CN101320682B - 一种改善金属-p型半导体欧姆接触性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件制造技术，为一种改善金属-P型半导体欧姆接触性能的方法。其过程为：①先合成和提纯纳米碳管；②在P型半导体上制备纳米碳管薄膜；③在纳米碳管碳薄膜上制备一层介质膜；再沉积一层光刻胶；然后利用半导体微纳制作技术在光刻胶上定义所设计的图形，曝光后，将半导体器件置入显影液中显影、清洗和坚膜后，以光刻胶作为掩蔽，刻蚀介质膜；利用带有设计图形的介质膜作为新的掩蔽刻蚀纳米碳管薄膜，刻蚀完成后去掉残余的介质膜材料；④在纳米管碳薄膜上制备金属电极或合金。本发明利用纳米碳管薄膜改善半导体器件的欧姆接触特性，具有制作工艺简单、成本低和适合大规模应用等优点，可以提高半导体器件的可靠性和寿命。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件制造技术，具体涉及一种利用纳米碳管薄膜改善半导体器件欧姆接触性能的方法。
背景技术
限制半导体器件性能的一个重要因素是器件的欧姆接触。由于Scottky势垒导致的等效串联电阻消耗电能并转化为热能，增加了器件的功耗，严重时还会导致器件失效。提高金属-半导体间的欧姆接触对现有的半导体器件性能的提高有重要的意义。
实现欧姆接触，有如下几类方法：其中之一也是常用的方法是重掺杂方法，这种方法的原理为通过重掺杂使势垒变薄，导致隧穿现象，实现场发射；另一种方案即利用“能带工程”来降低势垒或完全消除势垒，这种方法是在宽带隙半导体材料表面生长超薄窄带材料或量子隧穿超晶格来降低势垒高度，从而实现极低阻值的欧姆接触。金属-P型半导体间存在良好欧姆接触必须具备的两个条件是：1)半导体要实现高浓度掺杂(＞1×1018cm-3)；2)金属的功函数比P型半导体的功函数大。但对于有些宽带隙的P型半导体材料，比如P-GaN，其空穴浓度通常难以达到1×1018cm-3，难以达到空穴可以隧穿Schottky势垒的水平。此外，P-GaN功函数为7.5eV，而一般的金属功函数小于5.0eV，这也不利于金属-P型GaN之间良好欧姆接触的实现。找到一种新的方法来提高金属-宽带隙P型半导体间的欧姆接触性能有非常重要的意义。
纳米碳管薄膜可以作为一种媒介有效传递从金属电极到半导体材料的电荷，从而提高半导体器件的欧姆接触特性。纳米碳管具有独特的电性质、场发射性质和热传导性质。基于现有的材料合成技术制备的单壁纳米碳管包括金属型碳管和半导体型碳管两种。从统计分布的原理讲，所制备的单壁纳米碳管中有1/3是金属型碳管(当n-m等于3的整数倍时，其中n，m被称为纳米碳管的手性因子，与石墨片卷曲形成纳米碳管时石墨片的卷曲方向相关)，有2/3是半导体型碳管(当n-m不等于3的整数倍时)。当纳米碳管直径D＞1nm时(第一类碳管)，其功函数与其母体石墨相当，约为4.7eV.且在此范围内不随纳米碳管直径变化。当纳米碳管直径D＜1nm时(第二类碳管)，曲率效应导致其功函数与其母体石墨有很大偏离。对于半导体型纳米碳管，随着直径的降低，功函数明显增加[Bin Shan，Kyeongjae Cho，FirstPrinciples Study of Work Functions of Single Wall Carbon Nanotubes，Phys.Rev.Lett.，94，236602，2005]，这启示我们可以通过改变纳米碳管直径来调节其功函数，以适应纳米碳管与不同带隙的半导体欧姆接触。在纳米碳管薄膜中，各种导电类型的纳米碳管充分混合，在整体上纳米碳管薄膜是P型半导体。P型纳米碳管薄膜这种奇特的性质使这种材料成为与P型半导体实现欧姆接触最有希望的候选材料，有望解决某些宽带隙半导体(比如GaN)欧姆接触难实现的问题。在金属/纳米碳管薄膜/P型半导体结构中，金属电极与金属纳米碳管之间不存在势垒，P型半导体与具有相近能带结构的半导体纳米碳管(束)非常容易发生电荷转移，以及金属纳米碳管和半导体纳米碳管之间大的接触面积使电荷转移也变得很容易。因此纳米碳管薄膜可以作为一种媒介有效传递从金属电极到半导体材料的电荷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善金属-P型半导体欧姆接触性能的方法，该方法可以提高金属-P型半导体的欧姆接触性能。
本发明提供的改善金属-P型半导体欧姆接触性能的方法，其步骤包括：
(1)按照下述过程在半导体器件P型半导体上形成一层带有设计图形的纳米碳管薄膜；
(1.1)合成和提纯纳米碳管；
(1.2)在半导体器件顶层P型半导体上制备纳米碳管薄膜；
(1.3)首先在上述纳米碳管碳薄膜上制备一层介质膜；再在介质膜上沉积一层光刻胶；然后在光刻胶上定义所设计的图形，曝光、显影、清洗和坚膜后，以光刻胶作为掩蔽刻蚀介质膜；利用带有设计图形的介质膜作为新的掩蔽刻蚀纳米碳管薄膜，刻蚀完成后去掉残余的介质膜材料；
(2)在纳米管碳薄膜上制备金属电极或合金作打线之用。
本发明强调利用纳米碳管薄膜改善半导体器件的欧姆接触特性。相对于以往技术，本技术方案具有制作工艺简单、成本低和适合大规模应用等优点，可以提高半导体器件的可靠性和寿命。
附图说明
图1为单根纳米碳管的功函数与纳米碳管直径的关系示意图；
图2A-2F是依据本发明的纳米碳管透明导电电极的制作工艺的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
本发明方法包括以下步骤：
(1)在半导体器件P型半导体2上形成一层带设计图形的纳米碳管薄膜；
(1.1)合成和提纯纳米碳管：
纳米碳管薄膜所用的原材料纳米碳管是采用包括但不限于化学气相沉积、电弧放电或激光加热等方法制备。优选的方法为以酒精作为碳源的CVD技术。首先在大面积的Si片上用电子束蒸发方法依次制备SiO2和Co薄膜，SiO2的厚度为20-2000nm，较佳条件为50-200nm，Co膜的厚度小于0.5-5nm，较佳条件为0.5-2nm。CVD温度为550-800℃，较佳条件为650-750℃，酒精流量较佳为50-200Sccm，反应时间1-60min.。优选的去除纳米碳管原始产物催化剂Co颗粒的方法是采用盐酸溶液与制备所得纳米碳管初产物充分反应，然后经过过滤、干燥等步骤，可以去除催化剂。石墨微粒、无定形碳和其它形式的碳纳米颗粒的去除可以采用合适的氧化剂，比如高锰酸钾和硝酸等。
采用上述方法所合成的材料可能包含有单壁纳米碳管、多壁纳米碳管、无定型碳和催化剂金属等，需要经过有效的提纯使单壁纳米碳管纯度至少达到90％以上才能用来制备纳米碳管薄膜；
(1.2)在半导体器件顶层P型半导体上制备纳米碳管薄膜：
所述的纳米碳管薄膜的制备采用包括但不限于浸沾(dip coating)、喷涂(spray coating)、真空过滤(vacuum filtration)、凝胶(aerogel)或旋涂(spin-coating)等方法。优选的工艺为：选择按所述方法制备并纯化的纳米碳管，加入去离子水经充分搅拌、超声、离心后，倒入到Br溶液中。再次离心后，将含有纳米碳管的Br溶液用吸管滴到滤网膜上，然后用大量的水冲洗。施加压力，使滤网膜上的纳米碳管薄膜与P型半导体(比如P-GaN)充分接触，纳米碳管薄膜干了后用丙酮清洗数次，之后重复用去离子水冲洗，再用甲醇清洗。最后放在通有惰性气体温度为100-600℃的烧结炉中退火。
纳米碳管薄膜的厚度为30nm-1000nm，优选为50-200nm。通过改变工艺参数调节纳米碳管薄膜厚度，用上述优化条件在P型半导体2表面制备纳米碳管薄膜1，如图2A所示；
(1.3)纳米碳管薄膜的选择性刻蚀
采用通用的半导体工艺方法，首先在上述纳米碳管碳薄膜1上制备一层介质膜3，如图2B所示。介质膜包括但不限于SiO2和Si3N4等，介质膜3的厚度介于100nm-500nm范围之间。
利用匀胶机在介质膜3上沉积一层光刻胶4，其厚度在500nm-2000nm，如图2C；
然后利用半导体微纳制作技术(包括但不限于电子束刻蚀、光刻和纳米压印等技术)在光刻胶上定义图形，曝光后，将半导体器件置入显影液中显影、清洗和坚膜后，以光刻胶作为掩蔽，利用通用的刻蚀方法刻蚀介质膜3，将图形转移入介质膜后得到的图形如图2D所示；利用有图形的介质膜3作为新的掩蔽刻蚀纳米碳管薄膜，刻蚀完成后去掉残余的介质膜材料，如图2E所示。
(2)在纳米管碳薄膜上制备金属电极5或合金作打线之用
在纳米碳管薄膜上沉积一层或多层金属以形成良好欧姆接触特性并作为打线之用，如图2F所示。
实例：
(1)合成纳米碳管，并在P型半导体上制备纳米碳管薄膜
从应用的角度讲，化学气相沉积(CVD)是纳米碳管薄膜合成最有希望的方法。本实施例采用以酒精作为碳源的CVD技术，首先在大面积的Si片上用电子束蒸发方法依次制备SiO2和Co薄膜，SiO2的厚度为20-2000nm，较佳条件为50-200nm，Co膜的厚度小于0.5-5nm，较佳条件为0.5-2nm。CVD温度为550-800℃，较佳条件为650-750℃，酒精流量较佳为50-200Sccm，反应时间1-60min.。通过控制Co膜厚度控制单壁纳米碳管直径，从而调节单根纳米碳管的功函数。由于纳米碳管的制备过程中，通常都会同时生成富勒烯、石墨微粒、无定形碳和其它形式的碳纳米颗粒。因而一般都需要采取各种物理化学方法对制备所得的碳纳米管初产品进行纯化。首先要考虑去除催化剂Co颗粒，采用盐酸溶液与制备所得纳米碳管初产物充分反应，然后经过过滤、干燥等步骤，可以去除催化剂。石墨微粒、无定形碳和其它形式的碳纳米颗粒的去除可以采用合适的氧化剂将其氧化。其机理是利用氧化剂对纳米碳管和碳纳米颗粒两者的氧化速率不一致。纳米碳管的管壁由六边形排列的碳原子(即六元环)组成，六元环与五元环、七元环相比，没有悬挂键，因而比较稳定。在氧化剂存在的情况下，有较多悬挂键的五元环和七元环优先被氧化，而无悬挂键的六元环需要较长时间才能被氧化。可供选择的氧化剂很多，如高锰酸钾和硝酸等。
选择按上述方法制备的纳米碳管，加入去离子水经充分搅拌、超声、离心后，倒入到Br溶液中。再次离心后，将含有纳米碳管的Br溶液用吸管滴到滤网膜上，然后用大量的水冲洗。使滤网膜上的纳米碳管薄膜与P型半导体(比如P-GaN)充分接触，施加一定压力，纳米碳管薄膜干了后用丙酮清洗数次，之后重复用去离子水冲洗，再用甲醇清洗。最后放在通有Ar气流温度为100-600℃的烧结炉中退火。
(2)在P型半导体上纳米碳管薄膜的刻蚀
首先在半导体材料2上按上述方法制备纳米碳管薄膜1，如图2A；然后采用PECVD方法生长一层SiO23，沉积温度为300℃，薄膜厚度为200nm以上，如图2B；清洗后利用匀胶机在SiO23上沉积一层约1000nm厚的光刻胶(S1818)，如图2C；然后利用光刻技术在光刻胶上定义图形，经曝光、显影和清洗后，放入恒温箱中120℃烘烤坚膜3min.，利用反应离子刻蚀设备以光刻胶作为掩蔽刻蚀SiO2。刻蚀过程采用CFH3+O2混合气体，氧气体积百分比为5％。刻蚀后去除光刻胶，图形转入SiO2层，如图2D。利用SiO2层作为掩膜用反应离子刻蚀设备刻蚀纳米碳管薄膜，刻蚀过程采用O2作为反应气体，用稀释的氢氟酸去掉残留的SiO2层，就得到带有图形的纳米碳管薄膜，如图2E。
(3)在不需透光的纳米管碳薄膜上制备Ti/Pt/Au金属膜作打线之用，Ti的厚度为50nm，Pt和Au的厚度为200nm和500nm。
以上所述为本发明较佳实施例而已，并非用以限定本发明，凡其它不脱离本发明所公开的精神下完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求书保护范围内。
Claims (3)
1.一种改善金属-P型半导体欧姆接触性能的方法，其步骤包括：
(1)按照下述过程在半导体器件P型半导体上形成一层带有设计图形的纳米碳管薄膜；
(1.1)按下述过程合成和提纯纳米碳管：首先在Si片上用电子束蒸发方法依次制备SiO2和Co薄膜，SiO2的厚度为20-2000nm，Co膜的厚度小于0.5-5nm，CVD温度为550-800℃，酒精为50-200Sccm，反应时间1-60min.；然后采用盐酸溶液与制备所得纳米碳管初产物充分反应，再经过过滤、干燥后去除催化剂，并采用高锰酸钾和硝酸去除石墨微粒、无定形碳和其它形式的碳纳米颗粒；
(1.2)在半导体器件顶层P型半导体上制备纳米碳管薄膜，该纳米碳管薄膜的厚度为30nm-1000nm，其制备过程为：
(a)选择纯化的纳米碳管，加入去离子水经充分搅拌、超声、离心后，倒入到Br溶液中；
(b)再次离心后，将含有纳米碳管的Br溶液用吸管滴到滤网膜上，然后用水冲洗去除Br溶液；
(c)施加压力使滤网膜上的纳米碳管薄膜与P型半导体充分接触；
(d)对纳米碳管薄膜进行干燥，之后用丙酮清洗，再重复用去离子水冲洗，最后用甲醇清洗；
(e)放在通有惰性气体温度为100-600℃的烧结炉中退火；
(1.3)首先在上述纳米碳管碳薄膜上制备一层介质膜；再在介质膜上沉积一层光刻胶；然后在光刻胶上定义所设计的图形，曝光、显影、清洗和坚膜后，以光刻胶作为掩蔽刻蚀介质膜；利用带有设计图形的介质膜作为新的掩蔽刻蚀纳米碳管薄膜，刻蚀完成后去掉残余的介质膜材料；
(2)在纳米管碳薄膜上制备金属电极或合金作打线之用。
2.根据权利要求1所述的改善金属-P型半导体欧姆接触性能的方法，其特征在于：步骤(1.1)中，SiO2的厚度为50-200nm，Co膜的厚度为0.5-2nm，CVD温度为650-750℃。
3.根据权利要求1或2所述的改善金属-P型半导体欧姆接触性能的方法，其特征在于：步骤(1.2)中，纳米碳管薄膜的厚度为50-200nm。
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