專利名稱：通過n型半導(dǎo)體局部表面能級(jí)解釘扎優(yōu)化金半接觸結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過N型硅或鍺半導(dǎo)體局部表面費(fèi)米能級(jí)解釘扎優(yōu)化金半接觸結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
1995年，Van Duyne研究組首次提出了納米球刻蝕技術(shù)(Nanosphere lithography)，將尺寸均勻的聚苯乙烯納米球懸濁液滴在襯底上，形成單層或雙層緊密排列的納米球?qū)?，利用該層作為掩膜，進(jìn)行后續(xù)金屬淀積，可以形成規(guī)律排列的金屬顆粒，然后用丙酮超聲的方法可以很容易地去除納米球?qū)?。整個(gè)過程不需要光刻處理，因此是一種非常實(shí)用的自對(duì)準(zhǔn)工藝方法。另外，對(duì)于單層排列的納米球，其原有尺寸可以通過后續(xù)的化等離子刻蝕方法加以控制，進(jìn)一步獲得更多的掩模圖形，因而使得納米球刻蝕技術(shù)變得更加實(shí)用。用于納米球刻蝕法的納米球主要為聚苯乙烯(Polystyrene，PS)材料，而PS微球的制備技術(shù)也在迅速發(fā)展當(dāng)中，比較成熟的方法有乳液聚合法、無(wú)皂乳液局核發(fā)、懸浮聚合法和分散聚合法，已可以制備出粒徑范圍在0. Ium^lOOOum的PS微球。眾所周知，對(duì)于半導(dǎo)體而言，其表面往往存在著相當(dāng)嚴(yán)重的費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)，由于費(fèi)米能級(jí)釘扎位置往往距離半導(dǎo)體的導(dǎo)帶較遠(yuǎn)，因而一般的金半接觸往往對(duì)于電子有著較高的勢(shì)壘。通過在金半接觸之間插入超薄的介質(zhì)層是一種非常實(shí)用的費(fèi)米能級(jí)解釘扎方法，一方面介質(zhì)層的形成過程可以有效鈍化半導(dǎo)體表面，降低界面態(tài)濃度，另一方面介質(zhì)層的阻擋作用也可以有效抑制金屬誘導(dǎo)能隙態(tài)的產(chǎn)生，這兩方面都可以有效地降低費(fèi)米能級(jí)的釘扎效應(yīng)。而且，超薄的介質(zhì)層一般只產(chǎn)生較小的附加電阻，對(duì)電路性能影響較小。通過掩膜的方法對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行選擇性地局部解釘扎，從而實(shí)現(xiàn)高、低勢(shì)壘在金半接觸表面的并聯(lián)分布，是一種有效的優(yōu)化金半接觸的方法。在正向偏壓下，該種金半接觸的工作電流主要經(jīng)由解釘扎區(qū)域流通，因而可以保證較高的工作電流，而在反向偏壓下，釘扎區(qū)耗盡層的擴(kuò)展將在解釘扎區(qū)域形成另一個(gè)較高的勢(shì)壘，從而降低該區(qū)域的漏電流。因此這種通過局部解釘扎優(yōu)化的金半接觸可以獲得接近低勢(shì)壘金半接觸的工作電流，以及接近高勢(shì)壘金半接觸的漏電流。將PS微球掩膜和半導(dǎo)體表面能級(jí)局部解釘扎的方法相結(jié)合，既可以達(dá)到工藝自對(duì)準(zhǔn)、節(jié)省工藝步驟的優(yōu)勢(shì)，又可以獲得高工作電流、低漏電流的金半接觸。同時(shí)，由于未解釘扎區(qū)域在RIE刻蝕襯底產(chǎn)生的凹坑里，這對(duì)于耗盡層向低勢(shì)壘區(qū)域的擴(kuò)展更有益處，從而可以獲得更低的漏電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種通過自對(duì)準(zhǔn)刻蝕方法實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體表面局部解釘扎，進(jìn)而獲得高工作電流、低漏電流的優(yōu)化金半接觸結(jié)構(gòu)的方法。
本發(fā)明提出的優(yōu)化金半接觸結(jié)構(gòu)的方法，是利用PS微球作為掩膜，利用超薄介質(zhì)層實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體表面的局部解釘扎，得到金半接觸結(jié)構(gòu)，整個(gè)工藝步驟具有自對(duì)準(zhǔn)的特點(diǎn)，另外， 局部解釘扎的半導(dǎo)體表面可以實(shí)現(xiàn)高低勢(shì)壘規(guī)律分布的金半接觸，具有高工作電流、低漏電流的性能優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明提出的優(yōu)化金半接觸(疊層接觸)結(jié)構(gòu)的方法，具體步驟為
1、將PS微球通過超聲振蕩均勻分散于乙醇溶液中；
2、通過旋涂法在經(jīng)清潔處理的半導(dǎo)體襯底(例如Si)表面形成緊密排列的PS微球單層
膜；
3、利用氧等離子體反應(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)對(duì)PS微球進(jìn)行刻蝕，使PS微球的直徑縮減，達(dá)到預(yù)期的直徑后，停止刻蝕；此時(shí)，PS微球在襯底表面已經(jīng)不再是緊密排列，而是變成相互間有一定間隙的微球陣列；
4、以PS微球整列作為掩模，利用CF4+Ar等離子體RIE技術(shù)對(duì)襯底材料進(jìn)行刻蝕；
5、利用PVD技術(shù)大面積淀積較低功函數(shù)的金屬作為電極；
6、通過在丙酮溶液中超聲振蕩去除襯底表面的PS微球，烘干并退火，形成穩(wěn)定的金屬半導(dǎo)體接觸；
7、利用合適的超薄介質(zhì)層生成技術(shù)在半導(dǎo)體表面生成具有解釘扎效果的超薄介質(zhì)層， 此時(shí)金屬表面亦有超薄介質(zhì)層出現(xiàn)；
8、利用PVD技術(shù)大面積淀積與步驟5中所述相同的低功函數(shù)金屬，不再進(jìn)行退火處理。本發(fā)明方法中，步驟1采用的PS微球直徑為0. flum。本發(fā)明方法中，步驟2所述的半導(dǎo)體為硅、鍺等表面費(fèi)米能級(jí)釘扎位置遠(yuǎn)離導(dǎo)帶的半導(dǎo)體材料。本發(fā)明方法中，步驟4襯底刻蝕深度為0. Hum。本發(fā)明方法中，步驟5淀積的金屬可以選擇Al、Mg、％等功函數(shù)較小的金屬，金屬層厚度與刻蝕深度保持一致。本發(fā)明方法中，步驟6采用的退火溫度650--750°C，退火時(shí)間50—70s ； 本發(fā)明方法中，步驟7中制備的超薄介質(zhì)層可以為半導(dǎo)體材料的氧化、氮化層，或
A1203、A13N4、MgO等金屬氧化、氮化層，制備方法包括表面氧化、氮化、等離子體處理、原子層淀積(ALD)、物理汽相淀積(PVD)等。本發(fā)明由于采用PS微球作為掩膜，整個(gè)工藝流程不需要光刻等步驟，具有自對(duì)準(zhǔn)的特點(diǎn)，優(yōu)化了工藝步驟。另外，高勢(shì)壘區(qū)位于RIE刻蝕形成的凹坑中，能夠使得反向偏壓下金半接觸高勢(shì)壘區(qū)域的耗盡層更好地?cái)U(kuò)展進(jìn)入低勢(shì)壘區(qū)域，從而使得該金半接觸的漏電流更低。本發(fā)明的具體操作步驟如下
1、基于已經(jīng)過清洗處理的表面清潔的N型半導(dǎo)體襯片(如Si片)以及直徑為0.rium 的PS微球，將PS微球在乙醇溶液中超聲振蕩30min，使其均勻分散；
2、通過旋涂法在半導(dǎo)體襯片表面形成緊密排列的PS微球單層膜；
3、利用氧等離子體反應(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)對(duì)PS微球進(jìn)行刻蝕，將PS微球的直徑進(jìn)行縮減，達(dá)到預(yù)期的直徑后，停止刻蝕；
4、以PS微球陣列作為掩模，利用CF4+Ar等離子體RIE技術(shù)對(duì)襯底半導(dǎo)體材料(例如Si) 進(jìn)行刻蝕；5、利用PVD技術(shù)大面積淀積Al、Mg、％等較低功函數(shù)的金屬，厚度與上一步中刻蝕深度
保持一致；
6、通過在丙酮溶液中超聲振蕩去除襯片表面的PS微球，烘干并退火，形成穩(wěn)定的金屬半導(dǎo)體接觸；
7、利用ALD、PVD、表面氮化、氧化等超薄介質(zhì)層生成技術(shù)在半導(dǎo)體表面生成具有解釘扎效果的超薄介質(zhì)層，如Si3N4、Al203、Al3N4、Mg0等；
8、利用PVD技術(shù)大面積淀積與步驟5相同的低功函數(shù)金屬，不再進(jìn)行退火處理。


圖1一圖7為工藝流程的示意圖(側(cè)視圖)。其中，圖7為最后工藝步驟形成的器件側(cè)視圖。圖中標(biāo)號(hào)1為PS微球，2為半導(dǎo)體襯底，如Si、Ge襯底，3為較低功函數(shù)金屬，如 Al、Mg、Yb 等，4 為超薄介質(zhì)層，如 Si3N4, Al2O3^ Ge3N4, MgO 等。
具體實(shí)施例方式下面通過具體工藝步驟來進(jìn)一步描述本發(fā)明
1、基于已經(jīng)過清洗處理的表面清潔的N型Si片以及直徑為0.35um的PS微球，將PS 微球在乙醇溶液中超聲振蕩30min，使其均勻分散；
2、通過旋涂法，首先850r/min旋涂10s，然后3500r/min旋涂10s，最后8000r/min旋涂30s，在半導(dǎo)體襯片表面形成緊密排列的PS微球單層膜，如圖1所示；
3、利用RIE技術(shù)通過0等離子體干法刻蝕對(duì)PS微球的直徑進(jìn)行削減，O2流量為 20sccm，功率為100W，刻蝕時(shí)間lOmin，PS微球直徑減少0. lum，如圖2所示；
4、利用RIE技術(shù)通過CF4+Ar等離子體干法刻蝕對(duì)襯片表面進(jìn)行大面積刻蝕，PS微球單層膜作為掩膜，CF4流量為30SCCm，Ar流量為kccm，功率為100W，刻蝕時(shí)間為lOmin，氣壓為4Pa，襯底刻蝕深度最大值控制在lOOnm，如圖3所示；
5、利用PVD技術(shù)大面積淀積金屬Al，厚度與上一步中刻蝕深度保持一致，真空度 10 ，淀積功率150W,淀積時(shí)間8000s。薄膜厚度IOOnm,如圖4所示；
6、通過在丙酮溶液中超聲振蕩IOmin去除襯片表面的PS微球，烘干并退火，退火溫度 700°C，退火時(shí)間60s，形成穩(wěn)定的Al-Si金屬半導(dǎo)體接觸，如圖5所示；
7、將樣品裝載入超高真空腔內(nèi)，利用直流等離子源超聲NH3等離子體，反應(yīng)溫度400°C， 反應(yīng)時(shí)間30s，生成約0. 7nm的Si3N4，同時(shí)金屬表面亦生成薄層AlNx，如圖6所示；
8、利用PVD技術(shù)大面積淀積金屬Al，真空度10_5Pa，淀積功率150W，淀積時(shí)間4000s，薄膜厚度50nm，如圖7所示。
權(quán)利要求
1.一種通過N型半導(dǎo)體局部表面費(fèi)米能級(jí)解釘扎優(yōu)化金半接觸結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于具體步驟為(1)將PS微球通過超聲振蕩均勻分散于乙醇溶液中；(2 )通過旋涂法在已經(jīng)過清潔處理的N型半導(dǎo)體襯底表面形成緊密排列的PS微球單層膜；(3)利用氧等離子體反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)對(duì)PS球進(jìn)行刻蝕，將PS微球的直徑進(jìn)行縮減， 達(dá)到預(yù)期的直徑后，停止刻蝕；(4)以PS微球陣列作為掩模，利用CF4+Ar等離子體RIE技術(shù)對(duì)襯底材料進(jìn)行刻蝕；(5)利用PVD技術(shù)大面積淀積金屬電極；(6)在丙酮溶液中超聲振蕩，去除襯底表面的PS微球，烘干并退火，形成穩(wěn)定的金屬半導(dǎo)體接觸；(7)利用超薄介質(zhì)層生成技術(shù)在半導(dǎo)體表面生成具有解釘扎效果的超薄介質(zhì)層，此時(shí)金屬表面亦有超薄介質(zhì)層出現(xiàn)；(8)利用PVD技術(shù)大面積淀積與步驟(5)相同的金屬電極，不再進(jìn)行退火處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)中所述的PS微球直徑為0.廣lum。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(2)中所述的半導(dǎo)體為硅、鍺表面費(fèi)米能級(jí)釘扎位置遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底的半導(dǎo)體材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于步驟(4)中所述的襯底刻蝕深度為 0. 1 2um。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于步驟(5)中所述的電極金屬選用Al、 Mg或％功函數(shù)較小的金屬，厚度與刻蝕深度保持一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于步驟(6)中所述的退火溫度為 65(T750°C，退火時(shí)間 50 70s。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于步驟(7)中所述的超薄介質(zhì)層為半導(dǎo)體材料的氧化、氮化層，或A1203、Al3N4, MgO金屬氧化、氮化層，制備方法包括表面氧化、氮化、等離子體處理、原子層淀積或物理汽相淀積。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種通過N型半導(dǎo)體襯底局部表面費(fèi)米能級(jí)解釘扎優(yōu)化金半接觸結(jié)構(gòu)的方法。本發(fā)明利用PS微球作為掩膜，將單層密布的PS微球作為模板，結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕形成期望的圖形。進(jìn)而在PS微球的掩蔽下，淀積金屬接觸電極，然后去除PS微球，經(jīng)退火處理，形成局部高勢(shì)壘金半接觸。再對(duì)暴露出的半導(dǎo)體表面實(shí)行局部解釘扎處理，再次淀積同一種金屬電極材料形成低勢(shì)壘金半接觸，從而最終在同一塊半導(dǎo)體襯底上實(shí)現(xiàn)高低勢(shì)壘在金半接觸界面上的規(guī)律分布，因而提高正向工作電流、降低反向漏電流。本發(fā)明通PS球自對(duì)準(zhǔn)刻蝕技術(shù)與局部解釘扎技術(shù)的結(jié)合，達(dá)到了良好的金半接觸結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果。
文檔編號(hào)H01L21/04GK102543690SQ20121000432
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者于浩, 屈新萍, 張衛(wèi), 李炳宗, 茹國(guó)平, 蔣玉龍 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)