一种利用双层绝缘层释放费米能级钉扎的方法
【专利摘要】本发明属于半导体集成电路【技术领域】，具体涉及一种利用双层绝缘层释放金属和半导体接触时费米能级钉扎的方法。本发明在金属和半导体之间插入一超薄的双层绝缘层，利用绝缘层和半导体之间形成的电偶极子以及两层绝缘层之间形成的电偶极子来拉低由于金属和半导体接触时费米能级钉扎所形成的高的肖特基势垒高度，方法简单有效，而且能够有效地释放费米能级钉扎，减小肖特基势垒高度，减小金属与半导体的接触电阻，实现欧姆接触。
【专利说明】一种利用双层绝缘层释放费米能级钉扎的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体集成电路【技术领域】，具体涉及一种释放费米能级钉扎的方法。【背景技术】
[0002]随着大规模集成电路技术的不断发展，半导体器件正朝着小型化、高速化、高集成度和低能耗的方向发展，已臻成熟的非晶硅薄膜晶体管工艺逐渐显露其局限性，主要体现在迁移率低、不透明性和带隙小，这制约了器件的速度、开口率。氧化锌是一种宽带隙(3.37eV)的I1-V族η型透明半导体材料，具有高熔点、高激子束缚能及激子增益、外延生长温度低、成本低、易刻蚀等优点，因此氧化锌基的薄膜场效应晶体管(TFT)被认为是取代当前大规模产业化的非晶硅薄膜场效应晶体管的下一代金属-氧化物-半导体场效应晶体管。
[0003]薄膜场效应晶体管的源、漏电极材料要求电阻率低、与半导体的接触为欧姆接触且界面的肖特基势垒小。理论上，对于η型氧化锌薄膜场效应晶体管，应选择低功函数的金属作为源漏电极，如铝、银、钛等金属材料。P型氧化锌薄膜场效应晶体管应选择功函数高的金属作为源漏电极，如金、铅、镍、钼等金属材料。然而，实际上，金属和氧化锌接触时很难达到理想的结果，这是由于金属和半导体的接触面上总界面能最小化导致了电荷密度的松弛，产生了一个界面偶极子，使得金属的费米能级被钉扎在较高的位置，这种情况下，金属的有效功函数偏离了它在真空中的数值，导致实际的肖特基势垒偏大，且使用不同功函数的金属材料对肖特基势垒高度的调节影响不大。
[0004]目前，获得η型氧化锌薄膜场效应晶体管的源、漏欧姆接触的方法主要是通过快速退火和表面处理，在半导体表面产生大量的施主缺陷，使得费米能级向导带底移动，载流子易于隧穿，从而获得好的接触。该方法存在的问题是当退火温度较高(600°C)时，由于金属与η型氧化锌界面反应相的变化、金属之间的相互扩散和氧化锌的分解等因素，使得表面变得粗糙，造成接触电阻增加。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的在于提出一种释放金属和半导体接触时费米能级钉扎的方法，以减小肖特基势垒高度，提高薄膜晶体管的性能。
[0006]为达到本发明的上述目的，本发明提出了一种利用双层绝缘层释放金属和半导体接触时费米能级钉扎的方法，具体步骤为:
在半导体层之上生长一超薄的第一绝缘层；
在所述第一绝缘层之上生长一超薄的不同于第一绝缘层的第二绝缘层；
在所述第二绝缘层之上沉积顶电极。
[0007]本发明中，所述的半导体层材料为氧化锌。
[0008]如上所述的利用双层绝缘层释放金属和半导体接触时费米能级钉扎的方法，所述的顶电极可以为铝、钼、钯、金、镍、铅、银或者为钛。[0009]本发明中，所述的第一绝缘层和第二绝缘层材料可以为氧化铝、氧化铪、氧化钛或者为氧化锆；第一绝缘层和第二绝缘层构成的双层绝缘层的厚度范围为1-3纳米。
[0010]本发明在金属和半导体之间插入一超薄的双层绝缘层，利用绝缘层和半导体之间形成的电偶极子以及两层绝缘层之间形成的电偶极子来拉低由于金属和半导体接触时费米能级钉扎所形成的高的肖特基势垒高度，方法简单有效，而且能够有效地释放费米能级钉扎，减小肖特基势垒高度，减小金属与半导体的接触电阻，实现欧姆接触。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明所提出的利用双层绝缘层释放金属和半导体接触时费米能级钉扎的一个实施例的截面图。
[0012]图2为插入双层绝缘层后金属和半导体接触时的能带图。其中，Ca)为金属和半导体直接接触时的能带图，(b)为在金属和半导体间插入双层绝缘层后的能带图。
[0013]图3-图7为本发明所提出的利用双层绝缘层释放金属和半导体接触时费米能级钉扎的方法的一个实施例的工艺流程图。
[0014]图中标号:101为氧化锌半导体层，102为第一绝缘层，103为第二绝缘层，104为金属层。
【具体实施方式】
[0015]面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。在图中，为了方便说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。
[0016]图1为本发明所提出的利用双层绝缘层释放金属和半导体接触时费米能级钉扎的一个实施例的截面图，如图1，所示101为氧化锌半导体层，所示102为第一绝缘层，所示103为第二绝缘层，所述104为金属层。第一绝缘层102和第二绝缘层103的材料不同，并均可以为氧化铝、氧化铪、氧化钛或者为氧化锆等高介电常数材料，同时，由第一绝缘层102和第二绝缘层103构成的双层绝缘层的厚度范围优选为1-3纳米。金属层104可以为铝、钼、钯、金、镍、铅、银或者为钛等金属材料。
[0017]图2为金属和半导体接触时的能带图，其中，Ca)为金属和半导体直接接触时的能带图，(b)为在金属和半导体间插入双层绝缘层后的能带图。在金属和半导体直接接触时，由于金属和半导体的接触面上总界面能最小化导致了电荷密度的松弛，产生了一个界面偶极子，使得金属的费米能级被钉扎在较高的位置，金属的有效功函数偏离了它在真空中的数值，导致实际的肖特基势垒(Ob.eff)偏大。在金属和半导体之间插入一超薄的双层绝缘层(比如为氧化铝和氧化铪)后，在绝缘层和半导体之间以及两层绝缘层之间形成的正的电偶极子，电偶极子能够将肖特基势垒高度拉低，从而降低肖特基势垒高度、实现欧姆接触。
[0018]图3-图7为本发明所提出的利用双层绝缘层释放金属和半导体接触时费米能级钉扎的方法的一个实施例的工艺流程图。
[0019]首先，如图3所示，将提供的半导体衬底200进行标准化学清洗工艺清洗，再用去离子水漂洗干净，然后用高纯氮将其吹干。接着，在衬底200上沉积底电极201。
[0020]半导体衬底200可以为硅、绝缘体上的硅，也可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜等塑料衬底。底电极201可以为铝、钼、钯、金、镍、铅、银或者为钛等金属材料，也可以为氧化铟锡等透明电极材料。
[0021]以在PET衬底和ITO底电极为例，将沉积好ITO底电极的衬底放入丙酮中超声清洗5分钟，然后用去离子水将衬底冲洗干净，再用高纯氮将其吹干。
[0022]接下来，在底电极201之上沉积氧化锌半导体层202，如图4所示。
[0023]氧化锌半导体层的制作方法可以采用分子束外延、磁控溅射技术、金属有机物化学气相沉积、脉冲激光淀积、喷雾热分解、溶胶-凝胶法和原子层淀积等，该方法都是业界所熟知的。以采用原子层淀积氧化锌为例，以二乙基锌(DEZn)和水(H2O)为反应前驱体，反应温度为200°C，反应腔气压为5托。单个反应周期包括将液态的二乙基锌挥发的气体通入反应腔，反应时间为500ms，再通入2s的氮气清除未反应的金属有机前驱体和副产物；将水蒸气通入反应腔，反应时间为500ms，再通入2s的氮气清除未反应的水蒸气和副产物。反应进行250个周期，得到约54纳米厚的氧化锌薄膜。采用原子层淀积工艺生长的薄膜均匀性和可重复性好，并且可以通过改变淀积的周期数非常精确地控制薄膜的厚度。
[0024]接下来，在氧化锌半导体层202之上生长第一绝缘层203，如图5所示。
[0025]第一绝缘层的材料可以为氧化铝、氧化铪、氧化钛、氧化锆等高介电常数材料。本发明实施例以采用原子层淀积氧化铝为例。以三甲基铝(TMA)和H2O为反应前驱体，反应温度为200°C，反应腔气压为5托。单个反应周期包括将液态的三甲基铝挥发的气体通入反应腔，反应时间为100ms，再通入Is的氮气清除未反应的金属有机前驱体和副产物；将水蒸气通入反应腔，反应时间为100ms，再通入Is的氮气清除未反应的水蒸气和副产物。反应进行10个周期，得到约1.3纳米厚的氧化铝薄膜。
[0026]接下来，在第一绝缘层203之上生长第二绝缘层204，如图6所示。
[0027]第二绝缘层204的材料可以为氧化铝、氧化铪、氧化钛、氧化锆等高介电常数材料，但应与第一绝缘层203的材料不同。本发明实施例以原子层淀积氧化铪为例。以四乙基甲基氨基铪(TEMAH)和H2O为反应前驱体，反应前，先将原子层淀积反应腔加热到300°C，前驱体TEMAH加热到70°C，并在整个生长过程中保持温度不变，反应腔气压为5托。单个反应周期包括将加热的铪的有机物反应前驱体TEMAH挥发出的气体以氮气作为载体气体流通入反应腔，反应时间为ls，再通入3s的氮气清除未反应的金属有机前驱体和副产物；将水蒸气通入反应腔，反应时间为300ms，再通2s的氮气清除未反应的水蒸气和副产物。反应进行10个周期，得到大约0.8纳米厚的氧化铪薄膜。
[0028]由第一绝缘层203和第二绝缘层204构成的双层绝缘层的厚度应优选为1_3纳米之间。
[0029]接下来，在第二绝缘层204之上沉积积顶电极205，如图7所示。顶电极205可以为铝、钼、钯、金、镍、铅、银或者为钛等金属材料，其制备方法可以采用蒸发、溅射等工艺。以选用与氧化锌直接接触存在钉扎现象的金属银作为顶电极为例，采用物理气相沉积(PVD)淀积工艺，在I帕的腔体压力、150w的功率电源下沉积5分钟，可以得到约200纳米厚的银薄膜。
[0030]如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。
【权利要求】
1.一种利用双层绝缘层释放金属和半导体接触时费米能级钉扎的方法，其特征在于，具体步骤为: 在半导体层之上生长一超薄的第一绝缘层； 在所述第一绝缘层之上生长一超薄的不同于第一绝缘层的第二绝缘层； 在所述第二绝缘层之上沉积顶电极。
2.如权利要求1所述的利用双层绝缘层释放金属和半导体接触时费米能级钉扎的方法，其特征在于，所述的半导体层为氧化锌。
3.如权利要求1所述的利用双层绝缘层释放金属和半导体接触时费米能级钉扎的方法，其特征在于，所述的顶电极为铝、钼、钯、金、镍、铅、银、钛中的一种。
4.如权利要求1所述的利用双层绝缘层释放金属和半导体接触时费米能级钉扎的方法，其特征在于，所述的第一绝缘层和第二绝缘层材料为氧化铝、氧化铪、氧化钛或者为氧化锆，第一绝缘层和第二绝缘层构成的双层绝缘层的厚度范围为1-3纳米。
【文档编号】H01L21/285GK103474340SQ201310449100
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月28日 优先权日:2013年9月28日
【发明者】孙清清, 郑珊, 王鹏飞, 张卫, 周鹏 申请人:复旦大学