一種利用雙層絕緣層釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法
【專(zhuān)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(lái)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(jiǎn)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(zhuān)利說(shuō)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?！颈尘凹夹g(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(kāi)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(zhǎng)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(guò)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(wèn)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(zhǎng)一超薄的第一絕緣層；
在所述第一絕緣層之上生長(zhǎng)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(lái)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(jiǎn)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(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)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(shuō)明。在圖中，為了方便說(shuō)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(lái)，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(zhǎng)的薄膜均勻性和可重復(fù)性好，并且可以通過(guò)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(lái)，在氧化鋅半導(dǎo)體層202之上生長(zhǎng)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(lái)，在第一絕緣層203之上生長(zhǎng)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(zhǎng)過(guò)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(lái)，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(shuō)明書(shū)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(zhǎng)一超薄的第一絕緣層； 在所述第一絕緣層之上生長(zhǎng)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(kāi)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)