一種利用雙層絕緣層釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用雙層絕緣層釋放金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法。本發(fā)明在金屬和半導(dǎo)體之間插入一超薄的雙層絕緣層，利用絕緣層和半導(dǎo)體之間形成的電偶極子以及兩層絕緣層之間形成的電偶極子來拉低由于金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎所形成的高的肖特基勢(shì)壘高度，方法簡單有效，而且能夠有效地釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎，減小肖特基勢(shì)壘高度，減小金屬與半導(dǎo)體的接觸電阻，實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。
【專利說明】一種利用雙層絕緣層釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法。【背景技術(shù)】
[0002]隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件正朝著小型化、高速化、高集成度和低能耗的方向發(fā)展，已臻成熟的非晶硅薄膜晶體管工藝逐漸顯露其局限性，主要體現(xiàn)在遷移率低、不透明性和帶隙小，這制約了器件的速度、開口率。氧化鋅是一種寬帶隙(3.37eV)的I1-V族η型透明半導(dǎo)體材料，具有高熔點(diǎn)、高激子束縛能及激子增益、外延生長溫度低、成本低、易刻蝕等優(yōu)點(diǎn)，因此氧化鋅基的薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(TFT)被認(rèn)為是取代當(dāng)前大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的非晶硅薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的下一代金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
[0003]薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源、漏電極材料要求電阻率低、與半導(dǎo)體的接觸為歐姆接觸且界面的肖特基勢(shì)壘小。理論上，對(duì)于η型氧化鋅薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，應(yīng)選擇低功函數(shù)的金屬作為源漏電極，如鋁、銀、鈦等金屬材料。P型氧化鋅薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管應(yīng)選擇功函數(shù)高的金屬作為源漏電極，如金、鉛、鎳、鉬等金屬材料。然而，實(shí)際上，金屬和氧化鋅接觸時(shí)很難達(dá)到理想的結(jié)果，這是由于金屬和半導(dǎo)體的接觸面上總界面能最小化導(dǎo)致了電荷密度的松弛，產(chǎn)生了一個(gè)界面偶極子，使得金屬的費(fèi)米能級(jí)被釘扎在較高的位置，這種情況下，金屬的有效功函數(shù)偏離了它在真空中的數(shù)值，導(dǎo)致實(shí)際的肖特基勢(shì)壘偏大，且使用不同功函數(shù)的金屬材料對(duì)肖特基勢(shì)壘高度的調(diào)節(jié)影響不大。
[0004]目前，獲得η型氧化鋅薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源、漏歐姆接觸的方法主要是通過快速退火和表面處理，在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生大量的施主缺陷，使得費(fèi)米能級(jí)向?qū)У滓苿?dòng)，載流子易于隧穿，從而獲得好的接觸。該方法存在的問題是當(dāng)退火溫度較高(600°C)時(shí)，由于金屬與η型氧化鋅界面反應(yīng)相的變化、金屬之間的相互擴(kuò)散和氧化鋅的分解等因素，使得表面變得粗糙，造成接觸電阻增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種釋放金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，以減小肖特基勢(shì)壘高度，提高薄膜晶體管的性能。
[0006]為達(dá)到本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提出了一種利用雙層絕緣層釋放金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，具體步驟為:
在半導(dǎo)體層之上生長一超薄的第一絕緣層；
在所述第一絕緣層之上生長一超薄的不同于第一絕緣層的第二絕緣層；
在所述第二絕緣層之上沉積頂電極。
[0007]本發(fā)明中，所述的半導(dǎo)體層材料為氧化鋅。
[0008]如上所述的利用雙層絕緣層釋放金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，所述的頂電極可以為鋁、鉬、鈀、金、鎳、鉛、銀或者為鈦。[0009]本發(fā)明中，所述的第一絕緣層和第二絕緣層材料可以為氧化鋁、氧化鉿、氧化鈦或者為氧化鋯；第一絕緣層和第二絕緣層構(gòu)成的雙層絕緣層的厚度范圍為1-3納米。
[0010]本發(fā)明在金屬和半導(dǎo)體之間插入一超薄的雙層絕緣層，利用絕緣層和半導(dǎo)體之間形成的電偶極子以及兩層絕緣層之間形成的電偶極子來拉低由于金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎所形成的高的肖特基勢(shì)壘高度，方法簡單有效，而且能夠有效地釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎，減小肖特基勢(shì)壘高度，減小金屬與半導(dǎo)體的接觸電阻，實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明所提出的利用雙層絕緣層釋放金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎的一個(gè)實(shí)施例的截面圖。
[0012]圖2為插入雙層絕緣層后金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)的能帶圖。其中，Ca)為金屬和半導(dǎo)體直接接觸時(shí)的能帶圖，(b)為在金屬和半導(dǎo)體間插入雙層絕緣層后的能帶圖。
[0013]圖3-圖7為本發(fā)明所提出的利用雙層絕緣層釋放金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法的一個(gè)實(shí)施例的工藝流程圖。
[0014]圖中標(biāo)號(hào):101為氧化鋅半導(dǎo)體層，102為第一絕緣層，103為第二絕緣層，104為金屬層。
【具體實(shí)施方式】
[0015]面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。在圖中，為了方便說明，放大或縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實(shí)際尺寸。盡管這些圖并不能完全準(zhǔn)確的反映出器件的實(shí)際尺寸，但是它們還是完整的反映了區(qū)域和組成結(jié)構(gòu)之間的相互位置，特別是組成結(jié)構(gòu)之間的上下和相鄰關(guān)系。
[0016]圖1為本發(fā)明所提出的利用雙層絕緣層釋放金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎的一個(gè)實(shí)施例的截面圖，如圖1，所示101為氧化鋅半導(dǎo)體層，所示102為第一絕緣層，所示103為第二絕緣層，所述104為金屬層。第一絕緣層102和第二絕緣層103的材料不同，并均可以為氧化鋁、氧化鉿、氧化鈦或者為氧化鋯等高介電常數(shù)材料，同時(shí)，由第一絕緣層102和第二絕緣層103構(gòu)成的雙層絕緣層的厚度范圍優(yōu)選為1-3納米。金屬層104可以為鋁、鉬、鈀、金、鎳、鉛、銀或者為鈦等金屬材料。
[0017]圖2為金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)的能帶圖，其中，Ca)為金屬和半導(dǎo)體直接接觸時(shí)的能帶圖，(b)為在金屬和半導(dǎo)體間插入雙層絕緣層后的能帶圖。在金屬和半導(dǎo)體直接接觸時(shí)，由于金屬和半導(dǎo)體的接觸面上總界面能最小化導(dǎo)致了電荷密度的松弛，產(chǎn)生了一個(gè)界面偶極子，使得金屬的費(fèi)米能級(jí)被釘扎在較高的位置，金屬的有效功函數(shù)偏離了它在真空中的數(shù)值，導(dǎo)致實(shí)際的肖特基勢(shì)壘(Ob.eff)偏大。在金屬和半導(dǎo)體之間插入一超薄的雙層絕緣層(比如為氧化鋁和氧化鉿)后，在絕緣層和半導(dǎo)體之間以及兩層絕緣層之間形成的正的電偶極子，電偶極子能夠?qū)⑿ぬ鼗鶆?shì)壘高度拉低，從而降低肖特基勢(shì)壘高度、實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。
[0018]圖3-圖7為本發(fā)明所提出的利用雙層絕緣層釋放金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法的一個(gè)實(shí)施例的工藝流程圖。
[0019]首先，如圖3所示，將提供的半導(dǎo)體襯底200進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)清洗工藝清洗，再用去離子水漂洗干凈，然后用高純氮將其吹干。接著，在襯底200上沉積底電極201。
[0020]半導(dǎo)體襯底200可以為硅、絕緣體上的硅，也可以為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜等塑料襯底。底電極201可以為鋁、鉬、鈀、金、鎳、鉛、銀或者為鈦等金屬材料，也可以為氧化銦錫等透明電極材料。
[0021]以在PET襯底和ITO底電極為例，將沉積好ITO底電極的襯底放入丙酮中超聲清洗5分鐘，然后用去離子水將襯底沖洗干凈，再用高純氮將其吹干。
[0022]接下來，在底電極201之上沉積氧化鋅半導(dǎo)體層202，如圖4所示。
[0023]氧化鋅半導(dǎo)體層的制作方法可以采用分子束外延、磁控濺射技術(shù)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積、脈沖激光淀積、噴霧熱分解、溶膠-凝膠法和原子層淀積等，該方法都是業(yè)界所熟知的。以采用原子層淀積氧化鋅為例，以二乙基鋅(DEZn)和水(H2O)為反應(yīng)前驅(qū)體，反應(yīng)溫度為200°C，反應(yīng)腔氣壓為5托。單個(gè)反應(yīng)周期包括將液態(tài)的二乙基鋅揮發(fā)的氣體通入反應(yīng)腔，反應(yīng)時(shí)間為500ms，再通入2s的氮?dú)馇宄捶磻?yīng)的金屬有機(jī)前驅(qū)體和副產(chǎn)物；將水蒸氣通入反應(yīng)腔，反應(yīng)時(shí)間為500ms，再通入2s的氮?dú)馇宄捶磻?yīng)的水蒸氣和副產(chǎn)物。反應(yīng)進(jìn)行250個(gè)周期，得到約54納米厚的氧化鋅薄膜。采用原子層淀積工藝生長的薄膜均勻性和可重復(fù)性好，并且可以通過改變淀積的周期數(shù)非常精確地控制薄膜的厚度。
[0024]接下來，在氧化鋅半導(dǎo)體層202之上生長第一絕緣層203，如圖5所示。
[0025]第一絕緣層的材料可以為氧化鋁、氧化鉿、氧化鈦、氧化鋯等高介電常數(shù)材料。本發(fā)明實(shí)施例以采用原子層淀積氧化鋁為例。以三甲基鋁(TMA)和H2O為反應(yīng)前驅(qū)體，反應(yīng)溫度為200°C，反應(yīng)腔氣壓為5托。單個(gè)反應(yīng)周期包括將液態(tài)的三甲基鋁揮發(fā)的氣體通入反應(yīng)腔，反應(yīng)時(shí)間為100ms，再通入Is的氮?dú)馇宄捶磻?yīng)的金屬有機(jī)前驅(qū)體和副產(chǎn)物；將水蒸氣通入反應(yīng)腔，反應(yīng)時(shí)間為100ms，再通入Is的氮?dú)馇宄捶磻?yīng)的水蒸氣和副產(chǎn)物。反應(yīng)進(jìn)行10個(gè)周期，得到約1.3納米厚的氧化鋁薄膜。
[0026]接下來，在第一絕緣層203之上生長第二絕緣層204，如圖6所示。
[0027]第二絕緣層204的材料可以為氧化鋁、氧化鉿、氧化鈦、氧化鋯等高介電常數(shù)材料，但應(yīng)與第一絕緣層203的材料不同。本發(fā)明實(shí)施例以原子層淀積氧化鉿為例。以四乙基甲基氨基鉿(TEMAH)和H2O為反應(yīng)前驅(qū)體，反應(yīng)前，先將原子層淀積反應(yīng)腔加熱到300°C，前驅(qū)體TEMAH加熱到70°C，并在整個(gè)生長過程中保持溫度不變，反應(yīng)腔氣壓為5托。單個(gè)反應(yīng)周期包括將加熱的鉿的有機(jī)物反應(yīng)前驅(qū)體TEMAH揮發(fā)出的氣體以氮?dú)庾鳛檩d體氣體流通入反應(yīng)腔，反應(yīng)時(shí)間為ls，再通入3s的氮?dú)馇宄捶磻?yīng)的金屬有機(jī)前驅(qū)體和副產(chǎn)物；將水蒸氣通入反應(yīng)腔，反應(yīng)時(shí)間為300ms，再通2s的氮?dú)馇宄捶磻?yīng)的水蒸氣和副產(chǎn)物。反應(yīng)進(jìn)行10個(gè)周期，得到大約0.8納米厚的氧化鉿薄膜。
[0028]由第一絕緣層203和第二絕緣層204構(gòu)成的雙層絕緣層的厚度應(yīng)優(yōu)選為1_3納米之間。
[0029]接下來，在第二絕緣層204之上沉積積頂電極205，如圖7所示。頂電極205可以為鋁、鉬、鈀、金、鎳、鉛、銀或者為鈦等金屬材料，其制備方法可以采用蒸發(fā)、濺射等工藝。以選用與氧化鋅直接接觸存在釘扎現(xiàn)象的金屬銀作為頂電極為例，采用物理氣相沉積(PVD)淀積工藝，在I帕的腔體壓力、150w的功率電源下沉積5分鐘，可以得到約200納米厚的銀薄膜。
[0030]如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構(gòu)成許多有很大差別的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實(shí)例。
【權(quán)利要求】
1.一種利用雙層絕緣層釋放金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，其特征在于，具體步驟為: 在半導(dǎo)體層之上生長一超薄的第一絕緣層； 在所述第一絕緣層之上生長一超薄的不同于第一絕緣層的第二絕緣層； 在所述第二絕緣層之上沉積頂電極。
2.如權(quán)利要求1所述的利用雙層絕緣層釋放金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，其特征在于，所述的半導(dǎo)體層為氧化鋅。
3.如權(quán)利要求1所述的利用雙層絕緣層釋放金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，其特征在于，所述的頂電極為鋁、鉬、鈀、金、鎳、鉛、銀、鈦中的一種。
4.如權(quán)利要求1所述的利用雙層絕緣層釋放金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，其特征在于，所述的第一絕緣層和第二絕緣層材料為氧化鋁、氧化鉿、氧化鈦或者為氧化鋯，第一絕緣層和第二絕緣層構(gòu)成的雙層絕緣層的厚度范圍為1-3納米。
【文檔編號(hào)】H01L21/285GK103474340SQ201310449100
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月28日
【發(fā)明者】孫清清, 鄭珊, 王鵬飛, 張衛(wèi), 周鵬 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)