專(zhuān)利名稱(chēng)：納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型功率半導(dǎo)體器件制造技術(shù)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的占有統(tǒng)治地位的功率器件是硅功率半導(dǎo)體器件。它是用硅材料制造的。但由于硅材料的帶隙寬度小，且硅不耐高溫，所以硅功率器件在碰到高溫應(yīng)用時(shí)或大電流時(shí)器件會(huì)失效，造成嚴(yán)重后果。所以硅器件的附加降溫設(shè)備非常復(fù)雜，運(yùn)行成本高。
碳化硅是功率半導(dǎo)體器件晶片的理想材料，其優(yōu)點(diǎn)是禁帶寬、工作溫度高(可達(dá)600℃)、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導(dǎo)熱性能好、漏電流極小、PN結(jié)耐壓高等，有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導(dǎo)體器件。
碳化硅半導(dǎo)體器件被視為下一代的半導(dǎo)體功率器件，各種碳化硅功率開(kāi)關(guān)器件相繼研制成功，雖然近幾年碳化硅功率開(kāi)關(guān)器件取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但離大規(guī)模商業(yè)化仍還有一段距離。之所以出現(xiàn)這種局面，是因?yàn)樘蓟杈w生長(zhǎng)技術(shù)不完善，用于器件的碳化硅晶體存在微管等缺陷，使器件存在成品率低導(dǎo)致器件成本上升，甚至存在安全隱患。這樣一來(lái)，碳化硅體材料作為半導(dǎo)體器件的核心材料，其應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。必須等待碳化硅晶體的生長(zhǎng)技術(shù)完全成熟后，才可能使碳化硅功率器件完全進(jìn)入市場(chǎng)。這是一條充滿困難的道路。其資金耗費(fèi)巨大，在美國(guó)和歐洲國(guó)家都投入巨資進(jìn)行研究，以促進(jìn)這一技術(shù)的發(fā)展，取得實(shí)際應(yīng)用的階段性成果。這可以由美國(guó)CREE公司的研究成果看出。歷時(shí)四十年的研究表明，碳化硅器件取決于晶體生長(zhǎng)技術(shù)，因?yàn)檫@要在高溫下進(jìn)行，所以排除各種因素的干擾是很困難的。
本發(fā)明的目的是采用碳化硅納米線制造功率金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。本發(fā)明采用的納米線碳化硅晶體是直徑在0.5-500nm之間的碳化硅晶體，它可以具有立方結(jié)晶構(gòu)造或六方結(jié)晶構(gòu)造。目的在于克服碳化硅體材料生長(zhǎng)技術(shù)不過(guò)關(guān)、制約碳化硅功率器件發(fā)展瓶徑的、而提供一種可以替代碳化硅晶體材料制造功率半導(dǎo)體器件的方法，并提供這樣一種產(chǎn)品。由于碳化硅納米線生長(zhǎng)技術(shù)達(dá)到很高水平，生長(zhǎng)的碳化硅納米線純度高，晶體質(zhì)量高，無(wú)缺陷。所以可以應(yīng)用于功率金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造中，形成新型的功率金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件。它利用了碳化硅納米線具有體材料碳化硅的寬帶隙、耐高溫、低導(dǎo)通電阻等優(yōu)良特性，采用新結(jié)構(gòu)制造新型納米線碳化硅功率器件。
納米技術(shù)現(xiàn)在處于快速發(fā)展的狀況。納米電子器件從納米技術(shù)誕生起就一直引起科學(xué)界和工業(yè)界的高度關(guān)注。自從2001年世界十大科技新聞報(bào)道納米電子器件成功運(yùn)行以來(lái)，各國(guó)科學(xué)界都在進(jìn)行納米晶體管的研究。納米線晶體管是其中一種重要的納米電子器件。納米線晶體管由于具有良好的半導(dǎo)體性質(zhì)，克服了傳統(tǒng)晶體管的弱點(diǎn)，而使效率和制備手段發(fā)生極大的變革，使納米線晶體管產(chǎn)生前所未有的應(yīng)用可能。
納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種低耗能，可以采用超大規(guī)模集成的納米電子器件。對(duì)于這一器件一直是各國(guó)政府和工業(yè)界高度關(guān)注的領(lǐng)域。因?yàn)樗苯佑绊懼磥?lái)信息產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地位?？梢哉f(shuō)誰(shuí)在這一領(lǐng)域占得先機(jī)，意味著誰(shuí)就可以微電子技術(shù)或納米電子技術(shù)領(lǐng)域居于支配地位。未來(lái)的“芯片上的系統(tǒng)”直接取決于納米電子器件的研究進(jìn)展成果?，F(xiàn)在高溫電子器件研究已經(jīng)取得很大進(jìn)步。但是采用納米線碳化硅來(lái)制造功率器件尚未見(jiàn)報(bào)道。
本發(fā)明與現(xiàn)有的硅功率管——硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，可以大幅度地提高器件的運(yùn)行溫度。傳統(tǒng)的硅功率器件可以在200攝氏度下運(yùn)行，在300攝氏度以上會(huì)產(chǎn)生器件退化甚至失效結(jié)果。但本發(fā)明器件卻能在達(dá)到600攝氏度以上時(shí)照常運(yùn)行，而不會(huì)產(chǎn)生失效結(jié)果。硅功率器件雖然統(tǒng)治著現(xiàn)有的功率器件市場(chǎng)，然而，對(duì)于一般的電源控制來(lái)說(shuō)，它的附加設(shè)備多而復(fù)雜，主要目的是為冷卻。由于硅的散熱比碳化硅差的多，因此，碳化硅納米線功率器件的散熱非常快。不容易引發(fā)熱積累。其次，碳化硅納米線功率器件的耐壓和耐高溫性能比硅器件要高得多。而且可以隨著工藝調(diào)節(jié)。這是硅工藝所不具備的。此外，由于是納米級(jí)器件，易于集成，更加具有智能性和系統(tǒng)性特征。這可能對(duì)于降低硅功率器件制造成本具有重要的意義。它節(jié)省了空間，使器件可以做得更小，更加適合于計(jì)算機(jī)，手提式設(shè)備和個(gè)人助理等小型或微型電子儀器的附加設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明可以通過(guò)多種工藝實(shí)現(xiàn).目前出現(xiàn)的技術(shù)有，通過(guò)掃描隧道探針顯微鏡或原子力顯微鏡等微操作工藝；光刻工藝技術(shù)。它們都可以構(gòu)造納米線晶體管。盡管形式多樣，但都是納米線晶體管。我們的納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管發(fā)明是通過(guò)如下措施來(lái)達(dá)到。首先，制備經(jīng)過(guò)摻雜的碳化硅半導(dǎo)體納米線。這些摻雜納米線分為三種類(lèi)型，一是N型摻雜，二是P型摻雜，三是不摻雜。納米線是指直徑介于0.5nm-500nm之間的纖維、晶須、晶柱和線的晶體，納米碳化硅存在各種多型，可以是立方結(jié)晶構(gòu)造，也可以是六方結(jié)晶構(gòu)造，比如，2H、4H、6H、15R多型等。在硅晶片、石英片、碳化硅晶片或剛玉等襯底上，直接淀積一層氧化硅薄膜，在其上可以采用微控制流體的辦法使碳化硅納米線平行排列；也可以直接在這些半絕緣晶片上直接采用分散技術(shù)使納米線平行排列。涂覆光刻膠，再采用半導(dǎo)體光刻工藝，根據(jù)所設(shè)計(jì)的光刻掩膜版圖結(jié)構(gòu)形式，刻制器件電極，在真空熱阻爐中淀積金屬，形成源極、漏極、柵極，分別是金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源、漏、柵極；也可以先形成源極、漏極，再采用光刻工藝制備柵極。完成這一工藝后，淀積氧化硅薄膜，也可以淀積氮化硅薄膜或其它高性能絕緣材料薄膜，密封器件。這樣的器件就是碳化硅納米線金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，根據(jù)納米線碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管在電路中的需要，給它配置各種外接引線。其中半導(dǎo)體工藝的光刻工藝可以是電子束刻蝕、紫外線刻蝕或同步輻射。另一特點(diǎn)是，在引出柵極時(shí)，可以是金屬細(xì)條，也可以是納米線碳化硅。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1.單納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管制造。
本發(fā)明的一個(gè)例子是采用直徑為10nm，長(zhǎng)度為70nm的納米線碳化硅制造單納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。納米線碳化硅材料為經(jīng)過(guò)氮摻雜的碳化硅納米線，用分散液分離成單納米線狀態(tài)，鋪設(shè)在碳化硅晶片半絕緣襯底上。采用包含三個(gè)電極具有外接引線圖案結(jié)構(gòu)的光刻版。電極排列次序?yàn)樵礃O、柵極、漏極。電極間距為15nm。涂覆光刻膠，用紫外光曝光，然后在熱阻真空爐中蒸渡金屬電極，電極用材料為鈀金屬，形成三個(gè)電極，即源電極、柵電極和漏電極。電極接線后，在電極上淀積氧化硅薄膜，在氧化硅上在源漏電極結(jié)構(gòu)中間淀積金屬金。然后淀積氮化硅薄膜，密封器件?？梢越Y(jié)合這一工藝制造納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件單元與其它工藝制造納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管單片集成電路或混成集成電路。器件性能在溫度為600℃下，器件仍然運(yùn)行正常。器件功率密度為2.8W/mm，截止頻率為8GHz。
實(shí)施例2 多納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
把摻氮納米線碳化硅平行排列在碳化硅晶片半絕緣襯底上。構(gòu)造一個(gè)多納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。即金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元中含有兩根以上納米線碳化硅。按照實(shí)施例1的工藝進(jìn)行多納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)造。本例中金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元中納米線碳化硅有107根。器件性能溫度600℃下運(yùn)行正常。功率密度為60W/mm，截止頻率為12GHz。
權(quán)利要求
1.采用納米線碳化硅制造金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，納米線碳化硅是指直徑在0.5nm-500nm范圍內(nèi)的碳化硅線、纖維、晶須、柱狀碳化硅晶體，且具有立方或六角多型結(jié)晶構(gòu)造。
2.按照權(quán)利要求書(shū)1所述，一根納米線碳化硅構(gòu)成的金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，稱(chēng)為單納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
3.按照權(quán)利要求書(shū)1所述，二根以上納米線碳化硅制造的金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
4.按照權(quán)利要求書(shū)2所述，以單納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管為單元構(gòu)成的各種集成系統(tǒng)。
5.按照權(quán)利要求書(shū)3所述，以多納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管為單元構(gòu)成的各種集成系統(tǒng)。
6.按照權(quán)利要求書(shū)2所述，含有單納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元的各種混合集成系統(tǒng)。
7.按照權(quán)利要求書(shū)3所述，含有多納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元的各種混合集成系統(tǒng)。
8.按照權(quán)利要求書(shū)1～7所述，各種構(gòu)造形式的納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管及其集成系統(tǒng)。
全文摘要
納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管涉及一種新型功率半導(dǎo)體器件制造技術(shù)。結(jié)合各種半導(dǎo)體技術(shù)工藝，用納米線碳化硅構(gòu)造碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以分為單納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和多納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。納米線碳化硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有耐高溫、耐苛刻環(huán)境、耐高電壓和低導(dǎo)通電阻等一系列特點(diǎn)，廣泛用于電力電子領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01L29/66GK1688026SQ200510018700
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月13日
發(fā)明者張洪濤, 許輝 申請(qǐng)人:湖北工業(yè)大學(xué)