一種調節金屬與n型鍺肖特基接觸勢壘高度的方法

2023-09-16 08:44:25 4

專利名稱：一種調節金屬與n型鍺肖特基接觸勢壘高度的方法
技術領域：
本發明涉及一種調節金屬與N型鍺肖特基接觸勢壘高度的方法，尤其是涉及一種 採用金屬化合物(如TaN)作為中間層，通過改變中間層的厚度來調節金屬與N型鍺肖特基 接觸勢壘高度的方法。
背景技術：
近年來，採用高介電常數柵介質的金屬一氧化物一半導體場效應電晶體(MOSFET) 特徵尺寸的減小接近其物理極限，使得具有高電子和空穴遷移率的鍺材料成為下一代集 成電路的熱門候選材料之一。目前，人們在鍺的pMOSFET器件上取得長足進步，但是在 nMOSFET上卻遇到很多困難。最近的研究表明，限制鍺的nMOSFET器件性能提高的主要 原因之一是製作MOSFET源漏區金屬與N型鍺接觸發生強烈的費米釘扎效應，導致了較 高的勢壘高度和較大的接觸電阻，阻礙了器件性能的發揮([l]A.Dimoulas，P. Tsipas, A. Sotiropoulos, and Ε. K. Evangelou, Fermi-level pinning and charge neutrality level in germanium, Appl.Phys. Lett. 89,252110(2006)) 目前，緩解這種費米釘扎效應的主要方法是在金屬與N型鍺之間加入一層超 薄(厚度小於 2nm)的氧化物絕緣層([2] Y. Zhou, Μ. Ogawa, Χ. H. Han, and K. L. Wang， Alleviation of Fermi-level pinning effect on metal/germanium interface by insertion of an ultrathin aluminum oxide, Appl. Phys. Lett. 93,202105(2008) ； [3] Τ. Nishimura, K. Kita, and A. Toriumi, A Significant Shift of Schottky Barrier Heights at Strongly Pinned Metal/Germanium Interface by Inserting an Ultra-Thin Insulating Film, Appl. Phys. Express. 1,051406(2008) ； [4]D. Lee, S. Raghunathan, R.J.Wilson, D. E. Nikonov, K. Saraswat and S.X.Wang, . The influence of Fermi level pinning/depinning on the Schottky barrier height and contact resistance in Ge/ CoFeB and Ge/MgO/CoFeB structures，Appl. Phys. Lett. 96，052514 (2010))。然而，這種方 法存在一些缺陷一方面，為了沉積超薄的絕緣層，需要較高的工藝條件；另一方面，由於 絕緣層的電阻大，會引入較大的接觸電阻，工作電流受到一定的限制。為了降低對工藝設備和條件的要求，同時又不至於增加接觸電阻，本申請人提出 在金屬與N型鍺之間加入一層較薄的金屬化合物(如TaN材料)。金屬性的TaN材料具 有良好的熱穩定性和化學穩定性，能作為金屬與半導體間的勢壘阻擋層，與高介電常數柵 介質有較好的粘附性，並且與集成技術的工藝相兼容等優點。這些優點使得TaN材料成為 了納米級CMOS器件金屬柵材料的重要的候選材料之一。通過改變TaN層的厚度，我們可以 很方便地調節金屬與N型鍺肖特基接觸的勢壘高度。此外，金屬性的TaN與低摻雜的N型 鍺接觸可以達到一般金屬與N型鍺接觸所不能達到的低至0. 44eV的肖特基勢壘高度([1] A. Dimoulas, P.Tsipas, A. Sotiropoulos，and Ε. K. Evangelou, Fermi-level pinning and charge neutrality level in germanium，Appl·Phys·Lett·89，252110 (2006))。

發明內容
本發明的目的在於針對現有的金屬與N型鍺接觸存在較高的肖特基勢壘高度與 較大的接觸電阻的缺點，提供一種調節金屬與N型鍺肖特基接觸勢壘高度的方法。本發明包括以下步驟1)將N型鍺襯底進行清洗；2)將清洗後的N型鍺襯底放入PECVD沉積二氧化矽(SiO2)層，再進行光刻，然後 去除二氧化矽(SiO2)層，得到形成沉積金屬窗口的N型鍺襯底；3)將經步驟2)處理後的N型鍺襯底放入磁控濺射機中，先在N型鍺襯底正面沉積 TaN層，然後在TaN層上沉積單質金屬層，再採用剝離工藝獲得金屬/TaN/n-Ge接觸。在步驟1)中，所述N型鍺的電阻率可為0.02 20Qcm，N型鍺的晶面方向可為 (100)，(001)，(111)；所述清洗，最好是去除有機汙染物、氧化物和金屬雜質等物質。在步驟2)中，所述去除二氧化矽(SiO2)層，可利用氫氟酸緩衝溶液腐蝕掉二氧化 矽(SiO2)層。在步驟3)中，所述單質金屬層可以是任意單質金屬層，所述單質金屬層最好選自 鋁層、金層、銀層或鎳層等；所述TaN層的厚度可為0 lOnm。本發明採用金屬TaN作為中間層，製備金屬/TaN/n-Ge肖特基接觸，一方面通過改 變TaN的厚度可以調節金屬/TaN/n-Ge肖特基接觸勢壘高度，另一方面對於製備的工藝條 件要求比用絕緣層作為中間層的要求低得多，而且厚度的變化範圍也比較大(O lOnm)。 由於N型鍺的表面費米能級釘扎在接近Ge的價帶頂的位置，這種強烈的費米釘扎效應使得 金屬與N型鍺接觸形成的肖特基勢壘被釘扎在0. 55 0. 6eV。當在金屬與鍺接觸界面插入 的TaN層的厚度在IOnm以下(含lOnm)時，隨著TaN層厚度的增加，可以逐漸減小金屬在 N型鍺表面形成的界面態，從而降低了肖特基勢壘高度。當TaN層厚度在IOnm以上時，TaN 層體現出體材料的性質，這時在TaN上沉積的金屬將不影響半導體表面，對勢壘高度不起 作用，金屬/TaN/n-Ge肖特基接觸的勢壘高度為TaN/n-Ge肖特基接觸勢壘高度值0. 44eV。當TaN層的厚度在IOnm以下(含lOnm)時，金屬/TaN/n-Ge肖特基接觸勢壘高度 值隨著TaN層厚度的增加而減小，當TaN層的厚度在IOnm以上時，金屬/TaN/n-Ge肖特基 接觸勢壘高度值與TaN層厚度無關，始終保持在0. 44eV。由此可見，本發明是一種簡易、低成本、與微電子工藝兼容的可調節金屬/n-Ge肖 特基接觸勢壘高度的新方法。


圖1為本發明實施例製備金屬/TaN/n-Ge接觸的流程示意圖。圖2為TaN層厚度與金屬/TaN/n-Ge肖特基接觸勢壘高度的關係圖。在圖 2中，橫坐標為氮化鉭的厚度TaN thickness (nm)，縱坐標為電子勢壘高度Electron Barrier HeightOb, (eV) ； 為 Ni/Tan-nGe，□為 Al/TaN-nGe，Δ為 Fe/TaN-nGe，一為 Eye-guiding。
具體實施例方式以下實施例將結合附圖對本發明作進一步的說明。
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實施例1 圖1給出本發明製備金屬/TaN/n-Ge接觸的流程示意圖，其中1為 鍺襯底；2為SiO2層；3為光刻膠；4為TaN層；5為金屬層；6為金屬Al層。首先對電 阻率為0. 043 Ω cm的n-Ge(lOO)襯底進行清洗先利用丙酮、乙醇依次超聲10分鐘，去 除有機汙染物，重複此過程2遍，用冷去離子水清洗；然後將超聲後的N型襯襯底浸泡在 HCl (36 % ) H2O = 1 (ml) 4(ml)溶液中約30s，去除氧化物和金屬雜質，再用冷去離 子水清洗，這個過程需要重複5遍；隨後將浸泡過鹽酸溶液的n-Ge浸泡在HF H2O = 1 (ml) 50 (ml)溶液中約15s，再浸泡去離子水15s，去除氧化物，重複此過程3遍；最後用 氮氣吹乾(見圖1(a))。將清洗後的N型鍺襯底迅速放入真空室中，用等離子體化學汽相澱積的該方法在 N型鍺襯底正面沉積厚度約為300nm的SiO2 (見圖1 (b))；然後，塗上厚度約2 μ m的光刻膠； 再利用光刻版進行光刻；最後將SiO2層利用氫氟酸溶液腐去除，得到沉積金屬的窗口(見 圖 1(c))。緊接著，將經過上述處理後的樣片放入磁控濺射設備中先沉積一層厚度分別為O、 5、10、15、25nm的TaN，再在TaN上沉積400nm的金屬Al ；隨後將樣品浸泡在丙酮中，半天至 1天的時間，進行剝離；從而製備出Al/TaN/n-Ge接觸(見圖1 (d))。TaN厚度調節Al/n-Ge 肖特基勢壘高度的情況見圖2。肖特基勢壘的高度隨著TaN的厚度的增加而逐漸減小，最後 保持在一個恆定值。實施例2 與實施例1類似，其區別在於沉積在TaN層上的為400nm的金屬Ni，且 沉積的TaN厚度分別為0、2、4、6、8、10、15、25nm。最終製備出Ni/TaN/n-Ge接觸，TaN厚度 調節Ni/n-Ge肖特基勢壘高度的情況見圖2。實施例3 與實施例2類似，其區別在於沉積在TaN層上的為400nm的金屬Fe。最 終製備出Fe/TaN/n-Ge接觸，TaN厚度調節Fe/n-Ge肖特基勢壘高度的情況見圖2。本發明是先將N型鍺(n-Ge)片進行清洗、再採用傳統的光刻和腐蝕工藝得到金屬 與N型鍺接觸的窗口 ；然後，利用磁控濺射設備先沉積一層TaN和一層金屬；採用標準光刻 剝離工藝；獲得金屬/TaN/n-Ge接觸。在製作過程中，通過改變TaN的厚度，以實現對金屬 /TaN/n-Ge肖特基接觸勢壘高度調節的目的。
權利要求
一種調節金屬與N型鍺肖特基接觸勢壘高度的方法，其特徵在於包括以下步驟1)將N型鍺襯底進行清洗；2)將清洗後的N型鍺襯底放入PECVD沉積二氧化矽層，再進行光刻，然後去除二氧化矽層，得到形成沉積金屬窗口的N型鍺襯底；3)將經步驟2)處理後的N型鍺襯底放入磁控濺射機中，先在N型鍺襯底正面沉積TaN層，然後在TaN層上沉積單質金屬層，再採用剝離工藝獲得金屬/TaN/n Ge接觸。
2.如權利要求1所述的一種調節金屬與N型鍺肖特基接觸勢壘高度的方法，其特徵在 於在步驟1)中，所述N型鍺的電阻率為0. 02 20 Ω cm。
3.如權利要求1所述的一種調節金屬與N型鍺肖特基接觸勢壘高度的方法，其特徵在 於在步驟1)中，所述N型鍺的晶面方向為(100)，(001)，(111)。
4.如權利要求1所述的一種調節金屬與N型鍺肖特基接觸勢壘高度的方法，其特徵在 於在步驟2)中，所述去除二氧化矽層，是利用氫氟酸緩衝溶液腐蝕掉二氧化矽層。
5.如權利要求1所述的一種調節金屬與N型鍺肖特基接觸勢壘高度的方法，其特徵在 於在步驟3)中，所述單質金屬層是任意單質金屬層。
6.如權利要求1所述的一種調節金屬與N型鍺肖特基接觸勢壘高度的方法，其特徵在 於在步驟3)中，所述單質金屬層為鋁層、金層、銀層或鎳層。
7.如權利要求1所述的一種調節金屬與N型鍺肖特基接觸勢壘高度的方法，其特徵在 於在步驟3)中，所述TaN層的厚度為0 lOnm。
全文摘要
一種調節金屬與N型鍺肖特基接觸勢壘高度的方法，涉及一種調節金屬與N型鍺肖特基接觸勢壘高度的方法。提供一種調節金屬與N型鍺肖特基接觸勢壘高度的方法。將N型鍺襯底進行清洗；將清洗後的N型鍺襯底放入PECVD沉積二氧化矽層，再進行光刻，然後去除二氧化矽層，得到形成沉積金屬窗口的N型鍺襯底；將處理後的N型鍺襯底放入磁控濺射機中，先在N型鍺襯底正面沉積TaN層，然後在TaN層上沉積單質金屬層，再採用剝離工藝獲得金屬/TaN/n-Ge接觸。是一種簡易、低成本、與微電子工藝兼容的可調節金屬/n-Ge肖特基接觸勢壘高度的新方法。
文檔編號H01L21/28GK101916719SQ201010231280
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月17日 優先權日2010年7月17日
發明者吳政, 李成, 賴虹凱, 陳松巖 申請人:廈門大學