一种NiGe/n-Ge肖特基二极管的制备方法

一种nige/n-ge肖特基二极管的制备方法
技术领域
1.本发明属于硅基材料与器件领域，特别涉及一种nige/n-ge肖特基二极管的制备方法。


背景技术：

2.锗(ge)由于超高的电子和空穴迁移率被认为是下一代高迁移率互补金属氧化物半导体(cmos)器件中具有前景的沟道材料。但是ge价带附近的费米能级钉扎增加了通过选择具有不同功函数的金属来调节金属和锗之间的势垒高度的难度。同时，金属锗化物也兼容自对准工艺成为很好的源/漏接触、互连的材料，其中nige由于低电阻率，低形成温度，低衬底消耗率被认作是最具前景的金属锗化物，然而nige在退火温度达到400℃以上时，会出现团聚现象，严重影响器件的性能。
3.国内外提出使用插入层来调节金属/ge接触势垒高度，如：j.-y.jason lin等提出使用tio2界面层降低金属/n-ge肖特基势垒高度，r.r.lieten等人提出使用ge3n4界面层抑制金属/n-ge的费米能级钉扎，liu等人提出氟化石墨烯中间层能够有效地缓解ti/n-ge的费米能级钉扎，masaharu kobayashi等人提出使用超薄的si3n4中间层能调制金属/锗的肖特基势垒高度。
4.也有报道使用插入层来提高nige热稳定性的方法，shiyang zhu等人提出使用ti插入层能使nige在450到550℃保持热稳定、jae-wook lee等人提出使用zr插入层能使nige热稳定性提升高550℃、geon-ho shin等人提出使用co插入层能使nige在450到570℃保持热稳定等。
5.但是在目前现有技术中，国内外并未有人做到使nige在400℃到600℃保持热稳定的同时缓解费米能级钉扎效应，降低nige/n-ge的肖特基势垒高度，为此锗基器件的发展还面临着巨大的挑战。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种nige/n-ge肖特基二极管的制备方法，以克服现有技术中锗基器件具有费米能级钉扎效应以及热稳定性不高的缺陷。
7.本发明还提供一种nige/n-ge肖特基二极管的制备方法，包括：
8.(1)将ge片作为衬底，预处理；
9.(2)在步骤(1)中预处理的ge片上长隔离层，光刻出图形，再经过一次光刻；
10.(3)光刻后依次蒸镀al和ni，al的厚度为0.8～1.1nm，ni的厚度为8～12nm，然后去除不在图形内的金属；
11.(4)去除不在图形内的金属后退火，再去除多余的ni，蒸镀正反电极。
12.优选地，所述步骤(1)中ge片为：电阻率为0.05-0.25ωcm的n型(110)的ge片。
13.优选地，所述步骤(1)中预处理为：使用循环稀释的的hf清洗ge片，去除表面原生氧化层，其中hf浓度为0.5～1.5％。
14.优选地，所述步骤(2)中隔离层为sio2，sio2厚度为90～110nm。
15.优选地，所述步骤(2)中长隔离层采用的方法为离子增强化学气相淀积。
16.优选地，所述步骤(2)中光刻为：用cf4气体刻蚀暴露的隔离层。
17.优选地，所述步骤(3)中蒸镀al和ni是采用电子束蒸发。
18.优选地，所述步骤(3)中去除不在图形内的金属是采用lift-off工艺。
19.优选地，所述步骤(4)中退火的工艺参数为：以n2为气氛，在300℃-600℃下退火25～35s。其中n2为99.999％高纯n2。
20.优选地，所述步骤(4)中去除多余的ni是采用稀盐酸，稀盐酸浓度为8～12％。
21.优选地，所述步骤(4)中蒸镀采用电子束蒸发。
22.优选地，所述步骤(4)中正反电极为al，al的厚度为110～120nm。
23.本发明还提供一种上述方法制备得到的ni/al/n-ge肖特基二极管。
24.本发明还提供一种上述方法制备得到的ni/al/n-ge肖特基二极管在开关电源、变频器或驱动器中的应用。
25.有益效果
26.本发明将1nmal插入层用在nige/n-ge sbds中，成ni/al/n-ge三明治结构，在退火后，可以有效缓解费米能级钉扎效应，降低nige/n-ge肖特基势垒高度，并且使得nige在400℃到600℃保持热稳定性，抑制nige的团聚，为未来ge基mosfet源/漏接触的发展提供了新思路。
附图说明
27.图1为本发明工艺流程图和带有al中间层的nige/n-ge sbd结构图。
28.图2为本发明不同厚度的al插入层调制ni/n-ge在450℃后的xtem图，其中a)al的厚度为0nm；b)al的厚度为1nm；c)al的厚度为3nm；d)al的厚度为5nm。
29.图3为本发明ni/(1nm)al/ge与ni/ge在不同退火温度后的rs变化趋势图。
30.图4为本发明ni/(1nm)al/ge与ni/ge在不同退火温度后的rq变化趋势图。
31.图5为本发明1nm al插入层的样品在400℃退火后的xtem测试图(a)和edx图(b)。
32.图6为本发明不同温度退火后的sbds的i-v特性图，其中(a)为ni/ge，(b)为ni/al/ge。
33.图7为本发明对比例1中样品不同退火温度下方块电阻变化图。
34.图8为本发明对比例1中样品不同退火温度下表面均方根粗糙度变化图。
35.图9为本发明对比例1中ni/ti(1nm)/ge在不同退火温度下的的tem图，其中(a)退火温度为300℃；(b)退火温度为400℃，(c)退火温度为450℃。
具体实施方式
36.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
37.实施例1
38.本实施例提供一种nige/n-ge肖特基二极管的制备方法，包括：
39.(1)采用电阻率为0.05-0.25ωcm的n型(110)的ge片作为衬底，首先使用循环稀释的的hf(1％)清洗ge片，去除表面原生氧化层；
40.(2)再用等离子增强化学气相淀积在ge上长100nm的sio2作为隔离层，接着光刻出图形，用cf4气体刻蚀暴露的sio2，再经过一次光刻；
41.(3)再经过一次光刻后用电子束蒸发(本发明所用电子束蒸发设备是qbox-450，在清洗完ge片的20分钟内，需要把ge片用高温导热胶贴到电子束蒸发系统的旋转基片上，并开始抽真空，等到真空度达到5e-4pa的时候开始设置蒸发电压、蒸发电流，镀膜速率和设定膜厚，如下表所示)依次蒸镀1nmal和10nmni，金属剥离工艺去除不在图形内的的金属；
42.材料真空度(pa)蒸发电压蒸发电流镀膜速率设定膜厚al5.00e-049.05mv180ma0.2a/s10ani5.00e-049.05mv150ma2a/s100a
43.(4)然后分别在350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃下用99.999％高纯n2为气氛快速热退火30s，再用10％的稀盐酸去除多余的ni，最后用电子束蒸发蒸镀150nmal作为正反电极。
44.根据上述方法，没有1nmal插入层，其余均与上述方法相同，作为对照组。
45.图3的测试方法为：四探针测测电阻，在常温下测量，用四根等间距排列在一条直线上的金属探针按压在样品表面，第一根和第四根之间通电流，第二跟和第三根之间测量电压。
46.图4的测试方法：原子力显微镜测表面均方根粗糙度，在常温常压下测量，用的是tapping模式，探针型号是rtesp-300硅探针，特征频率约为300khz，原子力显微镜是bruker公司生产的型号为multimode8原子力显微镜。
47.图5的测试方法为：用能量色散x射线光谱测量，要保证样品在真空下测量。
48.把350℃、400℃、450℃退火后的样品用i-v测量使用半导体参数分析仪(keithley4200)在300k的黑暗条件下进行测试，得到了i-v特性图如图6所示。
49.根据热离子发射模型，可以确定sbd正向偏置电流i为：
[0050][0051]
式中q为电子电荷(取1.6
×
10-19
c)，v为外加偏置电压，k为玻尔兹曼常数(取k＝1.38
×
10-23
j/k)，t是绝对温度t＝t+273℃(t为环境温度，单位为℃)，rs是串联电阻，n为理想因子，饱和电流i0可以从lni与(v-irs)的曲线在v＝0时获得，i0为：
[0052][0053]
其中a为接触的有效面积(取4
×
10-8
m2)，a
**
是理查德常数，对于n型ge来说约等于50acm-2
k-2
，фb为肖特基势垒，фb为：
[0054][0055]
通过计算可得肖特基势垒高度如表1所示，发现使用1nmal插入层的ni/n-ge sbds
能有效缓解费米能级钉扎，降低肖特基势垒高度。
[0056]
表1 ni/ge和ni/(1nm)al/ge sbds的肖特基势垒高度
[0057]
退火温度有1nmal插入层没有1nmal插入层350℃0.35ev0.38ev400℃0.35ev0.38ev450℃0.32ev0.37ev
[0058]
图2表明：没有al插入层的样品此时发生了严重的团聚现象，有1nmal插入层的样品此时形成了连续均匀的nige薄膜，且nige与ge衬底的界面之间平整，样品表面平滑抑制了团聚现象，而3nm和5nmal插入层的样品阻挡了ni与ge的反应。
[0059]
图3和图4表明：有1nmal插入层的样品在不同退火温度后的rs和rq变化趋势图一致，在400℃-600℃之间有个稳定的窗口，由此认为用1nmal插入层调制ni/ge能抑制高温团聚，且在400℃-600℃保持热稳定性。
[0060]
图5表明：此时al原子分布在样品的表面，从插入层转变为了盖帽层，约25nm厚的nige薄膜中的ni与ge的原子分布均匀且大约为1:1，形成的是单一的nige相。
[0061]
对比例1
[0062]
根据实施例1，将实施例1中蒸镀1nmal修改为蒸镀1nmti，退火温度为300℃、400℃、450℃，其余均与实施例1相同。
[0063]
由图6和图7可知，采用1nmti作为插入层的时候，nige在退火温度大于400℃就会陡增，热稳定性较差。
[0064]
图8表明：1nmti在450℃退火后nige/ge界面不平整，会影响器件性能。