本发明涉及半导体器件，尤其涉及一种金刚石基cmos反相器(complementarymetal-oxide-semiconductor，互补金属氧化物半导体反相器)及制备方法。
背景技术：
1、随着第一代半导体材料硅和锗在电子器件领域的应用，人类科技生活进入快车道。在科技进步和集成电路发展需求的推动下，第二代半导体材料砷化镓和第三代半导体材料碳化硅、氮化镓也相继被开发利用。摩尔定律要求在单位面积内集成更多电子器件，导致器件的散热、栅极击穿、隧穿漏电流等问题日益突出。为解决这些难题，人们逐渐将目光转向新兴半导体材料。
2、相比于其他半导体材料，金刚石具有宽的禁带宽度、高的迁移率、大的热导率、大的johnson、baliga和keyes品质因子，电学性能明显优于其他三代半导体材料，使得金刚石基电子器件性能优于其他半导体电子器件，同时最大地覆盖了输出功率和工作频率的应用领域，非常适宜制备超高频、超大功率、耐高温、抗辐射的电子器件。现有技术有研究表明，氢终端表面金刚石价带中的电子转移至吸附分子中最低未占据分子轨道lomo(lowestoccupiedmolecular orbital，最低占有分子轨道)上，导致金刚石表面形成一层二维空穴气，能够获得1012cm-2～1014cm-2的面载流子浓度，以及20cm2·v-1·s-1～680cm2·v-1·s-1范围内的载流子迁移率，因此可用于制备高性能p型场效应晶体管。
3、作为逻辑电路应用中的重要组成部分，反相器的设计一直都是一个研究热点。目前金刚石基的器件主要采用常开/常关结构，也称为e/d逻辑反相器，但是e/d逻辑反相器由于存在耗尽型器件，导致反相器的导通电流严重增加，造成能源的浪费。在应用中，cmos反相器由于其功耗低、开关速度快、增益高和抗干扰能力强而成为最受欢迎的技术。然而，目前由于技术限制，金刚石材料n型掺杂尚未达到电子器件使用要求，因此无法实现金刚石基的cmos器件。
技术实现思路
1、为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种金刚石基cmos反相器及其制备方法。
2、本发明的一种金刚石基cmos反相器，包括金刚石衬底、单晶金刚石薄膜、氢终端区域、台面隔离区域、n型氧化物半导体层、第一源电极、第一漏电极、第一栅介质层、第一栅电极、第二源电极、第二漏电极、第二栅介质层和第二栅电极。
3、需要说明的是，为了克服现有技术中n型掺杂金刚石材料难以达到电子器件使用要求的缺陷，本发明以金刚石衬底为基底，不仅能够为后续构建获得耐电压、耐热的金刚石基cmos器件做准备，而且金刚石衬底还能为整体cmos反相器器件结构提供良好的散热作用。在本发明一些优选的实施例中，采用的金刚石衬底由高温高压技术或气相外延技术制备获得的同质或异质金刚石衬底，比如同质外延单晶金刚石或者异质外延单晶金刚石，包括单晶金刚石，以确保能够获得纯净的金刚石衬底。
4、在本发明一些优选的实施例中，在金刚石衬底表面上还设置有单晶金刚石薄膜，以作为功能层，即以单晶金刚石薄膜作为制备金刚石基cmos器件的基础。为了确保在金刚石衬底表面上设置的单晶金刚石薄膜能够实现上述效果，在本发明一些优选的实施例中，所述单晶金刚石薄膜的厚度为50nm～5mm。
5、在本发明一些优选的实施例中，所述单晶金刚石薄膜通过采用化学气相沉积法在所述金刚石衬底上沉积获得。其中，本发明通过采用化学气相沉积法沉积形成的单晶金刚石薄膜的电阻率>100mω·cm，以确保形成的单晶金刚石薄膜的绝缘性。本发明的单晶金刚石薄膜的均方根表面粗糙度≤0.5nm，均方根表面粗糙度与氢终端区域p型导电沟道载流子迁移率相关，通过控制均方根表面粗糙度≤0.5nm，能够有利于调控氢终端区域p型导电沟道载流子迁移率为20cm2/v·s～2500cm2/v·s。本发明的单晶金刚石薄膜的拉曼曲线半峰宽≤2cm-1，xrd摇摆曲线半峰宽≤30arcsec，进而确保获得的单晶金刚石薄膜材料质量为电子器件级。
6、本发明在所述单晶金刚石薄膜上还设置有氢终端区域，以使氢终端区域作为p型导电沟道。为了确保在单晶金刚石薄膜上设置的氢终端区域能够作为p型导电沟道使用，在本发明一些优选的实施例中，所述氢终端区域的p型导电沟道内面载流子浓度为1×1012cm-2～5×1014cm-2，迁移率为20cm2/v·s～2500cm2/v·s。且在本发明另一些优选的实施例中，所述氢终端区域的厚度为1nm～20nm。
7、本发明在单晶金刚石薄膜上还设置有台面隔离区域，且台面隔离区域位于所述氢终端区域周围，以作为绝缘层实现器件之间的电学隔离。在本发明一些优选的实施例中，所述台面隔离区域为氧终端金刚石。
8、本发明在台面隔离区域上还设置有n型氧化物半导体层，以作为n型导电沟道，载流子在n型导电沟道内迁移。为了确保n型氧化物半导体层能够实现上述效果，在本发明一些可行的实施例中，所述n型氧化物半导体层的材质为二氧化锡、氧化锌、氧化铟、二氧化锆、氧化铟锡、铝锌氧化物和铟镓锌氧化物中的任意一种或多种。在本发明一些可行的实施例中，在台面隔离区域上设置n型氧化物半导体层时，采用电子束蒸发、磁控溅射、金属有机物化学气相沉积、激光脉冲沉积、原子层沉积和溶胶-凝胶中的任意一种方法进行沉积。
9、请参阅图1，本发明为了构建形成一种完整的逻辑器件，在所述n型氧化物半导体层的两端分别设有第一源电极和第一漏电极，第一源电极和第一漏电极均与所述n型氧化物半导体层形成欧姆接触；在所述氢终端区域的两端分别设置有第二源电极和第二漏电极，第二源电极和第二漏电极均与氢终端区域形成欧姆接触。其中，所述第一漏电极和第二漏电极金属互连，作为cmos反相器的输出；所述第一栅电极和第二栅电极金属互连，作为cmos反相器的输入。
10、在本发明一些优选的实施例中，所述第一源电极、第一漏电极、第二源电极和第二漏电极的材质均选自au、pd、ir、pt和ti中的任意一种或多种，以实现欧姆接触与降低电阻的目的。
11、为确保能够实现第一漏电极和第二漏电极金属互连，第一栅电极和第二栅电极金属互连，在本发明一些优选的实施例中，所述第一漏电极和第二漏电极通过第一互连线进行金属互连，以使第一漏电极和第二漏电极相连，等电势，进而作为cmos反相器的信号输出。所述第一栅电极和第二栅电极通过第二互连线进行金属互连，以使第一栅电极和第二栅电极相连，等电势，进而作为cmos反相器的信号输入。
12、还需要强调的是，本发明在n型氧化物半导体层上还设置有第一栅介质层，以使第一栅介质层提高栅控，降低栅极漏电流。所述第一栅介质层上设有第一栅电极，以使第一栅电极提供栅电压，调控n型导电沟道电流。本发明在氢终端区域上还设置有第二栅介质层，第二栅介质层的作用等同第一栅介质层。所述第二栅介质层上设有第二栅电极，第二栅电极的作用等同第一栅电极。
13、在本发明一些可行的实施例中，所述第一栅极介质层和第二栅极介质层的材质均选自al2o3、sio2、sinx、hfo2和moo3中的任意一种或多种，以实现降低漏电的目的。
14、在本发明一些可行的实施例中，所述第一栅电极和第二栅电极的材质均选自al、zr、hf和mo中的任意一种或多种。
15、本发明的一种金刚石基cmos反相器的制备方法，包括以下步骤：
16、提供一金刚石衬底为基底。
17、在所述金刚石衬底表面上沉积单晶金刚石层，以在所述金刚石衬底表面上形成单晶金刚石薄膜。
18、需要说明的是，为了避免金刚石衬底表面可能存在的杂质影响后续形成器件的质量和性能，在形成单晶金刚石薄膜之前，需要对金刚石衬底进行预处理，以除去金刚石衬底表面杂质，同时便于后续单晶金刚石薄膜更好地与金刚石衬底表面结合。为了确保能够通过预处理实现上述效果，在本发明一些可行的实施例中，所述预处理通过以下步骤实现：将金刚石衬底清洗后吹干，备用，即获得清洁的金刚石衬底。
19、为了确保能够在金刚石衬底表面上形成单晶金刚石薄膜，在本发明一些优选的实施例中，采用化学气相沉积法进行制备，且具体步骤如下：将金刚石衬底放置在化学气相沉积装置的腔体中并抽真空至≤10-1pa，气压稳定后通入氢气，氢气流量为100sccm～500sccm，打开微波源并缓慢增加功率至600w～1500w，保持氢等离子体气氛1min～2h，关闭微波源，保持氢气气流，待样品冷却至室温，关闭氢气，取出样品。且本发明通过采用化学气相沉积法沉积形成的单晶金刚石薄膜经测试表明，单晶金刚石薄膜的电阻率≥100mω·cm，且其均方根表面粗糙度≤0.5nm，其拉曼曲线半峰宽≤2cm-1，xrd(x-ray diffraction，x射线衍射)摇摆曲线半峰宽≤30arcsec。
20、对所述单晶金刚石薄膜进行氢化处理，以在所述单晶金刚石薄膜表面上形成一层二维空穴气导电层。
21、利用光刻和刻蚀技术，对所述二维空穴气导电层的部分区域进行刻蚀，未刻蚀区域仍保留所述二维空穴气导电层的特征，形成氢终端区域；刻蚀后的区域形成台面隔离区域。
22、需要说明的是，本发明为了确保形成的氢终端区域能够作为p型导电沟道使用，本发明优选的采用氢化处理的方式，使氢气与所述单晶金刚石薄膜表面的碳发生反应，进而将单晶金刚石薄膜表面的碳层转变为碳氢终端层，即在所述单晶金刚石薄膜表面上原位形成一层二维空穴气导电层，根据实际所需的氢终端区域的尺寸，将其他区域进行刻蚀，使得未刻蚀区域仍保留所述二维空穴气导电层的特征，形成氢终端区域，以作为p型导电沟道；而刻蚀后的区域为氧终端金刚石，作为台面隔离区域以实现器件之间的电学隔离。
23、为了确保能够通过氢化处理实现在单晶金刚石薄膜表面上形成一层二维空穴气导电层，在本发明一些优选的实施例中，所述氢化处理是在氢等离子体或氢气气氛中进行的，且通入氢气流量为50sccm～1000sccm，以通过氢等离子体或氢气气氛提供氢气，实现上述反应。
24、为了进一步确保能够通过氢化处理实现在单晶金刚石薄膜表面上形成一层二维空穴气导电层，在本发明一些优选的实施例中，所述氢化处理的反应温度为500℃～900℃，在该温度下，通过氢等离子体或氢气将单晶金刚石薄膜表面的碳层转变为碳氢终端层，进而实现在单晶金刚石薄膜表面上形成一层二维空穴气导电层。为了确保在该反应温度下能够形成具有碳氢终端层的二维空穴气导电层，在本发明一些优选的实施例中，所述氢化处理的反应时间为10s～2h。且本发明二维空穴气导电层的载流子浓度(即所述氢终端区域的p型导电沟道内面载流子浓度)为1×1012cm-2～5×1014cm-2，迁移率为20cm2/v·s～2500cm2/v·s。
25、需要说明的是，为了便于形成氢终端区域和台面隔离区域，在本发明一些优选的实施例中，采用掩膜法，即根据实际需求，选择与实际所需的p型沟道尺寸相匹配的掩膜版，形成所需的光刻胶图形，然后利用光刻技术对所述二维空穴气导电层的未覆盖区域进行刻蚀，以使刻蚀区域形成台面隔离区域，而未刻蚀区域仍保留二维空穴气导电层的特征，形成氢终端区域。
26、为了确保能够通过掩膜法结合光刻技术实现将二维空穴气导电层形成氢终端区域和台面隔离区域，在本发明一些优选的实施例中，通过以下步骤实现：
27、将表面形成有二维空穴气导电层的金刚石衬底材料，使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干后，备用。随后，在样品表面旋涂一层光刻胶，将旋涂好光刻胶的金刚石衬底材料在85℃～95℃条件下烘烤60～120s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光2s～8s，显影50s～70s；使得光刻胶只覆盖p型沟道。然后，使用反应离子刻蚀，形成台面隔离区域，最后使用丙酮去除样品表面光刻胶，即将二维空穴气导电层形成氢终端区域和台面隔离区域，获得表面具有氢终端区域和台面隔离区域的金刚石衬底材料。其中，刻蚀时，采用的等离子体功率为30w～300w，速率为1nm/min～1000nm/min。
28、利用沉积技术在氢终端区域上淀积保护层后，在沉积有保护层的样品表面沉积一层氧化物层，在所述氧化物层表面刻蚀形成n型沟道图案，制作形成n型氧化物半导体层，作为n型导电沟道。
29、需要说明的是，本发明考虑到在具体沉积时，样品整体的表面均会暴露在制备环境中，为了避免氢终端区域在沉积氧化物层和样品处理时遭到破坏，故需要先在氢终端区域上淀积一层保护层后，再对样品进行沉积处理，以在沉积有保护层的样品表面沉积一层氧化物层，随后刻蚀形成n型沟道图案，并去除氢终端区域上的保护层，即实现仅在台面隔离区域表面沉积一层氧化物层。考虑到所沉积的保护层不仅要实现对氢终端区域的保护，以避免造成意外刻蚀的情况发生，同时又要便于去除且不损伤氢终端区域，故在本发明一些优选的实施例中，所述保护层的材质选自金属或介质材料，且保护层的厚度为130nm～170nm。其中，所述金属可选自金。所述介质材料可选自sio2或si3n4。且需要说明的是，当氢终端区域上的保护层是金属，则无需去除保护层，在所述氧化物层表面刻蚀形成n型沟道图案后，即形成n型氧化物半导体层；当氢终端区域上的保护层是介质材料，则在所述氧化物层表面刻蚀形成n型沟道图案，并去除保护层，形成n型氧化物半导体层。为了确保能够去除保护层，在本发明一些可行的实施例中，采用i2/ki溶液、boe(buffered oxide etch，缓冲氧化物刻蚀液)或者氢氟酸进行清洗的方式进行去除。
30、在本发明一些可行的实施例中，在所述在氢终端区域上淀积一层保护层时和在台面隔离区域表面沉积一层氧化物层时，均可采用电子束蒸发物理气相沉积、磁控溅射、金属有机物化学气相沉积、激光脉冲沉积、原子层沉积和溶胶-凝胶中的任意一种方式进行沉积。
31、在本发明一些优选的实施例中，当采用电子束蒸发物理气相沉积进行沉积保护层时，通过以下步骤实现在氢终端区域上沉积的保护层：
32、1)在表面形成有氢终端区域和台面隔离区域的样品表面旋涂一层光刻胶，随后在90℃～105℃下烘烤80s～100s，使用根据器件性能要求设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光5s～6s，显影60s～80s，以露出氢终端区域，以实现保护层的图形。其中，所述光刻胶为az5214光刻胶或rn246光刻胶。
33、2)采用eb-pvd沉积技术，沉积形成一层厚度为130nm～170nm相应的保护层材料，完成lift-off工艺，只保留未覆盖光刻胶区域的介质层，以在氢终端区域上形成保护层。
34、为了确保形成的氧化物层能够作为n型导电沟道使用，在本发明一些优选的实施例中，沉积的氧化物层的材料可根据实际需求进行相应选择，比如可选自sno2、zno、in2o3、zro2、ito、azo和igzo中的任意一种或多种。
35、为了进一步确保形成的氧化物层能够作为n型导电沟道使用，在本发明一些优选的实施例中，先根据实际需求，在氧化物层表面刻蚀形成所需的n型沟道图案后，进行退火处理，以通过退火处理使氧化物层结晶质量提升，进而提高n型导电沟道的载流子迁移率性能，使其形成n型氧化物半导体层，以满足作为n型导电沟道材料的使用要求。在本发明一些优选的实施例中，所述退火处理的气体氛围为氧气和氩气中的一种，温度为300℃～600℃，时间为1min～60min。
36、经测试结果表明，本发明上述方法形成的n型氧化物半导体层n型导电沟道载流子浓度为1×1015cm-3～1×1020cm-3，迁移率为1cm2/v·s～500cm2/v·s。
37、在所述n型氧化物半导体层的两端分别沉积形成第一源电极和第一漏电极，以使第一漏电极和第二漏电极均与所述n型氧化物半导体层形成欧姆接触；在氢终端区域的两端分别沉积形成第二源电极和第二漏电极，以使第二源电极和第二漏电极均与作为p型导电沟道的氢终端区域形成欧姆接触。
38、需要说明的是，本发明优选的采用掩膜法，即根据实际需求，选择与实际所需的第一源电极、第一漏电极、第二源电极和第二漏电极的尺寸相匹配的掩膜版，形成所需的光刻胶图形，然后分别沉积形成相应的第一源电极、第一漏电极、第二源电极和第二漏电极。
39、在本发明一些可行的实施例中，在沉积第一源电极、第一漏电极、第二源电极和第二漏电极时，均可采用电子束蒸发、磁控溅射、金属有机物化学气相沉积、激光脉冲沉积、原子层沉积和溶胶-凝胶中的任意一种方式进行沉积。在本发明一些优选的实施例中，采用电子束蒸发技术进行沉积。
40、还需要说明的是，所述第一源电极接地，第二源电极接电源电压，以实现构筑形成完整的逻辑器件结构，以确保cmos反相器能够进行工作。
41、在n型氧化物半导体层上依次沉积形成第一栅介质层和第一栅电极，在氢终端区域上依次沉积形成第二栅介质层和第二栅电极。
42、利用光刻与沉积技术在样品表面形成第一互连线和第二互连线，以通过第一互连线实现第一漏电极和第二漏电极金属互连，通过第二互连线实现第一栅电极和第二栅电极金属互连。
43、需要说明的是，本发明优选的采用掩膜法，即根据实际需求，选择与实际所需的第一栅介质层和第一栅电极、第二栅介质层和第二栅电极的尺寸相匹配的掩膜版，形成所需的光刻胶图形，然后分别沉积形成相应的第一栅介质层和第一栅电极、第二栅介质层和第二栅电极。
44、在本发明一些可行的实施例中，在沉积第一栅介质层和第一栅电极、第二栅介质层和第二栅电极时，均可采用电子束蒸发、磁控溅射、金属有机物化学气相沉积、激光脉冲沉积、原子层沉积和溶胶-凝胶中的任意一种方式进行沉积。在本发明一些优选的实施例中，采用电子束蒸发物理气相沉积技术进行沉积。
45、在本发明一些可行的实施例中，本发明所述光刻为紫外光刻、电子束光刻以及步进式非接触光刻中的任意一种。
46、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
47、本发明的金刚石基cmos反相器，包括：金刚石衬底、单晶金刚石薄膜、氢终端区域、台面隔离区域、n型氧化物半导体层、第一源电极、第一漏电极、第二源电极、第二漏电极、第一栅介质层、第一栅电极、第二栅介质层和第二栅电极；金刚石衬底上设有一层单晶金刚石薄膜；单晶金刚石薄膜上设有氢终端区域与台面隔离区域；在台面隔离区域上设有n型氧化物半导体层；在n型氧化物半导体层的两端分别设有第一源电极和第一漏电极；在氢终端区域的两端分别设有第二源电极和第二漏电极；在n型氧化物半导体层上设有第一栅介质层；在氢终端区域上设有第二栅介质层；在第一栅介质层上设有第一栅电极；在第二栅介质层上设有第二栅电极。所述第一漏电极和第二漏电极金属互连，作为cmos反相器的输出；所述第一栅电极和第二栅电极金属互连，作为cmos反相器的输入。
48、本发明通过将p型氢终端金刚石和n型氧化物半导体结合在一起，有效规避了目前金刚石难以实现n型mos器件(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金属-氧化物-半导体场效应晶体管)的技术难题，充分发挥了金刚石与n型氧化物半导体各自的优势，实现了高性能金刚石基单片集成cmos反相器。其中，金刚石载流子迁移率高，n型氧化物半导体导电电子浓度高，电阻率低，单片集成减小器件间距，确保cmos反相器拥有高的开关速度、高增益和低损耗；金刚石热导率高、抗辐照强，降低器件结温，n型氧化物半导体具有良好的热稳定性，因此确保cmos反相器能够应用于高温、强辐照环境应用，证实了金刚石在集成电路的应用方面具有巨大的潜力，在数字系统设计、计算机处理器和通信电路中具有多种作用，包括逻辑门实现、时钟信号驱动、缓冲放大器、信号反相控制和数字信号处理等，促进了数字电路技术的发展，并为数字系统提供了高效、可靠的工作基础。
1.一种金刚石基cmos反相器，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的金刚石基cmos反相器，其特征在于，所述单晶金刚石薄膜(2)通过采用化学气相沉积法在所述金刚石衬底(1)上外延获得；所述氢终端区域(3)通过对所述单晶金刚石薄膜(2)表面进行氢化处理形成。
3.如权利要求1所述的金刚石基cmos反相器，其特征在于，所述氢终端区域(3)的p型导电沟道内面载流子浓度为1×1012cm-2～5×1014cm-2，迁移率为20cm2/v·s～2500cm2/v·s，上述氢终端区域(3)的厚度为1nm～20nm。
4.如权利要求1所述的金刚石基cmos反相器，其特征在于，所述台面隔离区域(4)为氧终端金刚石。
5.如权利要求1所述的金刚石基cmos反相器，其特征在于，所述n型氧化物半导体层(5)的材质为二氧化锡、氧化锌、氧化铟、二氧化锆、氧化铟锡、铝锌氧化物和铟镓锌氧化物中的任意一种或多种。
6.如权利要求1所述的金刚石基cmos反相器，其特征在于，所述第一源电极(6)、第一漏电极(7)、第二源电极(8)和第二漏电极(9)的材质均选自au、pd、ir、pt和ti中的任意一种或多种。
7.如权利要求1所述的金刚石基cmos反相器，其特征在于，所述第一栅极介质层(10)和第二栅极介质层(12)的材质均选自al2o3、sio2、sinx、hfo2和moo3中的任意一种或多种。
8.如权利要求1所述的金刚石基cmos反相器，其特征在于，所述第一栅电极(11)和第二栅电极(13)的材质均选自al、zr、hf和mo中的任意一种或多种。
9.一种权利要求1～8任意一项所述的金刚石基cmos反相器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.如权利要求9所述的制备方法，所述氢化处理是在氢等离子体或氢气气氛中进行的；
