一种辐射敏感场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硅衬底上的辐射敏感场效应晶体管(RadFET)及其制备方法。该器件的绝缘沟道层依次为：湿法制备的二氧化硅层、石墨烯薄膜、以及干法制备的二氧化硅层。多层石墨烯材料作为沟道层，增强了RadFET探测器的灵敏度；且湿法制备的疏松氧化硅层起到缓冲作用，可以有效减缓高能粒子辐射带来的器件损伤，同时避免了石墨烯薄膜与源漏电极直接接触带来的界面问题，提高了器件的寿命和性能。此外，对干法制备的二氧化硅进行离子注入工艺，引入较高浓度的杂质陷阱，可以有效的调整器件的阈值电压，同时减小源漏接触电阻，增强器件灵敏度。该RadFET探测器工艺简单、制备成本低，适用于辐射总剂量的探测，具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体器件制造领域，具体涉及一种硅衬底上的辐射敏感场效应晶体管(RadFET)的设计及制备方法。
技术介绍
RadFET探测器主要用于空间辐射总剂量的测量，可以估算空间飞行器电子元器件、材料和设备受到空间辐射的影响程度。由于总辐射剂量是电子元器件失效的因素之一，空间辐射总剂量监测可以为卫星长寿命设计提供工程技术数据。空间存在复杂的辐射环境，主要包括粒子辐射和电磁辐射。这些空间辐射对飞行器材料、电子器件、设备及飞行人员的安全等构成了严重的威胁，因此开发先进辐射探测器及相关探测技术、研究空间环境对航天器及航天员的影响，成为航天工程安全保障的重要内容之一。此外，在非空间领域，RadFET探测器还可以应用到各种地面辐射计量的探测(如放射医疗、辐射实验、集成电路制造工艺线以及各种大中型探测设备等)。辐射探测器的工作原理基于粒子与物质之间的相互作用，主要用来对辐射和粒子的微观现象进行观察和研究。根据MOSFET对器件的栅氧化层电荷敏感的原理可以获得RadFET探测器。在RadFET探测器中，厚栅氧化层在射线的作用下激发、电离，产生电子-空穴对。电子在电场作用下从栅极逸出，空穴则被固定为氧化层电荷，从而改变MOSFET的阈值电压，并且通过相关的读出电路并进行放大，得到的输出电压信号与所在区域的吸收剂量一致，对辐射源进行探测。根据与高能粒子相互作用的物质的不同，可以将常见的辐射探测器分为气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器及其他探测器。相比之下，半导体RadFET探测器具有便于集成、体积小、重量轻、功耗低等优点，是一种理想的射辐射剂量探测器，可广泛应用于航空航天探测、核工业防护及医疗放射等领域。目前，有关RadFET探测器的制备研究和其辐照模型的探索在不断深入，比如氧化层厚度、工艺等因素对探测器灵敏度的研究，以及阈值调整注入对探测器性能的研究等。石墨烯材料的优异特性使其比较适合应用于RadFET探测器，且基于石墨烯的RadFET探测器的相关研究处于刚刚起步的阶段。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种辐射敏感场效应晶体管(RadFET)的制备方法，旨在提高RadFET探测器的性能。本专利技术的技术方案是:—种基于石墨烯薄膜材料的场效应晶体管，包括衬底、栅电极、栅介质、沟道层和源漏电极。其中，衬底为单晶硅，在衬底上形成栅电极，在栅电极上形成栅介质层，在栅介质层上形成绝缘沟道层，绝缘沟道层材料由湿法制备的疏松二氧化硅层、半导体石墨烯薄膜层(提高灵敏度)，在石墨烯薄膜上干法制备一层致密二氧化硅层构成，在沟道层的两端分别形成源电极和漏电极。本专利技术的辐射敏感场效应晶体管的制备方法包括以下步骤:I)在硅衬底上生长一层导电薄膜，光刻刻蚀形成栅电极；2)光刻栅介质层和沟道层图案，连续干法工艺制备生长栅介质层，绝缘沟道层中的疏松二氧化硅层采用湿法工艺制备，覆盖石墨烯薄膜层，在石墨烯薄膜上干法制备一层致密二氧化硅层，随后通过离子注入对顶层二氧化硅进行掺杂，获得沟道层；3)生长一层导电薄膜，光刻刻蚀形成源电极和漏电极；4)生长一层钝化介质层，光刻刻蚀形成栅电极、源电极和漏电极的引出孔；5)生长一层金属薄膜，光刻刻蚀形成金属电极和互连。其中:在步骤I)中，栅电极采用金属铝Al或者金属钛Ti等导电材料；在步骤2)中，栅介质层的材料为二氧化硅等绝缘材料;绝缘沟道层二氧化硅通过湿法氧化工艺获得，其结构为较为疏松的二氧化硅层。在步骤2)中，使用具有高导电半导体特性的石墨烯薄膜，膜厚为单层或2?4层，石墨烯薄膜上覆盖的氧化硅层通过干法氧化获得。选择磷或硼离子进行离子注入，形成N或P型掺杂的氧化硅；在步骤3)中，源电极和漏电极的导电薄膜采用氧化铟锡ITO或氧化锌铝AZO等透明导电材料。辐射敏感场效应晶体管的设计参数为:器件的宽长比(W/L)在300/15?700/100(微米)；沟道层厚度在200?800纳米，其中:湿法制备的疏松二氧化硅层在150?700纳米。本专利技术的有益效果:本专利技术提供了一种硅衬底上的辐射敏感场效应晶体管(RadFET)的设计及其制备方法，采用高导电半导体特性的单层或多层石墨烯材料作为器件的沟道层，增强了 RadFET探测器的灵敏度，石墨烯薄膜层下的疏松氧化硅层起到缓冲作用，可以有效减缓高能粒子辐射带来的器件损伤，同时避免了石墨烯薄膜与电极直接接触带来的界面问题，提高了器件的寿命和性能。此外，对沟道层中的氧化硅进行离子注入工艺，引入较高浓度的杂质陷阱，可以有效的调整器件的阈值电压，同时减小源漏接触电阻，增强器件灵敏度。该RadFET探测器工艺简单、制备成本低，适用于辐射总剂量的探测，具有广泛的应用前景。【附图说明】图1为本专利技术辐射敏感场效应晶体管(RadFET)的剖面图；图2为本专利技术辐射敏感场效应晶体管(RadFET)的俯视图；图3(a)?(g)依次示出了本专利技术辐射敏感场效应晶体管(RadFET)的制备方法以及该器件一个实施例的主要工艺步骤。其中，(a)为硅衬底的结构示意图；(b)为形成栅电极的工艺步骤；(C)为形成栅介质层和沟道层第一层的工艺步骤；(d)为制备沟道层中石墨烯转移的工艺步骤；(e)为沟道层最上层二氧化硅层的工艺步骤；(f)为制备沟道层为离子注入工艺步骤；(g)为形成源电极和漏电极的工艺步骤。【具体实施方式】下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本专利技术。如图1和图2所示，本专利技术的场效应晶体管包括:衬底1、栅电极2、栅介质层3、绝缘沟道层中的湿氧二氧化硅层4、石墨烯薄膜5、干氧二氧化硅层6、源漏电极7。其中，在衬底I上形成栅电极2，在栅电极2上形成栅介质层3，在栅介质层3上形成绝缘沟道层4、5、6，在沟道层6上的两端分别形成源漏电极7.本专利技术的场晶体管制备方法的一个实施例由图3(a)至(g)所示，包括以下步骤:I)采用单晶硅作为器件衬底I，如图3(a)所示，在衬底I上采用直流溅射工艺生长一层10?150纳米厚的金属Ti，然后刻蚀出栅电极2，如图3(b)所示；2)使用干法-湿法氧化形成100?500纳米厚的二氧化硅层，得到栅介质层3和绝缘沟道层的第一层4。使用光刻工艺得到栅氧化层和沟道层图案，如图3(c)所示；其中干法生长二氧化硅50纳米后，直接湿法生长二氧化硅150?700纳米。3)将制备好的高导电半导体的单层或2?4层石墨烯薄膜转移到绝缘沟道层4之上，如图3⑷中4所示。4)进行绝缘沟道层6二氧化硅生长，采用干法生长二氧化硅50纳米，如图3(e)中6所示；5)通过离子注入对步骤4)中所得的顶层二氧化硅进行硼离子掺杂。如图3(f)所示；6)采用磁控溅射技术生长一层ITO导电薄膜，其厚度为20?200纳米，光刻、刻蚀形成源电极和漏电极7，如图3(g)所示；7)按照标准工艺生长一层氮化硅钝化介质层，光刻、刻蚀形成栅电极、源电极和漏电极的引出孔；8)生长一层金属Al或者透明导电薄膜，光刻、刻蚀形成电极和互连。最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本专利技术，但是本领域的技术人员可以理解:在不脱离本专利技术及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本专利技术不应局限于实施例所公开的内容，本专利技术要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。【主权项】1.一种基于石墨烯薄膜材料的场本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯薄膜材料的场效应晶体管，包括衬底、栅电极、栅介质、沟道层和源漏电极，其中，衬底为单晶硅，在衬底上形成栅电极，在栅电极上形成栅介质层，在栅介质层上形成绝缘沟道层，在沟道层的两端分别形成源电极和漏电极，其特征在于，所述绝缘沟道层依次为：湿法制备的二氧化硅层、石墨烯薄膜、以及干法制备的二氧化硅层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王漪，张晓密，伦志远，丛瑛瑛，董俊辰，赵飞龙，韩德栋，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11