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一种快速退火制备Al-Si+欧姆接触的方法 【EN】Rapid annealing preparation method of Al-Si<+> ohmic contact electrode

申请(专利)号:CN201610166858.4国省代码:云南 53
申请(专利权)人:【中文】云南大学【EN】Yunnan University
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摘要:
【中文】本发明涉及一种磁控溅射联合快速退火技术高效制备Al-Si+欧姆接触电极的方法,属于半导体材料的制备技术领域。本发明基于超高真空磁控溅射技术,以Ar气为工作气体,在真空度为3.0×10-4Pa时,首先采用射频溅射技术于一定温度条件下生长一定厚度Al薄膜,然后利用快速退火炉对Al薄膜进行快速退火处理获得Al-Si+欧姆接触电极。该方法提高了制备Al-Si+欧姆接触电极的速度,而且克服了真空蒸镀方法和电子束蒸发方法中生只能溅射低熔点、高蒸汽压的元素和化合物,而且溅射薄膜与基片之间的附着性差,溅射薄膜密度低的缺点,获得的Al-Si+欧姆接触电极具有薄膜纯度高,镀膜易于控制,沉积速率快,镀膜面积大,线性接触良好及稳定等优点,且设备简单、使用和维护成本低。因而该方法是一种简单高效、易于产业化推广的Al-Si+欧姆接触电极制备方法。 【EN】Paragraph:The invention relates to a magnetron sputtering combined rapid annealing high-efficiency preparation method of an Al-Si<+> ohmic contact electrode, belonging to the technical field of semiconductor preparation. The preparation method comprises the following steps: based an ultrahigh vacuum magnetron sputtering technology, firstly growing an Al film with a certain thickness at a certain temperature by using the magnetron sputtering technology at the vacuum degree of 3.0*10<-4>Pa in the presence of Ar gas serving as working gas; and then carrying out rapid annealing treatment on the Al film by using a rapid annealing furnace to obtain the Al-Si<+> ohmic contact electrode. With adoption of the method, the preparation of the Al-Si<+> ohmic contact electrode is sped up; the defects existing in a vacuum evaporation method and an electron beam evaporation method that only low-melting-point and high-vapor-pressure elements and compounds can be sputtered, the adhesive of a sputtered film to a substrate is poor, and the density of the sputtered film is low can be overcome; the obtained Al-Si<+> ohmic contact electrode has the advantages of high film purity, easy control in film coating, high deposition rate, large film coating area, good linear contact and good stability; in addition, equipment is simple, and use and maintenance costs are low. Therefore, the method is a simple and efficient Al-Si<+> ohmic contact electrode preparation method which can be put into industrial generalization easily.Image:201610166858.GIF

主权项:
【中文】一种磁控溅射联合快速退火技术制备Al‑Si+欧姆接触电极的方法,其特征在于:采用单面抛光低掺杂N型单晶Si为衬底,以超高真空磁控溅射仪为制备设备,快速退火炉为后期处理设备,磁控溅射温度为200‑550 OC,快速退火炉升温时间为70‑150s,退火温度为450‑700 OC,退火时间为300‑1200s,接触电阻率为0.05‑0.5Ω.cm2,电流‑电压特性曲线成线性关系。 【EN】1. a magnetron sputtering associating short annealing technology is prepared Al-SiThe method of Ohm contact electrode, is characterized in that:


说明书

一种快速退火制备Al-Si+欧姆接触的方法

技术领域

本发明涉及半导体电极材料的制备方法,特别是使用快速退火方式制备Al-Si+欧姆接触电极技术,基于直流磁控溅射低温制备的Al膜,将低温溅射于Si+片上的Al膜置于快速退火炉中,高效制备Al-Si+欧姆接触电极的制备方法。

背景技术

欧姆接触是半导体设备上具有线性并且对称的电流-电压特性曲线(I-Vcurve)的区域。如果电流—电压特性曲线是非线性的,那么这种接触叫做肖特基接触。典型欧姆接触是溅镀或者蒸镀的金属片,低电阻,稳定接触的欧姆接触是影响集成电路性能及其稳定性的关键因素,它们的制备是电路制造的主要工作。

欧姆接触是半导体制造中的关键技术,目的是使得半导体材料施加电压时接触处的压降足够小以至不影响器件的性能。如果欧姆接触电阻的可靠性差,会使得器件的开态电阻升高,严重时会改变器件的性能。

从理论上看,影响金属与半导体形成欧姆接触的因素主要有两个:金属、半导体的功函数和半导体的表面态密度。对于给定的半导体,从功函数对金属-半导体之间接触的影响来看,要形成欧姆接触,对于n型半导体,应该选择功函数小的金属,即满足Wm《Ws,使金属与半导体之间形成n型反阻挡层。而对于p型半导体,应该选择功函数大的金属与半导体形成接触,即满足Wm》Ws,使金属与半导体之间形成p型反阻挡层。但是由于表面态的影响,功函数对欧姆接触形成的影响减弱,对于n型半导体而言,即使Wm《Ws,金属与半导体之间还是不能形成性能良好的欧姆接触。

目前,在生产实际中主要是利用隧道效应原理在半导体上制造欧姆接触。从功函数角度来考虑,金属与半导体要形成欧姆接触时,对于n型半导体,金属功函数要小于半导体的功函数,满足此条件的金属材料有Ti、In。对于p型半导体,金属功函数要大于半导体的功函数,满足此条件的金属材料有Cu、Ag、Pt、Ni。Al是地壳中含量最高的金属元素,全球Al工业也非常发达,储量超过250亿吨。同时Al也具有很独特的物理化学特性,其核外最外层电子有三个,容易失去从而成为自由电子,所以导电性能优异,电阻率约为2.76μΩ·cm-1。另外Al的能量密度高,钝化形成的氧化膜致密。这些因素使得Al成为制备欧姆接触的常用材料。

磁控溅射是物理气相沉积的一种,其技术可以分为直流磁控溅射和射频磁控溅射,其中射频溅射主要针对导电性很差的材料。制备Al膜电极两种技术都可使用,不过一般使用的是直流溅射。其原理是利用气体放电所产生的正离子在强电场的作用下高速轰击作为阳极的靶,使得靶材料中原子(或离子)逸出进而淀积到被镀的基片表面上,形成所需要的薄膜

目前Al薄膜欧姆接触电极的制备方法主要包括磁控溅射方法、真空蒸镀方法,电子束蒸发方法等。磁控溅射镀膜与另外两种方法相比主要优势是任何物质都可以溅射,尤其是高熔点、低蒸汽压的元素和化合物,而且溅射薄膜与基片之间的附着性好,溅射薄膜密度高、针孔少、薄膜纯度高,设备简单,镀膜易于控制,沉积速率快,镀膜面积大。为了能够适应器件微型化的发展要求,电极的制备也向着薄膜化、高效化的方向发展。这就对电极制备提出了更高的要求,提高电接触性能和保证稳定性的欧姆接触制备方法都是该领域中急需解决的难题。

发明内容

为了能够适应器件微型化的发展要求,电极的制备也向着薄膜化、透明化、高效化的方向发展。本发明提供了一种快速高效制备Al-Si+欧姆接触电极的方法,该方法在简单工艺、低廉成本的基础上高效的制备出Al-Si+欧姆接触电极。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:采用FJL560III型超高真空磁控溅射仪为生长设备,以n型低掺杂Si(100)单面抛光晶体为衬底,衬底厚度为0.50mm,电阻率为1-3Ω.cm。对衬底使用标准Shiraki方法进行清洗,然后在HF酸溶液中漂洗以去除基片表面的自然氧化层,同时完成对衬底表面的H钝化,用高纯氮气吹干后将衬底迅速放入磁控溅射真空室内进行Al膜的生长,然后置于快速退火炉中快速退火处理。

在衬底上沉积Al膜之前,先对磁控溅射室进行真空化处理,待本底真空达到3.0×10-4Pa时对Si衬底进行加热,温度到达350oC时调节溅射气压为1.0Pa,氩气流量为10SCCM,然后使用磁控直流溅射Al膜,溅射沉积厚度为2nm,溅射完成后自然降温获得初始样品,再将初始样品放入RTP-1000D4型快速退火炉中进行合适温度的快速退火处理获得Al-Si+欧姆接触样品。样品的电学性能通过上海辰华仪器有限公司研发的CHI660D型电化学工作站进行测试。所有测试均在室温下完成。

与常见制备Al薄膜欧姆接触电极的真空蒸镀方法和电子束蒸发方法相比,磁控溅射镀膜联合快速退火处理的主要优势是高效快速的制备,任何物质都可以溅射,尤其是高熔点、低蒸汽压的元素和化合物,而且溅射薄膜与基片之间的附着性好,溅射薄膜密度高、针孔少、薄膜纯度高,设备简单,镀膜易于控制,沉积速率快,镀膜面积大。使用快速退火炉退火处理可以缩短退火时间,省去升温降温所耗费的时间,便于工业化生产。

本发明的有益效果是,设备操作简单、易于维护、Al薄膜欧姆接触电极的制备生长高效快捷,欧姆接触质量高,这为适应器件微型化、高效化实现产业化推广提供了可能性方案。

附图说明

图1为采用磁控溅射然后快速退火法制备Al-Si+欧姆接触电极的整体工艺流程;

图2为表征Al-Si+欧姆接触电极样品一的电流-电压特性曲线检测结果;

图3为表征Al-Si+欧姆接触电极样品二的电流-电压特性曲线检测结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1中实施例A的操作流程如下:

1.用分析纯丙酮在室温下超声5min,去离子水冲洗。此步骤重复3遍。

2.用无水乙醇在室温下超声5min,去离子水冲洗。此步骤重复3遍。

3.先浓H2SO4(98%):H2O2=2:1的混合溶液中煮沸3-5min,去离子水冲洗2-3次,后用HF(10%):H2O=1:10的混合溶液浸泡30s,去离子水冲洗2-3次。

4.先浓HNO3煮沸3min,去离子水冲洗2-3次,后用HF(10%):H2O=1:10的混合溶液浸泡30s,去离子水冲洗2-3次。此步骤重复2遍。

5.先浓HNO3:H2O2:H2O=1:1:4的混合溶液煮沸5min,去离子水冲洗2-3次,后后用HF(10%):H2O=1:10的混合溶液浸泡30s,去离子水冲洗2-3次。

6.用HCL:H2O=3:1的混合溶液煮沸后加和H2O等体积的H2O2至溶液透明,去离子水冲洗2-3次。

7.用HF(10%):H2O=1:40的混合溶液漂洗30-60s,去离子水冲洗2-3次。

8.用氮气吹干后,放置在样品托中,送入磁控溅射设备真空室。

图1中实施例B的操作方案如下:

1.磁控溅射室真空度抽至3×10-4Pa。

2.对衬底先加热至350OC。

3.溅射室内通入纯度为99.999%的Ar气,流量为10sccm,启动Si靶材射频溅射装置,溅射气压调至3-5Pa,溅射功率设置为90-100w,进行预溅射600s。

4.调节工作气压至1.0Pa,溅射功率为90w,溅射600s,自然降温。

图1中实施例C的执行细节如下:

1.快速退火炉内通入N2至气压达0MPa

2.打开炉腔,放入样品,先抽真空,后通入N2

3.设置升温曲线,加热升温至550OC,退火时间为600s。

4.水冷降温,关机后取出样品。

图1中实施例D为样品表征常规方法。

图2给出Al-Si+欧姆接触电...

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图1
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