專利名稱：一種改善金屬-p型半導體歐姆接觸性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導體器件制造技術(shù)，具體涉及一種利用納米碳管薄膜改 善半導體器件歐姆接觸性能的方法。
背景技術(shù)：
限制半導體器件性能的一個重要因素是器件的歐姆接觸。由于Scottky 勢壘導致的等效串聯(lián)電阻消耗電能并轉(zhuǎn)化為熱能，增加了器件的功耗，嚴 重時還會導致器件失效。提高金屬-半導體間的歐姆接觸對現(xiàn)有的半導體器 件性能的提高有重要的意義。
實現(xiàn)歐姆接觸，有如下幾類方法其中之一也是常用的方法是重摻雜
方法，這種方法的原理為通過重摻雜使勢壘變薄，導致隧穿現(xiàn)象，實現(xiàn)場
發(fā)射；另一種方案即利用"能帶工程"來降低勢壘或完全消除勢壘，這種方法 是在寬帶隙半導體材料表面生長超薄窄帶材料或量子隧穿超晶格來降低勢 壘高度，從而實現(xiàn)極低阻值的歐姆接觸。金屬-P型半導體間存在良好歐姆接 觸必須具備的兩個條件是1)半導體要實現(xiàn)高濃度摻雜(>lxl018cm'3); 2)
金屬的功函數(shù)比P型半導體的功函數(shù)大。但對于有些寬帶隙的P型半導體材 料，比如P-GaN，其空穴濃度通常難以達到lxlO"cm'3，難以達到空穴可以 隧穿Schottky勢壘的水平。此外，P-GaN功函數(shù)為7.5eV,而一般的金屬功函 數(shù)小于5.0eV，這也不利于金屬-P型GaN之間良好歐姆接觸的實現(xiàn)。找到一 種新的方法來提高金屬-寬帶隙P型半導體間的歐姆接觸性能有非常重要的 意義。
納米碳管薄膜可以作為一種媒介有效傳遞從金屬電極到半導體材料的 電荷，從而提高半導體器件的歐姆接觸特性。納米碳管具有獨特的電性質(zhì)、場發(fā)射性質(zhì)和熱傳導性質(zhì)?；诂F(xiàn)有的材料合成技術(shù)制備的單壁納米碳管 包括金屬型碳管和半導體型碳管兩種。從統(tǒng)計分布的原理講，所制備的單
壁納米碳管中有l(wèi)/3是金屬型碳管(當"-m等于3的整數(shù)倍時，其中"，w被稱 為納米碳管的手性因子，與石墨片巻曲形成納米碳管時石墨片的巻曲方向 相關(guān))，有2/3是半導體型碳管(當"-m不等于3的整數(shù)倍時)。當納米碳管直 徑DM nm時(第一類碳管)，其功函數(shù)與其母體石墨相當，約為4.7 eV.且 在此范圍內(nèi)不隨納米.碳管直徑變化。當納米碳管直徑D〈1 nm時(第二類碳 管)，曲率效應導致其功函數(shù)與其母體石墨有很大偏離。對于半導體型納米 碳管，隨著直徑的降低，功函數(shù)明顯增加[Bin Shan, Kyeongjae Cho， First Principles Study of Work Functions of Single Wall Carbon Nanotubes， Phys. Rev. Lett., 94， 236602， 2005 ],這啟示我們可以通過改變納米碳管直徑來調(diào) 節(jié)其功函數(shù)，以適應納米碳管與不同帶隙的半導體歐姆接觸。在納米碳管 薄膜中，各種導電類型的納米碳管充分混合，在整體上納米碳管薄膜是P型 半導體。P型納米碳管薄膜這種奇特的性質(zhì)使這種材料成為與P型半導體實 現(xiàn)歐姆接觸最有希望的候選材料，有望解決某些寬帶隙半導體(比如GaN) 歐姆接觸難實現(xiàn)的問題。在金屬/納米碳管薄膜/P型半導體結(jié)構(gòu)中，金屬電 極與金屬納米碳管之間不存在勢壘，P型半導體與具有相近能帶結(jié)構(gòu)的半導 體納米碳管(束)非常容易發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，以及金屬納米碳管和半導體納 米碳管之間大的接觸面積使電荷轉(zhuǎn)移也變得很容易。因此納米碳管薄膜可 以作為一種媒介有效傳遞從金屬電極到半導體材料的電荷。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改善金屬-P型半導體歐姆接觸性能的方 法，該方法可以提高金屬-P型半導體的歐姆接觸性能。
本發(fā)明提供的改善金屬-P型半導體歐姆接觸性能的方法，其步驟包括(1 )按照下述過程在半導體器件P型半導體上形成一層帶有設(shè)計圖形
的納米碳管薄膜；
(1. 1)合成和提純納米碳管；
(1. 2)在半導體器件頂層P型半導體上制備納米碳管薄膜； (1. 3)首先在上述納米碳管碳薄膜上制備一層介質(zhì)膜；再在介質(zhì)膜 上沉積一層光刻膠；然后在光刻膠上定義所設(shè)計的圖形，曝光、顯影、清 洗和堅膜后，以光刻膠作為掩蔽刻蝕介質(zhì)膜；利用帶有設(shè)計圖形的介質(zhì)膜作 為新的掩蔽刻蝕納米碳管薄膜，刻蝕完成后去掉殘余的介質(zhì)膜材料； (2)在納米管碳薄膜上制備金屬電極或合金作打線之用。
本發(fā)明強調(diào)利用納米碳管薄膜改善半導體器件的歐姆接觸特性。相對 于以往技術(shù)，本技術(shù)方案具有制作工藝簡單、成本低和適合大規(guī)模應用等 優(yōu)點，可以提高半導體器件的可靠性和壽命。
圖l為單根納米碳管的功函數(shù)與納米碳管直徑的關(guān)系示意圖； 圖2A-2F是依據(jù)本發(fā)明的納米碳管透明導電電極的制作工藝的流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。 本發(fā)明方法包括以下步驟 (1 )在半導體器件P型半導體2上形成一層帶設(shè)計圖形的納米碳管薄
膜；
(1.1)合成和提純納米碳管 納米碳管薄膜所用的原材料納米碳管是采用包括但不限于化學氣相沉 積、電弧放電或激光加熱等方法制備。優(yōu)選的方法為以酒精作為碳源的CVD技術(shù)。首先在大面積的Si片上用電子束蒸發(fā)方法依次制備Si02和Co薄膜， SiO2的厚度為20-2000 nm，較佳條件為50-200 nm， Co膜的厚度小于0.5-5 nm，較佳條件為0.5-2證。CVD溫度為550-800 °C ，較佳條件為650-750 °C ， 酒精流量較佳為50-200 Sccm,反應時間l-60min.。優(yōu)選的去除納米碳管原始 產(chǎn)物催化劑Co顆粒的方法是采用鹽酸溶液與制備所得納米碳管初產(chǎn)物充分 反應，然后經(jīng)過過濾、干燥等步驟，可以去除催化劑。石墨微粒、無定形 碳和其它形式的碳納米顆粒的去除可以采用合適的氧化劑，比如高錳酸鉀 和硝酸等。
采用上述方法所合成的材料可能包含有單壁納米碳管、多壁納米碳管、 無定型碳和催化劑金屬等,需要經(jīng)過有效的提純使單壁納米碳管純度至少達 到90%以上才能用來制備納米碳管薄膜；
(1. 2)在半導體器件頂層P型半導體上制備納米碳管薄膜
所述的納米碳管薄膜的制備采用包括但不限于浸沾(dip coating)、噴涂 (spray coating)、真空過濾(vacuum filtration)、凝膠(aerogel)或旋涂 (spin-coating)等方法。優(yōu)選的工藝為選擇按所述方法制備并純化的納 米碳管，加入去離子水經(jīng)充分攪拌、超聲、離心后，倒入到Br溶液中。再 次離心后，將含有納米碳管的Br溶液用吸管滴到濾網(wǎng)膜上，然后用大量的 水沖洗。施加壓力，使濾網(wǎng)膜上的納米碳管薄膜與P型半導體(比如P-GaN) 充分接觸，納米碳管薄膜干了后用丙酮清洗數(shù)次，之后重復用去離子水沖 洗，再用甲醇清洗。最后放在通有惰性氣體溫度為100-600 'C的燒結(jié)爐中退
火°
納米碳管薄膜的厚度為30nm-1000nm，優(yōu)選為50-200nm。通過改變工 藝參數(shù)調(diào)節(jié)納米碳管薄膜厚度，用上述優(yōu)化條件在P型半導體2表面制備納 米碳管薄膜l，如圖2A所示；
(1.3)納米碳管薄膜的選擇性刻蝕
采用通用的半導體工藝方法，首先在上述納米碳管碳薄膜l上制備一層
7介質(zhì)膜3，如圖2B所示。介質(zhì)膜包括但不限于Si02和Si3N4等，介質(zhì)膜3的 厚度介于100 nm-500 nm范圍之間。
利用勻膠機在介質(zhì)膜3上沉積一層光刻膠4，其厚度在500 nm-2000 nm， 如圖2C;
然后利用半導體微納制作技術(shù)(包括但不限于電子束刻蝕、光刻和納 米壓印等技術(shù))在光刻膠上定義圖形，曝光后，將半導體器件置入顯影液 中顯影、清洗和堅膜后,以光刻膠作為掩蔽，利用通用的刻蝕方法刻蝕介質(zhì) 膜3，將圖形轉(zhuǎn)移入介質(zhì)膜后得到的圖形如圖2D所示;利用有圖形的介質(zhì)膜3 作為新的掩蔽刻蝕納米碳管薄膜，刻蝕完成后去掉殘余的介質(zhì)膜材料，如 圖2E所示。
(2)在納米管碳薄膜上制備金屬電極5或合金作打線之用 在納米碳管薄膜上沉積一層或多層金屬以形成良好歐姆接觸特性并作 為打線之用，如圖2F所示。
實例
(1)合成納米碳管，并在P型半導體上制備納米碳管薄膜 從應用的角度講，化學氣相沉積(CVD)是納米碳管薄膜合成最有希望 的方法。本實施例采用以酒精作為碳源的CVD技術(shù)，首先在大面積的Si 片上用電子束蒸發(fā)方法依次制備Si02和Co薄膜，Si02的厚度為20-2000 nm， 較佳條件為50-200 nm， Co膜的厚度小于0.5-5 nm，較佳條件為0.5-2 nm。 CVD溫度為550-800 °C，較佳條件為650-750 °C ，酒精流量較佳為50-200 Sccm，反應時間1-60 min.。通過控制Co膜厚度控制單壁納米碳管直徑，從 而調(diào)節(jié)單根納米碳管的功函數(shù)。由于納米碳管的制備過程中，通常都會同 時生成富勒烯、石墨微粒、無定形碳和其它形式的碳納米顆粒。因而一般 都需要采取各種物理化學方法對制備所得的碳納米管初產(chǎn)品進行純化。首 先要考慮去除催化劑Co顆粒，采用鹽酸溶液與制備所得納米碳管初產(chǎn)物充分反應，然后經(jīng)過過濾、干燥等步驟，可以去除催化劑。石墨微粒、無定 形碳和其它形式的碳納米顆粒的去除可以采用合適的氧化劑將其氧化。其 機理是利用氧化劑對納米碳管和碳納米顆粒兩者的氧化速率不一致。納米 碳管的管壁由六邊形排列的碳原子(即六元環(huán))組成，六元環(huán)與五元環(huán)、七 元環(huán)相比，沒有懸掛鍵，因而比較穩(wěn)定。在氧化劑存在的情況下，有較多 懸掛鍵的五元環(huán)和七元環(huán)優(yōu)先被氧化，而無懸掛鍵的六元環(huán)需要較長時間 才能被氧化?？晒┻x擇的氧化劑很多，如高錳酸鉀和硝酸等。
選擇按上述方法制備的納米碳管，加入去離子水經(jīng)充分攪拌、超聲、
離心后，倒入到Br溶液中。再次離心后，將含有納米碳管的Br溶液用吸管 滴到濾網(wǎng)膜上，然后用大量的水沖洗。使濾網(wǎng)膜上的納米碳管薄膜與P型半 導體(比如P-GaN)充分接觸，施加一定壓力，納米碳管薄膜干了后用丙酮 清洗數(shù)次，之后重復用去離子水沖洗，再用甲醇清洗。最后放在通有Ar氣 流溫度為100-600 'C的燒結(jié)爐中退火。
(2) 在P型半導體上納米碳管薄膜的刻蝕
首先在半導體材料2上按上述方法制備納米碳管薄膜1，如圖2A;然后 采用PECVD方法生長一層Si02 3,沉積溫度為300 °C，薄膜厚度為200 nm以 上，如圖2B;'清洗后利用勻膠機在Si02 3上沉積一層約1000 nm厚的光刻膠 (S1818)，如圖2C;然后利用光刻技術(shù)在光刻膠上定義圖形，經(jīng)曝光、顯 影和清洗后，放入恒溫箱中120 "C烘烤堅膜3min.，利用反應離子刻蝕設(shè)備以 光刻膠作為掩蔽刻蝕Si02?？涛g過程采用CFH3+02混合氣體，氧氣體積百分 比為5%。刻蝕后去除光刻膠，圖形轉(zhuǎn)入Si02層，如圖2D。利用Si02層作為 掩膜用反應離子刻蝕設(shè)備刻蝕納米碳管薄膜，刻蝕過程采用02作為反應氣 體，用稀釋的氫氟酸去掉殘留的Si02層，就得到帶有圖形的納米碳管薄膜， 如圖2E。
(3) 在不需透光的納米管碳薄膜上制備Ti/Pt/Au金屬膜作打線之用，Ti 的厚度為50nm， Pt和Au的厚度為200nm和500nm。以上所述為本發(fā)明較佳實施例而已，并非用以限定本發(fā)明，凡其它不 脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效改變或修飾，均應包含在權(quán)利要求 書保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種改善金屬-P型半導體歐姆接觸性能的方法，其步驟包括(1)按照下述過程在半導體器件P型半導體上形成一層帶有設(shè)計圖形的納米碳管薄膜；(1.1)合成和提純納米碳管；(1.2)在半導體器件頂層P型半導體上制備納米碳管薄膜；(1.3)首先在上述納米碳管碳薄膜上制備一層介質(zhì)膜；再在介質(zhì)膜上沉積一層光刻膠；然后在光刻膠上定義所設(shè)計的圖形，曝光、顯影、清洗和堅膜后，以光刻膠作為掩蔽刻蝕介質(zhì)膜；利用帶有設(shè)計圖形的介質(zhì)膜作為新的掩蔽刻蝕納米碳管薄膜，刻蝕完成后去掉殘余的介質(zhì)膜材料；(2)在納米管碳薄膜上制備金屬電極或合金作打線之用。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善金屬-P型半導體歐姆接觸性能的方法， 其特征在于步驟(1.2)中，納米碳管薄膜的厚度為30nm-1000nm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善金屬-P型半導體歐姆接觸性能的方法， 其特征在于步驟(1.2)中，納米碳管薄膜的厚度為50-200 nm
4、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的改善金屬-P型半導體歐姆接觸性能 的方法，其特征在于步驟(1.2)中，納米碳管薄膜的制備過程為(a) 選擇純化的納米碳管，加入去離子水經(jīng)充分攪拌、超聲、離心后， 倒入到Br溶液中；(b) 再次離心后，將含有納米碳管的Br溶液用吸管滴到濾網(wǎng)膜上，然 后用水沖洗去除Br溶液；(c) 施加壓力使濾網(wǎng)膜上的納米碳管薄膜與P型半導體充分接觸；(d) 對納米碳管薄膜進行干燥，之后用丙酮清洗，再重復用去離子水沖洗，最后用甲醇清洗；(e)放在通有惰性氣體溫度為100-600'C的燒結(jié)爐中退火。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導體器件制造技術(shù)，為一種改善金屬-P型半導體歐姆接觸性能的方法。其過程為①先合成和提純納米碳管；②在P型半導體上制備納米碳管薄膜；③在納米碳管碳薄膜上制備一層介質(zhì)膜；再沉積一層光刻膠；然后利用半導體微納制作技術(shù)在光刻膠上定義所設(shè)計的圖形，曝光后，將半導體器件置入顯影液中顯影、清洗和堅膜后，以光刻膠作為掩蔽，刻蝕介質(zhì)膜；利用帶有設(shè)計圖形的介質(zhì)膜作為新的掩蔽刻蝕納米碳管薄膜，刻蝕完成后去掉殘余的介質(zhì)膜材料；④在納米管碳薄膜上制備金屬電極或合金。本發(fā)明利用納米碳管薄膜改善半導體器件的歐姆接觸特性，具有制作工藝簡單、成本低和適合大規(guī)模應用等優(yōu)點，可以提高半導體器件的可靠性和壽命。
文檔編號H01L21/02GK101320682SQ20081004801
公開日2008年12月10日 申請日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月13日
發(fā)明者余永林, 元秀華, 文 劉, 趙彥立, 黃德修, 黃黎蓉 申請人:華中科技大學