一種輻射敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域，具體涉及一種硅襯底上的輻射敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(RadFET)的設(shè)計(jì)及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]RadFET探測(cè)器主要用于空間輻射總劑量的測(cè)量，可以估算空間飛行器電子元器件、材料和設(shè)備受到空間輻射的影響程度。由于總輻射劑量是電子元器件失效的因素之一，空間輻射總劑量監(jiān)測(cè)可以為衛(wèi)星長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)提供工程技術(shù)數(shù)據(jù)?？臻g存在復(fù)雜的輻射環(huán)境，主要包括粒子輻射和電磁輻射。這些空間輻射對(duì)飛行器材料、電子器件、設(shè)備及飛行人員的安全等構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，因此開(kāi)發(fā)先進(jìn)輻射探測(cè)器及相關(guān)探測(cè)技術(shù)、研究空間環(huán)境對(duì)航天器及航天員的影響，成為航天工程安全保障的重要內(nèi)容之一。此外，在非空間領(lǐng)域，RadFET探測(cè)器還可以應(yīng)用到各種地面輻射計(jì)量的探測(cè)(如放射醫(yī)療、輻射實(shí)驗(yàn)、集成電路制造工藝線以及各種大中型探測(cè)設(shè)備等)。
[0003]輻射探測(cè)器的工作原理基于粒子與物質(zhì)之間的相互作用，主要用來(lái)對(duì)輻射和粒子的微觀現(xiàn)象進(jìn)行觀察和研究。根據(jù)MOSFET對(duì)器件的柵氧化層電荷敏感的原理可以獲得RadFET探測(cè)器。在RadFET探測(cè)器中，厚柵氧化層在射線的作用下激發(fā)、電離，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。電子在電場(chǎng)作用下從柵極逸出，空穴則被固定為氧化層電荷，從而改變MOSFET的閾值電壓，并且通過(guò)相關(guān)的讀出電路并進(jìn)行放大，得到的輸出電壓信號(hào)與所在區(qū)域的吸收劑量一致，對(duì)輻射源進(jìn)行探測(cè)。
[0004]根據(jù)與高能粒子相互作用的物質(zhì)的不同，可以將常見(jiàn)的輻射探測(cè)器分為氣體探測(cè)器、閃爍探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器及其他探測(cè)器。相比之下，半導(dǎo)體RadFET探測(cè)器具有便于集成、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的射輻射劑量探測(cè)器，可廣泛應(yīng)用于航空航天探測(cè)、核工業(yè)防護(hù)及醫(yī)療放射等領(lǐng)域。
[0005]目前，有關(guān)RadFET探測(cè)器的制備研究和其輻照模型的探索在不斷深入，比如氧化層厚度、工藝等因素對(duì)探測(cè)器靈敏度的研究，以及閾值調(diào)整注入對(duì)探測(cè)器性能的研究等。石墨烯材料的優(yōu)異特性使其比較適合應(yīng)用于RadFET探測(cè)器，且基于石墨烯的RadFET探測(cè)器的相關(guān)研究處于剛剛起步的階段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種輻射敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(RadFET)的制備方法，旨在提高RadFET探測(cè)器的性能。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0008]—種基于石墨烯薄膜材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括襯底、柵電極、柵介質(zhì)、溝道層和源漏電極。其中，襯底為單晶硅，在襯底上形成柵電極，在柵電極上形成柵介質(zhì)層，在柵介質(zhì)層上形成絕緣溝道層，絕緣溝道層材料由濕法制備的疏松二氧化硅層、半導(dǎo)體石墨烯薄膜層(提高靈敏度)，在石墨烯薄膜上干法制備一層致密二氧化硅層構(gòu)成，在溝道層的兩端分別形成源電極和漏電極。
[0009]本發(fā)明的輻射敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法包括以下步驟:
[0010]I)在硅襯底上生長(zhǎng)一層導(dǎo)電薄膜，光刻刻蝕形成柵電極；
[0011]2)光刻?hào)沤橘|(zhì)層和溝道層圖案，連續(xù)干法工藝制備生長(zhǎng)柵介質(zhì)層，絕緣溝道層中的疏松二氧化硅層采用濕法工藝制備，覆蓋石墨烯薄膜層，在石墨烯薄膜上干法制備一層致密二氧化硅層，隨后通過(guò)離子注入對(duì)頂層二氧化硅進(jìn)行摻雜，獲得溝道層；
[0012]3)生長(zhǎng)一層導(dǎo)電薄膜，光刻刻蝕形成源電極和漏電極；
[0013]4)生長(zhǎng)一層鈍化介質(zhì)層，光刻刻蝕形成柵電極、源電極和漏電極的引出孔；
[0014]5)生長(zhǎng)一層金屬薄膜，光刻刻蝕形成金屬電極和互連。
[0015]其中:
[0016]在步驟I)中，柵電極采用金屬鋁Al或者金屬鈦Ti等導(dǎo)電材料；
[0017]在步驟2)中，柵介質(zhì)層的材料為二氧化硅等絕緣材料;絕緣溝道層二氧化硅通過(guò)濕法氧化工藝獲得，其結(jié)構(gòu)為較為疏松的二氧化硅層。
[0018]在步驟2)中，使用具有高導(dǎo)電半導(dǎo)體特性的石墨烯薄膜，膜厚為單層或2?4層，石墨烯薄膜上覆蓋的氧化硅層通過(guò)干法氧化獲得。選擇磷或硼離子進(jìn)行離子注入，形成N或P型摻雜的氧化硅；
[0019]在步驟3)中，源電極和漏電極的導(dǎo)電薄膜采用氧化銦錫ITO或氧化鋅鋁AZO等透明導(dǎo)電材料。
[0020]輻射敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管的設(shè)計(jì)參數(shù)為:器件的寬長(zhǎng)比(W/L)在300/15?700/100(微米)；溝道層厚度在200?800納米，其中:濕法制備的疏松二氧化硅層在150?700納米。
[0021]本發(fā)明的有益效果:
[0022]本發(fā)明提供了一種硅襯底上的輻射敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(RadFET)的設(shè)計(jì)及其制備方法，采用高導(dǎo)電半導(dǎo)體特性的單層或多層石墨烯材料作為器件的溝道層，增強(qiáng)了 RadFET探測(cè)器的靈敏度，石墨烯薄膜層下的疏松氧化硅層起到緩沖作用，可以有效減緩高能粒子輻射帶來(lái)的器件損傷，同時(shí)避免了石墨烯薄膜與電極直接接觸帶來(lái)的界面問(wèn)題，提高了器件的壽命和性能。此外，對(duì)溝道層中的氧化硅進(jìn)行離子注入工藝，引入較高濃度的雜質(zhì)陷阱，可以有效的調(diào)整器件的閾值電壓，同時(shí)減小源漏接觸電阻，增強(qiáng)器件靈敏度。該RadFET探測(cè)器工藝簡(jiǎn)單、制備成本低，適用于輻射總劑量的探測(cè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明輻射敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(RadFET)的剖面圖；
[0024]圖2為本發(fā)明輻射敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(RadFET)的俯視圖；
[0025]圖3(a)?(g)依次示出了本發(fā)明輻射敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(RadFET)的制備方法以及該器件一個(gè)實(shí)施例的主要工藝步驟。其中，(a)為硅襯底的結(jié)構(gòu)示意圖；(b)為形成柵電極的工藝步驟；(C)為形成柵介質(zhì)層和溝道層第一層的工藝步驟；(d)為制備溝道層中石墨烯轉(zhuǎn)移的工藝步驟；(e)為溝道層最上層二氧化硅層的工藝步驟；(f)為制備溝道層為離子注入工藝步驟；(g)為形成源電極和漏電極的工藝步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖，通過(guò)具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0027]如圖1和圖2所示，本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括:襯底1、柵電極2、柵介質(zhì)層3、絕緣溝道層中的濕氧二氧化硅層4、石墨烯薄膜5、干氧二氧化硅層6、源漏電極7。其中，在襯底I上形成柵電極2，在柵電極2上形成柵介質(zhì)層3，在柵介質(zhì)層3上形成絕緣溝道層4、5、6，在溝道層6上的兩端分別形成源漏電極7.
[0028]本發(fā)明的場(chǎng)晶體管制備方法的一個(gè)實(shí)施例由圖3(a)至(g)所示，包括以下步驟:
[0029]I)采用單晶硅作為器件襯底I，如圖3(a)所示，在襯底I上采用直流濺射工藝生長(zhǎng)一層10?150納米厚的金屬Ti，然后刻蝕出柵電極2，如圖3(b)所示；
[0030]2)使用干法-濕法氧化形成100?500納米厚的二氧化硅層，得到柵介質(zhì)層3和絕緣溝道層的第一層4。使用光刻工藝得到柵氧化層和溝道層圖案，如圖3(c)所示；其中干法生長(zhǎng)二氧化硅50納米后，直接濕法生長(zhǎng)二氧化硅150?700納米。
[0031]3)將制備好的高導(dǎo)電半導(dǎo)體的單層或2?4層石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到絕緣溝道層4之上，如圖3⑷中4所示。
[0032]4)進(jìn)行絕緣溝道層6二氧化硅生長(zhǎng)，采用干法生長(zhǎng)二氧化硅50納米，如圖3(e)中6所示；
[0033]5)通過(guò)離子注入對(duì)步驟4)中所得的頂層二氧化硅進(jìn)行硼離子摻雜。如圖3(f)所示；
[0034]6)采用磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)一層ITO導(dǎo)電薄膜，其厚度為20?200納米，光刻、刻蝕形成源電極和漏電極7，如圖3(g)所示；
[0035]7)按照標(biāo)準(zhǔn)工藝生長(zhǎng)一層氮化硅鈍化介質(zhì)層，光刻、刻蝕形成柵電極、源電極和漏電極的引出孔；
[0036]8)生長(zhǎng)一層金屬Al或者透明導(dǎo)電薄膜，光刻、刻蝕形成電極和互連。
[0037]最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于石墨烯薄膜材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括襯底、柵電極、柵介質(zhì)、溝道層和源漏電極，其中，襯底為單晶硅，在襯底上形成柵電極，在柵電極上形成柵介質(zhì)層，在柵介質(zhì)層上形成絕緣溝道層，在溝道層的兩端分別形成源電極和漏電極，其特征在于，所述絕緣溝道層依次為:濕法制備的二氧化硅層、石墨烯薄膜、以及干法制備的二氧化硅層。2.如權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述石墨烯薄膜為單層或2?4層石墨稀材料。3.如權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述絕緣溝道層厚度在200?800納米，其中:濕法制備的二氧化娃層在150?700納米。4.如權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，包括以下步驟: 1)在硅襯底上生長(zhǎng)一層導(dǎo)電薄膜，光刻刻蝕形成柵電極； 2)光刻?hào)沤橘|(zhì)層和溝道層圖案，連續(xù)生長(zhǎng)柵介質(zhì)層，濕法工藝制備二氧化硅層，隨后覆蓋石墨烯薄膜層，在石墨烯薄膜上干法生長(zhǎng)一層致密二氧化硅，隨后通過(guò)離子注入對(duì)頂層二氧化硅進(jìn)行摻雜，獲得溝道層； 3)生長(zhǎng)一層導(dǎo)電薄膜，光刻刻蝕形成源電極和漏電極； 4)生長(zhǎng)一層鈍化介質(zhì)層，光刻刻蝕形成柵電極、源電極和漏電極的引出孔； 5)生長(zhǎng)一層金屬薄膜，光刻刻蝕形成金屬電極和互連。5.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟I)中，柵電極采用金屬鋁Al或者金屬鈦Ti。6.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中，柵介質(zhì)層為干法工藝制備的二氧化硅絕緣材料。7.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，在步驟2)中，選擇磷或硼離子進(jìn)行離子注入，形成N或P型摻雜的二氧化硅。8.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，在步驟3)中，源電極和漏電極的導(dǎo)電薄膜采用氧化銦錫ITO或氧化鋅鋁AZO透明導(dǎo)電材料。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種硅襯底上的輻射敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(RadFET)及其制備方法。該器件的絕緣溝道層依次為：濕法制備的二氧化硅層、石墨烯薄膜、以及干法制備的二氧化硅層。多層石墨烯材料作為溝道層，增強(qiáng)了RadFET探測(cè)器的靈敏度；且濕法制備的疏松氧化硅層起到緩沖作用，可以有效減緩高能粒子輻射帶來(lái)的器件損傷，同時(shí)避免了石墨烯薄膜與源漏電極直接接觸帶來(lái)的界面問(wèn)題，提高了器件的壽命和性能。此外，對(duì)干法制備的二氧化硅進(jìn)行離子注入工藝，引入較高濃度的雜質(zhì)陷阱，可以有效的調(diào)整器件的閾值電壓，同時(shí)減小源漏接觸電阻，增強(qiáng)器件靈敏度。該RadFET探測(cè)器工藝簡(jiǎn)單、制備成本低，適用于輻射總劑量的探測(cè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【IPC分類(lèi)】H01L29/16, H01L21/336, H01L29/78, H01L29/10
【公開(kāi)號(hào)】CN105552113
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610111860
【發(fā)明人】王漪, 張曉密, 倫志遠(yuǎn), 叢瑛瑛, 董俊辰, 趙飛龍, 韓德棟
【申請(qǐng)人】北京大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2016年2月29日