(jìn)行激光鋸切、精磨和拋光,以最小化表面下缺陷,從而測(cè)定因處理工藝引入的缺陷水平。
iii)在優(yōu)化之后,可以按照程序制造襯底,其中,在顯露蝕刻之后可測(cè)量的缺陷密度主要和材料質(zhì)量有關(guān),并且低于5×103/mm2且通常低于102/mm2。通過(guò)該工藝制備的襯底然后用于隨后的合成。
本申請(qǐng)的申請(qǐng)人在WO2004/027123中已經(jīng)描述了適用于本申請(qǐng)的襯底的可替換源。利用上述方法,可以獲得具有更低位錯(cuò)密度的襯底。
在該結(jié)構(gòu)所需的合成步驟序列中,保持要在其上制造器件的表面的平整度也是重要的。每個(gè)單獨(dú)的合成步驟可以為平整生長(zhǎng)而優(yōu)化,從而將生長(zhǎng)步驟限制為幾個(gè)原子的高度,優(yōu)選為兩個(gè)原子的高度,甚至更加優(yōu)選為僅一個(gè)原子的高度??商鎿Q地或者另外,該表面可以在每個(gè)生長(zhǎng)步驟之后進(jìn)行再次處理,以便提供平整且平行于前一表面的表面。在這種情況下,該襯底的相反面用作參照面,所有生長(zhǎng)表面都制備成平行于該表面。
本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括至少一層高質(zhì)量或本征金剛石材料。這種本征金剛石層優(yōu)選根據(jù)WO01/96633和WO01/96634中所公開(kāi)的方法來(lái)生長(zhǎng),其中上述兩個(gè)專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)诖吮唤Y(jié)合作為參考。該層優(yōu)選通過(guò)CVD來(lái)制備,并且優(yōu)選為塊體形式,具有下面的特征中的至少一個(gè)、更加優(yōu)選為兩個(gè)、并且最優(yōu)選為三個(gè)以上 (i)在截止?fàn)顟B(tài),電阻率R1大于1×1012歐姆厘米,優(yōu)選大于2×1013歐姆厘米,更優(yōu)選大于5×1014歐姆厘米,它們通常都是在室溫下測(cè)得的; (ii)在截止?fàn)顟B(tài)下的高擊穿電壓,以及在導(dǎo)通狀態(tài)下的具有長(zhǎng)載流子壽命的高電流,更具體而言,μτ乘積大于1.5×10-6cm2/V,優(yōu)選大于4.0×10-6cm2/V,更優(yōu)選大于6.0×10-6cm2/V,它們都是在300K下測(cè)得的。μ是遷移率,而τ是電荷載流子的壽命,該乘積表示電荷載流子對(duì)于總體電荷位移或電流的貢獻(xiàn)。該特征還可以測(cè)量和表示為電荷收集距離; (iii)在300K下測(cè)得的電子遷移率(μe)大于2400cm2V-1S-1,優(yōu)選大于3000cm2V-1S-1,更優(yōu)選大于4000cm2V-1S-1。用于測(cè)量的技術(shù)在Isberg等人在Science第297卷第1670-1672中披露; (iv)在300K下測(cè)得的空穴遷移率(μh)大于2100cm2V-1S-1,優(yōu)選大于2500cm2V-1S-1,更優(yōu)選大于3000cm2V-1S-1。在高質(zhì)量類(lèi)型IIa天然金剛石中,300K下的空穴遷移率通常為1200cm2V-1S-1,其中例外值高達(dá)1900cm2V-1S-1; (v)高電荷收集距離大于150微米,優(yōu)選至少為400微米,更優(yōu)選至少為600微米,所有收集距離都是在1V/μm的施加電場(chǎng)和300K溫度下測(cè)得的。在高質(zhì)量類(lèi)型IIa天然金剛石中,在300K溫度和1V/μm的施加電場(chǎng)下的電荷收集距離大大低于100微米,更典型為大約40微米。
上述特征是具有大約100微米厚度的高質(zhì)量CVD金剛石層的特征,對(duì)于更薄層這些特征有所不同。
在寬帶隙電子器件例如利用金剛石構(gòu)造的器件中,在均衡條件下出現(xiàn)的自由電荷載流子的數(shù)量極小,并且由晶格缺陷和雜質(zhì)的貢獻(xiàn)占優(yōu)勢(shì)。這種器件被稱為處于“截止?fàn)顟B(tài)”。通過(guò)例如光學(xué)激勵(lì)(主要利用接近或大于帶隙的光能)或者通過(guò)充電顆粒激勵(lì)(例如,α(alpha)或β(beta)顆粒)的方法,從而進(jìn)行電荷載流子的附加激勵(lì),這樣該器件則可以進(jìn)入“導(dǎo)通狀態(tài)”。在該導(dǎo)通狀態(tài)下,自由載流子密度超過(guò)均衡水平,并且當(dāng)激勵(lì)源被去除時(shí),該器件將回到截止?fàn)顟B(tài)。
從上述內(nèi)容注意到,在本發(fā)明的方法中采用的本征金剛石具有大大優(yōu)于天然高質(zhì)量金剛石中通常具有的電子特性。這使得金剛石具有對(duì)制造本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管有用的特性。
除了合適的襯底材料之外,在本發(fā)明的方法中,適當(dāng)?shù)乜刂瓢l(fā)生CVD生長(zhǎng)的環(huán)境中的雜質(zhì)含量也是重要的。更具體而言,對(duì)于本征金剛石層,金剛石生長(zhǎng)優(yōu)選在存在基本上不含氮也就是含十億分之(ppb,占總氣體體積的分子分?jǐn)?shù))300的氮并且優(yōu)選小于十億分之100的氮的氣氛的情況下進(jìn)行。該方法在WO01/99633和WO01/99634中進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明,如上所述。
該源氣體可以是本領(lǐng)域公知的任何合適氣體或氣體混合物,并且將包含含碳材料,該含碳材料離解產(chǎn)生基團(tuán)或者其它反應(yīng)組分。該氣體混合物通常還包含適用于以原子形式提供氫或鹵素的氣體。
該源氣體的離解可以通過(guò)本領(lǐng)域公知的任何方法來(lái)執(zhí)行,但是優(yōu)選利用反應(yīng)器中的微波能來(lái)執(zhí)行,這是本領(lǐng)域公知的。然而,任何雜質(zhì)從反應(yīng)器向正在生長(zhǎng)的金剛石的轉(zhuǎn)移都應(yīng)當(dāng)最小化??梢圆捎梦⒉ㄏ到y(tǒng)來(lái)確保等離子體遠(yuǎn)離除要發(fā)生金剛石生長(zhǎng)和其安裝的襯底表面之外的所有其它表面。優(yōu)選安裝材料的示例包括鉬、鎢、硅和碳化硅。優(yōu)選反應(yīng)器腔室材料的示例包括不銹鋼、鋁、銅、金和鉑。
當(dāng)采用微波系統(tǒng)時(shí),通常應(yīng)當(dāng)采用高等離子體功率密度,它源自高微波功率(對(duì)于50-150毫米的襯底直徑,它通常為3-60千瓦)和高氣壓(50-500×102帕,優(yōu)選為100-450×102帕)。
利用上述條件,可以制造出高質(zhì)量單晶CVD金剛石層,遷移率和壽命的乘積值,μ,(在塊體層中測(cè)量)超過(guò)1.5×10-6cm2/V,例如對(duì)于電子為320×10-6cm2/V,對(duì)于空穴為390×10-6cm2/V。
本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管還包括一個(gè)或多個(gè)硼摻雜層,它還被稱為“Δ”摻雜層(例如,圖2的層3和5)。
重要的是,這種硼摻雜CVD金剛石單晶層和相鄰層之間具有清晰界面,如上所述,并且沿垂直方向(即通過(guò)該層的厚度,平行于生長(zhǎng)方向)和至少在單個(gè)器件區(qū)域的上方側(cè)向均具有均勻濃度。為了實(shí)現(xiàn)這些要求,極其優(yōu)選的是,在基本沒(méi)有晶體缺陷的金剛石表面上發(fā)生生長(zhǎng),如上所述。
在硼摻雜層的上下文中,缺陷可以通過(guò)兩種方式來(lái)降低材料性能,從而不利地影響到電子特性(例如,空穴遷移率)并且還影響到硼的局部攝取。
在制造硼摻雜層中還很重要的是,要正確控制發(fā)生CVD生長(zhǎng)的環(huán)境的雜質(zhì)含量。更具體而言,金剛石生長(zhǎng)必須在基本不含污染物的氣氛下進(jìn)行,并且必須適當(dāng)?shù)乜刂朴幸馓砑拥呐?以及可能采用的氮)濃度。
對(duì)硼和氮摻雜劑濃度所需的控制程度根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合而定,但是通常需要穩(wěn)定為優(yōu)于20%,以及更通常優(yōu)于10%,以及進(jìn)一步通常優(yōu)于3%。這種控制需要小心控制源氣體中的氮雜質(zhì),因?yàn)榈浅R?jiàn)的污染物。為了實(shí)現(xiàn)該控制程度,在有意添加氮之前,源氣體中氮的水平通常保持為氣相中每十億分之500(作為總氣體體積的分子分?jǐn)?shù)),并且優(yōu)選小于每十億分之300,以及更優(yōu)選為小于每十億分之100。測(cè)量氣相中濃度低至100ppb的絕對(duì)和相對(duì)氮(和硼)濃度需要復(fù)雜的監(jiān)測(cè)設(shè)備,例如可以通過(guò)氣相色譜分析實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備,它在WO03/052174中進(jìn)行了完全說(shuō)明,該專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)诖吮唤Y(jié)合作為參考。
通常,利用H2中標(biāo)稱100ppm的B2H6的校準(zhǔn)源,將硼作為B2H6添加到該工藝,以便簡(jiǎn)化控制,類(lèi)似地,利用H2中標(biāo)稱100ppm的N2的校準(zhǔn)源,作為N2將氮添加到該工藝,以便簡(jiǎn)化控制。B和N的添加都表示為ppm,對(duì)于B它計(jì)算為[B2H6]/[所有氣體],其中[B2H6]表示B2H6的摩爾數(shù),而[所有氣體]表示所存在的所有氣體的摩爾數(shù),類(lèi)似地,對(duì)于N2它計(jì)算為[N2]/[所有氣體]??梢圆捎帽绢I(lǐng)域公知的任何硼(或氮、或磷,當(dāng)它們是期望的摻雜劑時(shí))源來(lái)用于合成摻雜層。
在合成工藝中采用的氣體混合物可以包含本領(lǐng)域公知的任何氣體,并且將包含離解產(chǎn)生基團(tuán)或其它反應(yīng)組分的含碳材料。該氣體混合物還將通常包含適用于以原子形式提供氫或鹵素的氣體。
源氣體的離解可以通過(guò)本領(lǐng)域公知的任何一種方法來(lái)執(zhí)行,但是優(yōu)選利用反應(yīng)器中的微波能來(lái)執(zhí)行,其例子是本領(lǐng)域公知的。然而,任何雜質(zhì)從反應(yīng)器的轉(zhuǎn)移都應(yīng)當(dāng)最小化。可以采用微波系統(tǒng)來(lái)確保等離子體遠(yuǎn)離除發(fā)生金剛石生長(zhǎng)和其安裝的襯底表面之外的所有其它表面,該襯底載流子。優(yōu)選安裝材料的示例包括鉬、鎢、硅和碳化硅。優(yōu)選反應(yīng)器腔室材料的示例包括不銹鋼、鋁、銅、金和鉑。
用于本發(fā)明的器件的有源部分所需的薄層理想情況下盡可能接近單層。用于沉積塊體層(例如,厚度大于0.5微米)的技術(shù)的使用在這些條件下不合適。雖然可以采用等離子體來(lái)提供用于沉積該層的反應(yīng)組分,但是該層的厚度、組分和質(zhì)量需要控制為非常高水平,并且這可以通過(guò)在比用于塊體沉積的典型情況更低的功率、更低壓力條件以及更低質(zhì)量流量下運(yùn)行來(lái)最佳實(shí)現(xiàn)。一組典型條件可以處于來(lái)自2.45GHz微波源的0.1-5kW的功率、3-10kPa的壓力和100-2000sccm的總氣流的范圍。沉積溫度保持在400攝氏度至1000攝氏度的范圍內(nèi),具體多少根據(jù)所沉積的層的性質(zhì)而定。每個(gè)步驟所需的精確參數(shù)高度依賴于采用的精確沉積系統(tǒng),這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知的。
利用上述條件,可以制造出高質(zhì)量的本征和硼摻雜單晶CVD金剛石層。該本征層的特性可以使得電荷載流子具有異常高的遷移率,而硼摻雜層是可以容易地傳輸?shù)皆摫菊鲗拥拇罅侩姾奢d流子的有效源。這種相對(duì)其它層的層布置得以優(yōu)化,以使得它們可以用于制造出場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中,提供一層金剛石或非金剛石鈍化材料(圖2中的層9),它提供肖特基柵極和兩個(gè)歐姆接觸之間的附加隔離。它優(yōu)選包括寬帶隙材料,并且例如可以是以下一種或多種材料藍(lán)寶石、n型金剛石、本征金剛石、氧化硅、碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁和氮化硼。這些層可以通過(guò)本領(lǐng)域公知的任何一種技術(shù)來(lái)設(shè)置。如前所述,襯底層即層1可以通過(guò)多種金剛石材料來(lái)制造,包括HPHT和天然金剛石。然而,它通常更加便利,并且對(duì)于一些應(yīng)用場(chǎng)合而言優(yōu)選采用CVD金剛石。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn),在下面的說(shuō)明中通常假定為CVD金剛石襯底。
生長(zhǎng)以用作襯底層1的CVD金剛石層通常將包括以下之一 a.高純度金剛石,其殘余雜質(zhì)濃度<1015cm-3,或者優(yōu)選<1014cm-3,或者更優(yōu)選<5×1013cm-3。
b.在一些情況下,該層可以摻雜氮,其中氮濃度優(yōu)選為<5×1019cm-3,或者更優(yōu)選<5×1018cm-3,或更優(yōu)選<5×1017cm-3,或者最優(yōu)選<5×1016cm-3。
c.一種優(yōu)選實(shí)施例,其中,該層摻雜氮,其中通過(guò)電子順磁共振技術(shù)測(cè)得的固態(tài)單原子取代氮濃度優(yōu)選小于5×1017cm-3,更優(yōu)選小于2×1017cm-3,并且優(yōu)選大于3×1015cm-3,更優(yōu)選大于1×1016cm-3,并且最優(yōu)選大于5×1016cm-3。
d.在一些情況下,該層在襯底層1的表面或者通過(guò)它的部分(part way through it)將包括高純度層(通過(guò)上述(a)限定)和薄摻雜屏蔽層(在圖2中的層2)。該屏蔽層將包含n型摻雜劑,例如氮或磷(或者一些其它合適的n型摻雜劑),其中濃度范圍為1×1015-1×1019cm-3,精確細(xì)節(jié)由層厚、該載流子激勵(lì)和它在下一層3之下的位置來(lái)決定。在一些情況下,需要對(duì)層2中的摻雜進(jìn)行分級(jí),從而該濃度在其厚度范圍內(nèi)變化高達(dá)10000倍。
該襯底在其一面上限定生長(zhǎng)表面。對(duì)于形成該器件的有源部分的基礎(chǔ)的后續(xù)均相外延層,該生長(zhǎng)表面盡可能接近原子級(jí)平整/平滑是關(guān)鍵的,其中表面均方根(rms)粗糙度<3nm,或者優(yōu)選<1nm,或者更優(yōu)選<0.1nm,或者最優(yōu)選<0.05nm。
實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方式也是本發(fā)明的一部分。這通過(guò)以下一個(gè)或多個(gè)工藝來(lái)實(shí)現(xiàn) a.利用本領(lǐng)域已知的傳統(tǒng)方法的機(jī)械拋光。
b.化學(xué)、等離子體和離子束處理的組合。
c.使器件沿具有低rms粗糙度結(jié)晶方向?qū)?zhǔn)。
該襯底層1用作后續(xù)層的機(jī)械支承體,它有助于該器件的有源部分,以及為該有源層中耗費(fèi)的功率提供有效散熱器。
在表格2中總結(jié)了這些后續(xù)層。
表格2組成SC CVD金剛石晶體管的各層。該數(shù)字配置與圖2至5以及9相符。
下面將更加詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的一些具體實(shí)施例。
SC CVD金剛石晶體管1 在圖3中示出單晶CVD金剛石晶體管的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu),它被稱為SC CVD金剛石晶體管1。這些層的標(biāo)號(hào)和表格2列舉的層相同。
SC CVD晶體管1的結(jié)構(gòu)是一種三端子器件,其中兩個(gè)是分別用作源極端子和漏極端子的歐姆接觸,而另一個(gè)是設(shè)置在源極和漏極之間的肖特基柵極接觸。在術(shù)語(yǔ)中,該設(shè)計(jì)可以稱為金屬絕緣體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MISFET)。
參照?qǐng)D3,該器件包括以下部件 1.例如可以是HPHT金剛石的可選層0; 2.高純度CVD金剛石層1; 3.形成在層1上的可選屏蔽層2; 層0和1包括襯底,主表面在該階段盡可能接近平行。
4.沉積在層2上的、類(lèi)似于層1的高純度金剛石附加層10; 在替換實(shí)施例中,層2形成在襯底1的表面之下。
5.直接形成在層10的上表面上的本征層11。層11的生長(zhǎng)表面優(yōu)選在該階段被再次處理,以確保該結(jié)構(gòu)平行于用作參照表面的襯底的反向表面。
這種再次處理需要實(shí)現(xiàn)層11的所需厚度和所需表面平滑度,并且最小化引入的表面下?lián)p壞; 6.層3在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)靥幚碇蟪练e到層11的頂部。層3是表格2中所述的Δ摻雜層。可以通過(guò)在沉積層3時(shí)遮蔽,或者可以通過(guò)在沉積層3之后蝕刻層3,從而在層3中形成溝槽,以限定出柵極區(qū)。重要的是,確保位于該溝槽下面的是本征金剛石,即沒(méi)有留下任何Δ摻雜層,但是該溝槽底部緊密對(duì)準(zhǔn)該Δ摻雜層的底表面,并且不延伸超過(guò)該Δ摻雜層的底表面。具體說(shuō)來(lái),需要最小化在該凹陷的邊緣凹入該本征金剛石的臺(tái)階。優(yōu)選地,該臺(tái)階不超過(guò)10納米,更優(yōu)選的不超過(guò)5納米,更優(yōu)選的不超過(guò)2納米,最優(yōu)選的不超過(guò)1納米。該溝槽的底部可以示出凹入該本征金剛石中的小曲率度,但是這也優(yōu)選最小化; 7.然后在該溝槽和Δ摻雜層3的相鄰部分上沉積絕緣材料層9。該絕緣層9可以是非金剛石,而是由以下材料或其中一些的組合形成藍(lán)寶石、碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁和氮化硼??商鎿Q地,在它是本征金剛石并且形成有源溝道的一部分的情況下它可以是金剛石,這會(huì)降低當(dāng)形成溝道時(shí)控制溝道邊緣上的臺(tái)階所需的條件,或者它可以是n型金剛石。另一種可選方案是,它可以包括金剛石層和其后的非金剛石層; 8.金屬柵極接觸8形成在層9上的柵極區(qū)上方,并且均包括根據(jù)表格2的層6和7的歐姆源極和漏極接觸與暴露的Δ摻雜層3的區(qū)域間隔開(kāi)。要求柵極接觸8不電接觸到該Δ摻雜層3。
該器件的該本征金剛石溝道通過(guò)該凹陷區(qū)中層11的上部區(qū)域或者該Δ摻雜層3中的溝槽來(lái)進(jìn)行有效限定,并且如果該區(qū)域包括本征金剛石則還可以位于該Δ摻雜層的斷開(kāi)部分(break)內(nèi)的柵極電介質(zhì)層9的區(qū)域中。
該本征金剛石溝道中流過(guò)的溝道電流由柵極電壓來(lái)控制。在標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)中,這被稱為電荷注入PIP MISFET?;诳臻g電荷受限載流子傳播的PIP晶體管概念的要素是 靠近鄰近該Δ摻雜層3的本征金剛石表面的本征金剛石層11中的溝道,以及圖3中x表示的源漏極間距(也就是柵極長(zhǎng)度),其根據(jù)該器件的操作電壓盡可能小。對(duì)應(yīng)于該Δ摻雜層的斷開(kāi)部分寬度并由x表示的距離對(duì)于本設(shè)計(jì)而言至關(guān)重要。通常,x小于2微米,更典型地小于500納米,更典型地小于150納米,最優(yōu)選為小于20納米。
在形成層9之前,最終位于柵極(圖3中的層8)下面的、層11的暴露金剛石表面可以通過(guò)本領(lǐng)域公知的多種方式終止(terminate),特別是它可以是氫終止、氧終止或者不終止(即裸金剛石表面)。
該器件需要位于本征層11和Δ摻雜層3之間的至少一個(gè)清晰限定的界面。
SC CVD金剛石晶體管2 在圖4中截面示出SC CVD金剛石晶體管2。該實(shí)施例包括Δ摻雜層3和生長(zhǎng)在Δ摻雜層3的頂部的本征層4。層3和4之間以及層3和11之間的界面需要盡可能清晰,如前所述。該結(jié)構(gòu)的可能變化將在下面更加詳細(xì)地說(shuō)明。
襯底層1可以包括位于該塊體內(nèi)或位于上表面的屏蔽層2(在圖4中,所示變化是屏蔽層2位于襯底層1的上表面,并且另一個(gè)襯底層10生長(zhǎng)在該屏蔽層的頂部)。優(yōu)選地,本征層11生長(zhǎng)在襯底層10上,但是通過(guò)將Δ摻雜層3直接設(shè)置在襯底層1或者更優(yōu)選設(shè)置在屏蔽層2上,可以制備出可運(yùn)作的器件結(jié)構(gòu)。
在生長(zhǎng)本征層11之后,優(yōu)選再次處理生長(zhǎng)表面,以使得該表面平行于用作參照表面的襯底反面。這種再次處理需要實(shí)現(xiàn)層11的合適厚度、合適的表面平滑度,并且最小化表面下?lián)p壞的引入。
Δ摻雜層3然后形成與下面的層之間的清晰界面。通常不在該Δ摻雜層之后再次機(jī)械處理該表面,因?yàn)樵搶尤绱酥 ?br>
然后在該Δ摻雜層上生長(zhǎng)另一個(gè)本征層4,并且確保清晰的界面。該層典型地非常薄,例如10納米。以及,由于這是一個(gè)薄層,所以該表面通常不作再次機(jī)械處理以便平行,并且該平行現(xiàn)在通常不那么重要了。
在該Δ摻雜層3上直接設(shè)置均包括歐姆形成層6以及優(yōu)選包括封罩接合層7的歐姆源極和漏極接觸。這例如可以通過(guò)在生長(zhǎng)之后蝕刻該本征溝道層4或者例如利用在沉積之前掩蔽接觸區(qū)來(lái)選擇性沉積層4來(lái)實(shí)現(xiàn)。可替換地,這些接觸可以在沉積層4之前構(gòu)造,因此它們本身用作掩模。蝕刻層4比較難以足夠精確地完成,因?yàn)樵搶雍蛯?過(guò)薄。
例如通過(guò)反應(yīng)離子蝕刻或者Ar濺射來(lái)優(yōu)選構(gòu)造柵極凹陷。通常該柵極區(qū)中本征層4的厚度減小到幾納米,例如1-2納米。成為凹陷設(shè)計(jì)的肖特基柵極接觸的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于,它能夠利用更大場(chǎng)強(qiáng)來(lái)夾斷溝道,而不會(huì)超過(guò)金剛石的擊穿電壓。
SC CVD金剛石晶體管2可以具有或不具有柵極電介質(zhì)層9(圖4所示的實(shí)施例具有柵極電介質(zhì)層9)。該肖特基柵極接觸8可以直接位于本征層4上,或者位于層9上,如圖4所示。
柵極電介質(zhì)層9(如果使用)優(yōu)選由以下材料或以下材料中的一些的組合形成藍(lán)寶石、碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、本征金剛石、n型金剛石、氮化鎵鋁和氮化硼。
形成柵極凹陷的溝槽寬度通常被稱為柵極長(zhǎng)度。該柵極長(zhǎng)度優(yōu)選小于500納米,更優(yōu)選小于250納米,更優(yōu)選小于100納米,更優(yōu)選小于50納米,更優(yōu)選小于20納米,以及最優(yōu)選小于10納米。
SC CVD金剛石晶體管3 在圖5中截面示出SC CVD晶體管3的結(jié)構(gòu)。和上述器件相同,它也是三端子器件,其中兩個(gè)端子為用作源漏極端子的歐姆接觸,而另一端子是位于源漏極之間的肖特基柵極接觸。
圖5中的SC CVD金剛石晶體管3和圖4的SC CVD金剛石晶體管2之間的不同之處在于,由另一個(gè)硼Δ摻雜層5來(lái)使限定溝道的本征層4過(guò)度生長(zhǎng)(overgrow)。然后包括層6和7的歐姆源漏極接觸直接沉積在該硼Δ摻雜層5上。該Δ摻雜層5的大部分通過(guò)某些方式被蝕刻或去除,以使得該肖特基柵極接觸能夠成為本征溝道層4。在該方法的一種版本中,該Δ摻雜層5通過(guò)選擇性沉積來(lái)制得,從而不必蝕刻硼摻雜金剛石。
圖5的晶體管的其它細(xì)節(jié)與圖4的晶體管4類(lèi)似。
該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于,來(lái)自兩個(gè)Δ摻雜層的載流子外擴(kuò)散重疊形成它們之間的電連接,并且施加第二Δ摻雜層則使得不必向下處理以暴露該第一層。
上述所有實(shí)施例都可以得益于圖9所示的變型。該圖示出利用肖特基柵極接觸作為所謂的場(chǎng)板。該場(chǎng)板構(gòu)造成類(lèi)似于上述肖特基接觸,并且優(yōu)選結(jié)合柵極凹陷使用。這表示場(chǎng)板的一個(gè)示例,并且也可以應(yīng)用其它公知場(chǎng)板。例如,參見(jiàn)Umesh K.Mishra,‘Status ofAlGaN/GaN HEMT Technology-A UCSB perspective’,GAAS 2005Proceedings,p21-26。
本發(fā)明的一個(gè)方面是沉積界面清晰(sharp)的薄層的方法。為了實(shí)現(xiàn)所需清晰層(摻雜和本征兩種),需要?dú)庀喙こ滩僮?。?shí)現(xiàn)方法包括 a.脈沖發(fā)生該摻雜氣體。
b.脈沖發(fā)生微波功率,從而從一個(gè)等離子體沉積方案進(jìn)入下一個(gè)。
c.將樣本從用于摻雜材料合成的腔室移動(dòng)到用于本征材料合成的腔室。這種轉(zhuǎn)移可以通過(guò)外部環(huán)境或者兩個(gè)腔室可以連接,并且在轉(zhuǎn)移之前的樣本移動(dòng)或停止期間每個(gè)腔室中的工藝(例如等離子體)可以繼續(xù)進(jìn)行。
d.將硼或摻雜目標(biāo)的固體源插入到等離子體。
e.通過(guò)將摻雜氣體引入到該工藝,從而改變?cè)摎庀嘟M分。
f.在保持穩(wěn)定等離子體的同時(shí)將該樣本移入和移出該生長(zhǎng)狀態(tài)。
g.采用沉積技術(shù),例如,在具有低生長(zhǎng)速度的加熱表面上進(jìn)行蒸汽傳輸沉積。
h.合成該層,接著利用例如激光燒蝕、蝕刻和機(jī)械處理的技術(shù)來(lái)去除材料。
然而,制造這些器件不是普通的制造,因?yàn)棣诫s層非常薄,并且向下蝕刻并且在該層上形成金屬接觸非常困難。所需的技術(shù)方案是形成適用于進(jìn)一步制造一類(lèi)器件的一般結(jié)構(gòu),例如圖2示意性示出的層系列,然后自此制造單個(gè)器件設(shè)計(jì),例如圖3至5和9所示的器件。
雖然構(gòu)成上述晶體管的有源部分的塊體層都薄,但是這些層的摻雜濃度可以大有不同。該差異導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力,并潛在地減少后續(xù)層中的載流子特性。雖然在某些情況下,這些層是偽晶形的(pseudo-morphic),不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力傳播,但是對(duì)于本發(fā)明的所有實(shí)施例都不是這樣。為了最小化該應(yīng)力,可以采用同位素工程方法。例如,利用硼摻雜導(dǎo)致金剛石晶格扭曲,但是可以通過(guò)改變硼摻雜層或相鄰本征金剛石層的12C和13C比率來(lái)匹配晶格參數(shù),從而可以減輕這種狀況??商鎿Q地,或者與此相結(jié)合,可以改變摻雜層中B10/B11的同位素比率。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解,可以在金剛石晶片上制造多于一個(gè)器件。這些器件可以通過(guò)向下臺(tái)面蝕刻到限定該襯底的本征層1來(lái)分離。
該合成和處理步驟可以一次應(yīng)用到一個(gè)、兩個(gè)或更多個(gè)器件。通過(guò)利用一般基本結(jié)構(gòu)例如圖2示意性示出的層系列制造器件,可以在單個(gè)晶片上構(gòu)造成一系列不同器件結(jié)構(gòu)。
類(lèi)似于SC CVD金剛石晶體管1、采用WSi來(lái)形成歐姆接觸的器件的歐姆接觸的比接觸電阻測(cè)定為小于104 Ohm cm2。WSi是用于本發(fā)明的器件中的優(yōu)選接觸,因?yàn)樗性S多優(yōu)點(diǎn)。金剛石通常不在WSi上生長(zhǎng),因此該接觸材料也制成有效掩模,例如用于CVD金剛石晶體管1和CVD金剛石晶體管2。它還制出優(yōu)越的歐姆接觸,并且具有高溫穩(wěn)定性,并且兼容通用半導(dǎo)體處理技術(shù),特別是和處理金剛石相關(guān)的技術(shù)。
圖7中,鋁肖特基接觸被評(píng)估為溫度的函數(shù)。該數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于~1.3eV的肖特基勢(shì)壘高度。該優(yōu)選肖特基接觸利用All,Ni或Au制成,其中Al最為優(yōu)選。
在圖8中示出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),表示類(lèi)似于SC CVD金剛石晶體管1的單晶CVD金剛石晶體管的I/V特性。在一些情況下發(fā)現(xiàn),在制造器件之前對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火可以改進(jìn)器件性能。這與在淺和深阱之外進(jìn)行退火有關(guān),這減小了本征溝道中的載流子濃度和遷移率。
示例 下面給出已經(jīng)構(gòu)造出的MESFET及其預(yù)期性能的具體示例。該示例不用于限制本發(fā)明。
該器件的設(shè)計(jì)非常類(lèi)似于圖3所示的SC CVD晶體管1,因?yàn)檫@是申請(qǐng)人提出的最簡(jiǎn)單的器件。
通過(guò)沿位于該襯底平面中的<100>方向之一進(jìn)行scaif拋光,從而小心制備具有主面(001)的HPHT襯底1,并且實(shí)現(xiàn)利用原子力顯微鏡測(cè)定為小于0.3納米的RA值。該表面粗糙度在大于50微米×50微米的區(qū)域上實(shí)現(xiàn),大于構(gòu)造單個(gè)器件所需的面積。
利用本領(lǐng)域公知的用于沉積高質(zhì)量本征單晶CVD金剛石的條件(參見(jiàn)WO01/96633)在特殊制備的襯底表面上沉積大約1微米厚的層11。在該本征層11的頂部,沉積大約10納米厚的高硼Δ摻雜層3。該Δ摻雜層中的硼濃度通過(guò)次級(jí)離子質(zhì)譜(SIMS)測(cè)定為超過(guò)5×1019cm-3。SIMS深度分布示出,在大約2納米的距離中,硼濃度從大約1016cm-3(在本征層和Δ摻雜層之間的界面處)升高到5×1019cm-3。對(duì)于要運(yùn)行的器件,該Δ摻雜層的硼濃度需要大于1×1019cm-3,并且該濃度用于限定該Δ摻雜層的邊緣。
利用與第一本征層11類(lèi)似的條件,在該Δ摻雜層的頂部,沉積另一個(gè)本征層,從而形成柵極電介質(zhì)層9。在這種情況下,該層厚大約為30納米。利用SIMS深度分布,發(fā)現(xiàn)在大約3納米距離上該硼濃度從該界面處的數(shù)值1×1019cm-3變化至小于1018cm-3。該硼濃度的降低速度略低于它升高的速度,并且本征柵極電介質(zhì)層9的硼濃度略高于第一本征層11。這兩個(gè)特征均會(huì)影響器件的最終性能,但是沒(méi)有一個(gè)特征會(huì)阻止器件運(yùn)行。
然后通過(guò)利用氬氧等離子體和光致抗蝕劑掩模進(jìn)行反應(yīng)離子蝕刻,從而選擇性蝕刻?hào)艠O電介質(zhì)層9的區(qū)域,制備出溝道。良好控制該工藝導(dǎo)致柵極區(qū)中柵極電介質(zhì)層的厚度為1-2納米。
利用標(biāo)準(zhǔn)工藝,應(yīng)用鋁柵極接觸8和WSi源極和漏極接觸7。
利用源極-漏極電流ISD來(lái)評(píng)估器件性能。ISD測(cè)定為大于30毫安/毫米。
沒(méi)有測(cè)定的參數(shù)建模為fT=26GHz以及POUT=7W/mm,并且申請(qǐng)人相信,將實(shí)現(xiàn)接近建模數(shù)值的值。
權(quán)利要求
1.一種制造晶體管的方法,包括以下步驟
(a)提供襯底,該襯底包括單晶金剛石材料,該單晶金剛石材料具有生長(zhǎng)表面,在該生長(zhǎng)表面上可以沉積其它金剛石材料層,該生長(zhǎng)表面或其區(qū)域具有3納米或更低的均方根粗糙度或者沒(méi)有大于3納米的臺(tái)階或凸起;
(b)在該襯底生長(zhǎng)表面上沉積多個(gè)其它金剛石層;以及
(c)將合適的接觸貼附到相應(yīng)的金剛石層,從而限定出晶體管結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中該生長(zhǎng)表面或其區(qū)域具有低于0.5納米的均方根粗糙度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其中該生長(zhǎng)表面或其區(qū)域具有低于0.1納米的均方根粗糙度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中該表面上任何臺(tái)階或凸起的高度小于最薄的相鄰層厚度的50%,臺(tái)階或凸起定義為表面高度在平行于該表面并且等于或大于最薄的相鄰層的厚度的距離上的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其中臺(tái)階或凸起定義為表面高度在平行于該表面并且等于最薄的相鄰層的厚度的至少兩倍的距離上的變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項(xiàng)所述的方法,其中沿襯底表面上與具有更低表面粗糙度或更低最大臺(tái)階高度的方向?qū)?yīng)的方向來(lái)設(shè)置該晶體管的柵極長(zhǎng)度或另一個(gè)線性特征。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任何一項(xiàng)所述的方法,其中該生長(zhǎng)表面或其區(qū)域具有小于5×103/mm-2的位錯(cuò)密度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任何一項(xiàng)所述的方法,其中該襯底包括濃度小于5×1017cm-3的單原子替代氮。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任何一項(xiàng)所述的方法,其中該襯底包括濃度大于3×1015cm-3的單原子替代氮。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任何一項(xiàng)所述的方法,其中該襯底具有小于0.9的雙折射率,它由相移的正弦的模數(shù)來(lái)例證。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任何一項(xiàng)所述的方法,其中該襯底材料包括通過(guò)HPHT或CVD工藝制造出的金剛石。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任何一項(xiàng)所述的方法,還包括在襯底表面或者鄰近襯底表面形成n+屏蔽層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法,還包括利用氮或磷摻雜該屏蔽層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法,其中屏蔽層中的摻雜劑濃度小于1×1020cm3,并且該屏蔽層的厚度小于150微米。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任何一項(xiàng)所述的方法,其中通過(guò)受控蝕刻和/或生長(zhǎng)技術(shù)將該襯底表面處理到所需平滑度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法,其中該受控蝕刻和/或生長(zhǎng)技術(shù)包括等離子體蝕刻和低速生長(zhǎng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法,還包括機(jī)械拋光該襯底表面。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任何一項(xiàng)所述的方法,其中通過(guò)與受控蝕刻和/或生長(zhǎng)結(jié)合的離軸拋光將該襯底表面處理到所需平滑度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法,其中該襯底的表面平滑度沿不同方向不相同。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至19中任何一項(xiàng)所述的方法,還包括在包括單個(gè)生長(zhǎng)扇區(qū)的金剛石襯底材料上構(gòu)造至少一個(gè)將用作晶體管結(jié)構(gòu)的有源區(qū)域的區(qū)域,并且控制該生長(zhǎng)扇區(qū)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法,其中用于構(gòu)造多個(gè)晶體管結(jié)構(gòu)的有源區(qū)域的晶片的整個(gè)表面由單個(gè)生長(zhǎng)扇區(qū)形成,并且該生長(zhǎng)扇區(qū)被控制。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或權(quán)利要求21所述的方法,其中該襯底表面以及被選擇以構(gòu)造晶體管結(jié)構(gòu)的有源區(qū)域的生長(zhǎng)扇區(qū)的取向?qū)?yīng)于用于CVD金剛石合成的任何一個(gè)初級(jí)生長(zhǎng)扇區(qū),即生長(zhǎng)扇區(qū){100}、{110}、{113}、或{111}。
23.根據(jù)權(quán)利要求20或權(quán)利要求21所述的方法,其中該襯底表面以及被選擇以構(gòu)造晶體管結(jié)構(gòu)的有源區(qū)域的生長(zhǎng)扇區(qū)的取向位于初級(jí)CVD生長(zhǎng)扇區(qū){100}、{110}、{113}、或{111}中的一個(gè)的15°之內(nèi)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法,其中該初級(jí)生長(zhǎng)扇區(qū)是{100}扇區(qū)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法,其中該初級(jí)生長(zhǎng)扇區(qū)是{111}扇區(qū)。
26.根據(jù)權(quán)利要求23至25中任何一項(xiàng)所述的方法,其中襯底表面相對(duì)于所選擇的初級(jí)生長(zhǎng)扇區(qū)偏移的方向位于通過(guò)所選擇的初級(jí)生長(zhǎng)扇區(qū)和其它初級(jí)生長(zhǎng)扇區(qū)中的一個(gè)的大圓弧的15°之內(nèi)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法,其中所選擇的初級(jí)生長(zhǎng)扇區(qū)是(001)扇區(qū),并且襯底表面相對(duì)于所選擇的(001)初級(jí)生長(zhǎng)扇區(qū)偏移的方向位于通過(guò)所選擇的(001)初級(jí)生長(zhǎng)扇區(qū)以及a)(111)和(110)晶體取向或b)(-111)和(-110)晶體取向的大圓弧的15°之內(nèi)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法,其中晶體管的柵極長(zhǎng)度的取向在情況a)中沿[-110]方向,或者在情況b)中沿[110]方向。
29.根據(jù)權(quán)利要求1至28中任何一項(xiàng)所述的方法,其中在該襯底上沉積的所述其它金剛石層包括至少一個(gè)硼(“Δ”)摻雜層和至少一個(gè)相鄰的器件級(jí)或本征金剛石層,其中在各層之間具有清晰限定的界面。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法,其中限定溝道的至少一個(gè)器件級(jí)或本征金剛石材料層沉積在該Δ摻雜金剛石材料層上。
31.根據(jù)權(quán)利要求29或權(quán)利要求30所述的方法,其中該Δ摻雜層的摻雜劑濃度大于1×1017原子cm-3。
32.根據(jù)權(quán)利要求29至31中任何一項(xiàng)所述的方法,其中該Δ摻雜層的摻雜劑濃度小于5×1021原子cm-3。
33.根據(jù)權(quán)利要求29至32中任何一項(xiàng)所述的方法,其中該器件級(jí)或本征金剛石包括具有小于1×1016cm-3的殘留雜質(zhì)濃度的高純度金剛石。
34.根據(jù)權(quán)利要求29至33中任何一項(xiàng)所述的方法,其中在其上沉積其它層的層的表面上的任何臺(tái)階或凸起的高度小于最薄的相鄰層的厚度的50%,臺(tái)階或凸起被定義為表面高度在平行于該表面并且等于最薄的相鄰層的厚度的距離上的變化。
35.根據(jù)權(quán)利要求29至34中任何一項(xiàng)所述的方法,其中在其上沉積其它層的任何層的表面具有3納米或更低的均方根粗糙度或者沒(méi)有大于3納米的臺(tái)階或凸起。
36.根據(jù)權(quán)利要求29至35中任何一項(xiàng)所述的方法,其中至少一個(gè)Δ摻雜層沉積在相鄰本征層上,并且摻雜濃度在小于該Δ摻雜層和該本征層之間的層厚的20%的距離中下降至少1個(gè)數(shù)量級(jí)。
37.根據(jù)權(quán)利要求29至35中任何一項(xiàng)所述的方法,其中至少一個(gè)本征層沉積在相鄰Δ摻雜層上,并且摻雜濃度在小于10納米的距離中升高到至少1×1018cm-3。
38.根據(jù)權(quán)利要求29至37中任何一項(xiàng)所述的方法,其中每個(gè)Δ摻雜層的厚度小于100納米。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法,其中每個(gè)Δ摻雜層的厚度小于20納米。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法,其中每個(gè)Δ摻雜層的厚度小于5納米。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法,其中每個(gè)Δ摻雜層的厚度小于1納米。
42.根據(jù)權(quán)利要求30至41中任何一項(xiàng)所述的方法,其中限定溝道的該器件級(jí)或本征金剛石材料層具有小于1000納米的厚度。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法,其中限定溝道的該器件級(jí)或本征金剛石材料層具有小于100納米的厚度。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法,其中限定溝道的該器件級(jí)或本征金剛石材料層具有小于10納米的厚度。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法,其中限定溝道的該器件級(jí)或本征金剛石材料層具有小于2納米的厚度。
46.根據(jù)權(quán)利要求30至45中任何一項(xiàng)所述的方法,還包括在鄰近該溝道的凹陷中形成肖特基柵極接觸。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法,還包括利用激光燒蝕、感生石墨化和化學(xué)蝕刻、反應(yīng)離子蝕刻、或電感耦合等離子體處理結(jié)合光刻工藝來(lái)形成和暴露該溝道。
48.根據(jù)權(quán)利要求46或權(quán)利要求47所述的方法,還包括通過(guò)在所述限定溝道的器件級(jí)或本征金剛石材料層上沉積金屬化層來(lái)形成該柵極接觸,其中該金屬化層包括鋁、金或鉑。
49.根據(jù)權(quán)利要求29至48中任何一項(xiàng)所述的方法,還包括在各個(gè)金剛石層上沉積至少兩個(gè)歐姆源極和漏極接觸。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的方法,其中所述歐姆接觸均直接沉積在第一摻雜層上。
51.根據(jù)權(quán)利要求29至50中任何一項(xiàng)所述的方法,其中沉積在襯底上的所述其它金剛石層包括第一Δ摻雜層和第二Δ摻雜層,它們被本征金剛石層分隔開(kāi),其中因?yàn)閺倪@些Δ摻雜層向外擴(kuò)散的電荷載流子的重疊而產(chǎn)生的電流流過(guò)該本征金剛石層,其中第二Δ摻雜層用于或者可容易地到達(dá)以用于形成將該器件連接到外部電路的金屬化或者其它接觸,并且在該器件的柵極區(qū)中斷。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法,還包括通過(guò)金屬碳化物界面形成至少一個(gè)隧道接觸。
53.根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法,其中該隧道接觸的金屬包括鈦、鉻、鎳或WSi。
54.根據(jù)權(quán)利要求52或權(quán)利要求53所述的方法,其中該隧道接觸的金屬被從鉑、金和鋁中選擇的另一金屬封罩。
55.根據(jù)權(quán)利要求46至54中任何一項(xiàng)所述的方法,還包括在該溝道上沉積非金剛石鈍化材料層,以在肖特基柵極接觸和該溝道之間提供附加隔離。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的方法,其中該鈍化材料是寬帶隙材料,所述寬帶隙材料選自以下材料藍(lán)寶石、n型金剛石、本征金剛石、碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁和氮化硼。
57.根據(jù)權(quán)利要求30至56中任何一項(xiàng)所述的方法,其中另一個(gè)固體層施加到限定該溝道的本征金剛石層。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法,該另一個(gè)固體層是接觸金屬化的形式。
59.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法,該另一個(gè)固體層是柵極電介質(zhì)的形式。
60.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法,該另一個(gè)固體層是另一個(gè)金剛石層。
61.根據(jù)權(quán)利要求29至49中任何一項(xiàng)所述的方法,其中該Δ摻雜層是沉積在本征金剛石層上的中斷Δ摻雜層。
62.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法,其中通過(guò)該中斷Δ摻雜層和該本征金剛石層之間的界面處的柵極凹陷來(lái)限定臺(tái)階,該凹陷具有小于5納米的深度。
63.根據(jù)權(quán)利要求29至62中任何一項(xiàng)所述的方法,還包括將場(chǎng)板或邊緣終端結(jié)構(gòu)結(jié)合到該晶體管中。
64.根據(jù)權(quán)利要求29至63中任何一項(xiàng)所述的方法,還包括利用n型導(dǎo)電襯底將后接觸結(jié)合到該晶體管中。
65.根據(jù)權(quán)利要求64所述的方法,其中使用N作為用于形成該n型導(dǎo)電襯底的摻雜劑。
66.根據(jù)權(quán)利要求1至65中任何一項(xiàng)所述的方法,其中該晶體管結(jié)構(gòu)限定場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
67.一種通過(guò)權(quán)利要求1的方法制造的高頻晶體管,其中閾值頻率FT處于0.1GHz至500GHz的范圍內(nèi),并且最大輸出功率Pmax處于0.05W/mm至1000W/mm的范圍內(nèi),其中單位為GHz的閾值頻率與單位為W/mm的最大輸出功率的乘積FT×Pmax超過(guò)0.005。
68.根據(jù)權(quán)利要求67所述的高頻晶體管,其中單位為GHz的閾值頻率與單位為W/mm的最大輸出功率的乘積FT×Pmax超過(guò)0.05。
69.根據(jù)權(quán)利要求68所述的高頻晶體管,其中單位為GHz的閾值頻率與單位為W/mm的最大輸出功率的乘積FT×Pmax超過(guò)50000。
70.一種通過(guò)權(quán)利要求1的方法制造的高頻晶體管,其中單位為GHz的閾值頻率與單位為W/mm的最大輸出功率的乘積FT×Pmax不超過(guò)106。
71.根據(jù)權(quán)利要求70所述的高頻晶體管,其中單位為GHz的閾值頻率與單位為W/mm的最大輸出功率的乘積FT×Pmax不超過(guò)105。
72.根據(jù)權(quán)利要求71所述的高頻晶體管,其中單位為GHz的閾值頻率與單位為W/mm的最大輸出功率的乘積FT×Pmax不超過(guò)104。
73.根據(jù)權(quán)利要求72所述的高頻晶體管,其中單位為GHz的閾值頻率與單位為W/mm的最大輸出功率的乘積FT×Pmax不超過(guò)103。
74.一種通過(guò)權(quán)利要求1的方法制造的高頻晶體管,其中閾值頻率FT處于0.1GHz至500GHz的范圍內(nèi),并且最大輸出功率Pmax處于0.05W/mm至1000W/mm的范圍內(nèi),其中單位為GHz的閾值頻率與單位為W的器件總功率Pdev的乘積FT×Pdev超過(guò)0.005。
75.根據(jù)權(quán)利要求74所述的高頻晶體管,其中單位為GHz的閾值頻率與單位為W的器件總功率Pdev的乘積FT×Pdev超過(guò)5。
76.根據(jù)權(quán)利要求75所述的高頻晶體管,其中單位為GHz的閾值頻率與單位為W的器件總功率Pdev的乘積FT×Pdev超過(guò)50000。
77.一種通過(guò)權(quán)利要求1的方法制造的高頻晶體管,其中閾值頻率FT處于0.1GHz至500GHz的范圍內(nèi),并且功率Pmax處于0.05W/mm至1000W/mm的范圍內(nèi),其中單位為GHz的閾值頻率與單位為W的器件總功率Pdev的乘積FT×Pdev不超過(guò)106。
78.根據(jù)權(quán)利要求77所述的高頻晶體管,其中單位為GHz的閾值頻率與單位為W的器件總功率Pdev的乘積FT×Pdev不超過(guò)105。
79.根據(jù)權(quán)利要求78所述的高頻晶體管,其中單位為GHz的閾值頻率與單位為W的器件總功率Pdev的乘積FT×Pdev不超過(guò)104。
80.根據(jù)權(quán)利要求79所述的高頻晶體管,其中單位為GHz的閾值頻率與單位為W的器件總功率Pdev的乘積FT×Pdev不超過(guò)103。
全文摘要
一種用于制造晶體管(通常為MESFET)的方法,包括提供襯底,該襯底包括單晶金剛石材料,該單晶金剛石材料具有生長(zhǎng)表面,在該生長(zhǎng)表面上沉積其它金剛石材料層。該襯底優(yōu)選通過(guò)CVD工藝形成并且具有高純度。該生長(zhǎng)表面具有3納米或更低的均方根粗糙度,或沒(méi)有大于3納米的臺(tái)階或凸起。在該生長(zhǎng)表面上沉積其它金剛石層,以限定該晶體管的有源區(qū)域??蛇x的n+屏蔽層可以形成在該襯底中或該襯底上,然后沉積高純度金剛石的附加層。在該方法的一個(gè)實(shí)施例中,在該高純度層的上表面上直接形成本征金剛石層,然后是硼摻雜(“Δ摻雜”)層。在該Δ摻雜層中形成溝槽,以限定柵極區(qū)。
文檔編號(hào)H01L29/16GK101167190SQ200680014668
公開(kāi)日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2006年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月29日
發(fā)明者吉奧弗瑞·A·斯卡絲布魯克, 丹尼爾·J·維特臣, 克里斯托弗·J·H·沃特, 邁克·斯維特爾斯, 厄哈德·孔 申請(qǐng)人:六號(hào)元素有限公司