本發(fā)明涉及微電子與納米電子器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種金剛石材料表面空穴濃度提高方法。

背景技術(shù)：

隨著晶體管特征尺寸的縮小，由于短溝道效應(yīng)等物理規(guī)律和制造成本的限制，主流硅基材料與cmos技術(shù)正發(fā)展到10納米工藝節(jié)點而很難繼續(xù)提升。目前，金剛石因其優(yōu)良的特性被認為是新一代集成電路半導(dǎo)體材料。金剛石具有超寬的禁帶寬度(5.7ev)、極高的導(dǎo)熱率(2000w/(m·k))、大的擊穿電場(10mv/cm)以及高的載流子(電子和空穴)遷移率，在高頻、大功率和光學(xué)元件中有廣泛應(yīng)用前景。

但是，一方面金剛石的后期摻雜工藝會造成晶格損傷，使其性能嚴重退化，甚至是石墨化；另一方面，摻雜較高的載流子激活能造成摻雜后的金剛石半導(dǎo)體難以形成有效摻雜，在室溫下展現(xiàn)出的導(dǎo)電性也不理想。這種現(xiàn)象阻礙了金剛石材料的開發(fā)和有效利用。

在現(xiàn)有技術(shù)中，可以將金剛石材料進行處理，使金剛石表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，得到高空穴濃度的薄層，從而作為導(dǎo)電溝道制備場效應(yīng)晶體管的方法。但這種處理方式得到的金剛石表面的空穴濃度較低，僅有10¹²/cm²到10¹³/cm²，因此晶體管的溝道導(dǎo)電能力不足，這嚴重影響了晶體管的性能，降低了金剛石晶體管的工作效率。

因此，亟需一種金剛石材料表面空穴濃度提高方法，從而提高晶體管的導(dǎo)電性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的金剛石材料表面空穴濃度提高方法，能夠針對現(xiàn)有技術(shù)中金剛石材料空穴濃度低的不足，提高金剛石材料表面的空穴濃度。

第一方面，本發(fā)明提供一種金剛石材料表面空穴濃度提高方法，其中包括：

步驟一、提供金剛石基底；

步驟二、使用氫等離子體處理所述金剛石基底表面，形成氫等離子體處理層；

步驟三、將所述步驟二形成的器件置于混合氣體氛圍，其中所述混合氣體氛圍使所述步驟二形成的器件表面空穴濃度增加；

步驟四、淀積氧化物層并光刻出柵介質(zhì)層；

步驟五、在所述步驟四形成的器件上生長源/漏極電極金屬；

步驟六、在所述步驟五形成的器件上生長柵電極金屬。

可選地，上述混合氣體為n2和no2的混合氣體。

可選地，上述混合氣體中no2的比例為2％-5％。

可選地，上述步驟三在所述混合氣體中的處理時間為10-50h。

可選地，上述步驟二使用微波濺射工藝形成所述氫等離子體處理層，或者在氫氣和氨氣的混合氣體以及高溫環(huán)境下形成所述氫等離子體處理層。

可選地，上述步驟二中的所述金剛石基底在所述氫等離子體處理前進行高溫酸煮。

可選地，上述高溫算珠使用加熱的混合濃酸溶液。

可選地，上述高溫酸煮還包括在氮氣和氫氣的混合氣體中的持續(xù)加熱處理。

可選地，上述步驟一中還包括對所述金剛石進行清洗。

可選地，上述源/漏電極及所述柵電極材料為al、ti、au、cr、pd或pt。

本發(fā)明實施例提供的金剛石材料表面空穴濃度提高方法，能夠提高氫終端處理金剛石表面的空穴濃度，以提高薄層的導(dǎo)電能力，從而提升氫終端處理金剛石基底場效應(yīng)晶體管的性能。

附圖說明

圖1a-1f為本發(fā)明一實施例的制備氫終端金剛石表面稿空穴濃度的場效應(yīng)晶體管的工藝流程的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一實施例提高氫終端金剛石表面空穴濃度的工藝流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明提供一種金剛石材料表面空穴濃度提高方法，如圖1a所示，提供金剛石基底110。特別的，可以金剛石基底110進行清洗，所述金剛石基底110的清洗方法包括但不限于在丙酮溶液中進行超聲清洗，然后依次使用無水乙醇和去離子水清洗，然后用n2吹干。

如圖1b所示，采用氫等離子體處理金剛石基底110。具體的，可以利用微波氫等離子濺射工藝處理金剛石基底110，在金剛石基底110表面形成氫等離子處理層120。特別的，在氫等離子體濺射工藝處理中微波功率8kw，氫氣氣壓8.5kpa，在800℃下處理10min。

可選的，可以將經(jīng)高溫酸煮后的金剛石基底110放置在氫氣和氨氣的混合氣氛下進行高溫處理，得到氫終端處理的金剛石基底110表面的氫等離子處理層120。特別的，高溫酸煮是將金剛石基底110放在體積比1:3的hno3/h2so4混合濃酸溶液中，加熱到300℃并保持1小時，后在h2和nh3混合氣體中高溫1250℃處理5min。

特別的，金剛石基底110表面的氫等離子處理層120的空穴濃度約為10¹²-10¹³/cm²，厚度約為10nm。

如圖1c所示，將經(jīng)過氫等離子體處理后的金剛石基底放置在no2和n2的混合氣體氣氛中。特別的，在上述no2和n2的混合氣體中，no2比例為2％到5％之間。特別的，在no2和n2的混合氣體氣氛中處理的時間為10-50h之間。no2分子具有較強的電子吸附性，當no2氣體吸附在上述經(jīng)過氫等離子處理層的表面，會發(fā)生表面的氧化還原反應(yīng)。no2一部分會奪走材料表面的電子，使得材料表面的氧負離子增加，使得材料的空穴濃度增加，參見式(1)；

no2(g)+e^-→no(g)+o^surf-(1)

另一部分會和材料表面吸附形成的氧負離子結(jié)合，見式(2)：

o^surf-+no2→no(g)+o2(2)

使得材料表面的化學(xué)平衡打破，式(1)和式(2)的反應(yīng)向右進行，使得材料失去更多電子，形成更多空穴，從而使得空穴載流子濃度升高和載流子遷移率的變大。

如圖1d所示，淀積氧化物后光刻出柵介質(zhì)層140。柵介質(zhì)層140優(yōu)選寬禁帶和高介電常數(shù)的氧化物。具體地，柵介質(zhì)層可以通過pvd、cvd、ald、pld、mocvd、peald、濺射、分子束淀積(mbe)或其他合適淀積的方法形成。典型的，柵介質(zhì)層140可以是單層介質(zhì)層，如sio2、al2o3等常規(guī)介質(zhì)層。典型的，柵介質(zhì)層140可以是高k介質(zhì)層，如hfo2、hfsio、hfsion、hftao、hftio、hfzro、al2o3、ta2o5、la2o3、zro2、laalo等。典型的，柵介質(zhì)層140可以是多種材料組成的復(fù)合介質(zhì)層，如hfo2、hfsio、hfsion、hftao、hftio、hfzro、al2o3、ta2o5、la2o3、zro2、laalo中幾種的組合等，例如al2o3和ta2o5的組合、al2o3和hfo2的組合。典型的，柵介質(zhì)層140還包括其他用于制作場效應(yīng)晶體管柵介質(zhì)層的材料。柵介質(zhì)層的厚度可以是但不限于1nm-3nm之間。

如圖1e所示，在器件上生長源極電極金屬131和漏極電極金屬132。源漏電極金屬層包括但不限于高功函數(shù)的惰性金屬材料，如ti、au、cr、pd、pt等。特別的，源漏電極金屬層可以通過電子束蒸發(fā)進行沉積，沉積厚度可以包括但不限于2-200nm。

如圖1f所示，在器件上生長柵電極金屬150。柵電極金屬層150包括但不限于采用al、ti、au、cr、pd、pt等金屬材料。特別的，柵電極金屬層150可以通過電子束蒸發(fā)進行沉積，沉積厚度可以包括但不限于2-400nm。

圖2示出了本發(fā)明一個實施例的金剛石基底場效應(yīng)晶體管的制備方法流程圖。如圖所示，s21為提供金剛石基底；s22為使用氫等離子體處理金剛石基底表面；s23為將經(jīng)過氫等離子體處理后的金剛石基底放置在no2和n2的混合氣體氣氛中；s24為在器件上淀積氧化物并光刻出柵介質(zhì)層；s25為在器件上生長源/漏極電極金屬；s26為在器件上生長柵電極金屬。

本發(fā)明提供的金剛石材料表面空穴濃度提高方法，能夠提高氫終端金剛石表面空穴濃度，并且本發(fā)明提供的金剛石材料表面空穴濃度提高方法能夠與傳統(tǒng)微電子制備工藝兼容，步驟簡單，節(jié)約成本，適用于提升氫終端金剛石基底場效應(yīng)晶體管性能。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。