电气结面中解除钉止半导体费米能阶的方法及结合该结面的设备技术

本发明专利技术是关于一种用于在电气结面中解除钉止半导体费米能阶的方法以及结合这种结面的设备的相关应用。一种电气设备，其内部的中间层（５２０）放置在与其接触的金属和硅基片半导体之间，当允许电流在金属和半导体之间流动时，具有厚度的中间层就可有效的解除钉止半导体费米能阶。中间层可以包括钝化材料层（例如，由氮，氧，氮氧化物，砷，氢和／或氟组成的），并且有时也包括分隔层。在一些实例中，中间层可以是单层的半导体钝化材料。电气设备的中间层厚度对应于小于或等于１０Ω－μｍ↑［２］的最小接触电阻率，或甚至小于或等于１Ω－μｍ↑［２］的最小接触电阻率。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总的涉及一种半导体处理过程和半导体设备，特别是涉及一种在金属-中间层-半导体结中解除钉止(depinning)半导体费米能阶的处理过程，以及使用这样结面的设备。
技术介绍
在应用于现代的设备中，最基本的电结面是金属-半导体结面。在这些结面中，金属(例如铝)用来与半导体(例如硅)连接。这样形成了能够在内部整流的设备(二极管)；也就是说，该结面趋向于在某一方向上比在其它方向上能够更顺利地引导电流。在其它实例中，取决于使用的材料，结点可以是欧姆属性(例如，不管电流方向，触点具有可忽略的电阻)。1926年，Grondahl与Geiger首次研究了这些结面的整流形式，并且在1938年，Schottky发展了用于所观察到的整流的理论解释。肖特基理论将金属-半导体触点的整流行为解释为依赖于在金属与半导体之间接触表面的能障。在这个模型中，能障高(正如测量出由电子从金属经过半导体必须的电势一样)被假定为金属功函数(功函数是在金属的费米阶能上，释放出电子所需的能量，在T＝0时，金属的能量状态具有最高的费米阶能)和半导体电子亲合力(电子亲合力是自由电子的能量和半导体的传导频带边沿之间的差分)之间的差分，以及。数学表达ΦB＝ΦM-xS其中ΦB是能障高，ΦM是金属功函数，以及xS是半导体的电子亲合力。这并不令人惊讶，许多尝试实践地验证该理论。如果理论是正确的，那么当与普通半导体接触时，就能够观测到不同功函数在金属能障高中的直接变化。然而，所观测到的并不是实际比例，而仅仅是比模型中包含的功函数能障高更微小的变化。Bardeen通过引入半导体表面状态在确定能障高中起着重要作用的概念，来寻找解释理论预测和实验观测之间的不同。在半导体晶体边沿的表面状态是能量状态(在原子价和传导带之间的能带隙内部)，该表面状态产生于不完整的共价键，杂质，和其它晶体中止的影响。图1示出了代表性的未被钝化的硅表面(100)。所示的特殊硅表面是硅(100)2×1表面。如所示的，在表面的硅原子，例如原子110，并不是完全等同的，并且包含不令人满意的悬空键，例如悬空键120。收集电子电荷的这些悬空键负责表面状态。Bardeen模式假定了表面状态足够将半导体中的费米阶能钉止在原子价和传导带之间的一个点。如果属实，那么在金属-半导体结面的能障高应不依赖于金属功函数。然而，这种情况在实验中很少观测到，因此最好将Bardeen模式(类似Schottky模式)认为是一种限制情况。许多年来，在金属-半导体结面中引起半导体费米阶能钉止的理论基础仍旧无法解释。事实上，至今为止没有一个解释符合关于这种结面的所有实验观测。然而，在1984年，Tersoff提出了一个模式，朝着解释这种结面的物理学方向延伸了一段。见1984年2月6日J.Tersoff在Phys.Rev.Lett，52(6)，发表的“肖特基能障与间隙状态的连续性”。Tersoff模式(该模式建立于Heine和Flores & Tejedor的研究上，也参考了Louie，Chelikowsky，和Cohen在Phys.Rev.B15，2154(1977)发表的著作，“电离度和肖特基能障理论”)提出了，在金属-半导体结面的半导体费米阶能钉止在有效的“间隙中心”的附近，这涉及到大部分的半导体能带结构。该钉止是由于所谓的金属感应间隙状态(MIGS)，该间隙状态是半导体能带间隙中的能量状态，由于邻近金属而变得密集。也就是说，在金属中的电子波动函数在金属表面没有突然地中止，而是在远离该表面处部分地衰减(例如，半导体内部扩展)。为了遵循半导体中关于密度状态的总规则，在源于价带的间隙中接近表面的电子占有能量状态，从而减少价带中的密度状态。为了维持电中性，占有的最高状态(其定义了半导体费米阶能)将位于从源于价带状态到源于传导带状态的交叉点。该交叉出现在带结构的分支点。即使计算出的基于Tersoff模式的能障高不能满足所有实验观测到的所有金属-半导体结面的能障高，但是对多数这样的结面通常有好的一致意见。影响二极管性质的表面最终源是不均匀的。也就是说，如果影响能障高的因素(例如，表面状态的密度)通过结面的平面而变化，那么该结面的属性并不是不同范围属性线性组合。总之，经典的金属-半导体结面是以肖特基能障为特征的，其属性(例如，能障高)依赖于表面状态，MIGS以及不均匀性。金属-半导体结面能障高的重要性在于它确定了结面的电气属性。因此，如果能够控制某个结面或调整金属-半导体结面的能障高，那么就可以生产出期望特性的电气设备。当进一步缩小设备尺寸时，这样能障高的调整变得更为重要。然而，在能够调整能障高之前，必须解除钉止半导体的费米阶能。在下文将详细讨论，本专利技术人已经在设备中达到了这种目标，该设备允许实际电流在金属和半导体间流动。
技术实现思路
本专利技术人已经确定了在金属和硅基半导体(例如，Si，SiC和SiGe)之间放置薄的中间层，从而形成金属-分界层-半导体结面，其中存在相应的最小接触电阻率(specific contact resistance)。然而，对应于这种最小接触电阻率的分界层厚度将会依赖于所使用的材料而改变，当结面被偏置时(例如，正向或反向偏置)，薄的中间层允许解除钉止半导体费米阶能，同时允许电流在金属和半导体之间流动。通过解除钉止费米阶能，本专利技术人预定了一种状态，其中所有的，或实质上所有的，可以中止出现在半导体表面的悬空键，并且通过将半导体放置在远离金属足够远的距离，克服或至少是减弱了MIGS的影响。依据本专利技术，这样的结面获取的最小接触电阻率近似地小于或等于10Ω-μm2，或甚至近似地小于或等于1Ω-μm2。因此，在本专利技术的实施例中，依照本专利技术的一种观点，本专利技术提供了一种电气设备，其中分界层放置在与其接触的金属和硅基片半导体之间，并且该设备被配置用来解除钉止半导体的费米阶能。当电气设备被偏置，同时允许电流在金属和半导体之间流动时。电气设备的接触电阻率近似地小于10Ω-μm2。分界层可以包括钝化材料(例如，氮化物，氧化物，氧氮化物，砷化物，氢化物和/或氟化物)，有时也包括分隔层。在一些实例中，分界层必须是单层(或多层)的半导体钝化材料。在本专利技术另一个实施例中，分界层是由钝化层组成，该钝化层通过当前地含氮材料的半导体加热制成，例如氨(NH3)，氮(N2)或游离气态氮(N)生成等离子的过程。在这个实例中，分界层可以通过加热半导体制成，并且在真空室，将半导体暴露在含氮材料中。。本专利技术的实施例进一步提供了，通过使用放置在半导体表面和导体之间的分界层，在电结面中解除钉止半导体费米阶能。优选分界层(i)其厚度足够减弱半导体中MIGS的影响，并且(ii)钝化半导体的表面。尽管现有的分界层，由于分界层的厚度可以被选择来为结面提供最小(或接近最小)的接触电阻率，因此主要的电流可以在导体和半导体之间流动。如上面所指出的，分界层可以包括像氮化物，氧化物，氧氮化物，砷化物，氢化物和/或氟化物这样的钝化材料。本专利技术的实施例进一步提供了半导体和导体之间的结面，该导体和半导体分离。通过配置的分界层来允许导体的费米阶能(i)与半导体的传导带结合，(ii)与半导体价带结合，或(iii)独立于半导体的费米阶能。在某些或所有的实例中，当结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电气设备，其特征在于其包括：一种金属；一个具有费米阶能的硅基半导体；以及一个放置在该金属和该半导体之间并与两者都接触的分界层，配置来解除钉止半导体的费米阶能。其中，电气设备具有近似地小于或等于１０００Ω－ μｍ↑［２］的接触电阻率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2002-8-12 10/217,7581.一种电气设备，其特征在于其包括一种金属；一个具有费米阶能的硅基半导体；以及一个放置在该金属和该半导体之间并与两者都接触的分界层，配置来解除钉止半导体的费米阶能。其中，电气设备具有近似地小于或等于1000Ω-μm2的接触电阻率。2.根据权利要求1所述的电气设备，其特征在于其中的分界层包括一钝化材料。3.根据权利要求2所述的电气设备，其特征在于其中所述的钝化材料包括氮化物，氟化物，氧化物，氧氮化物，氢化物和/或硅砷化物中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的电气设备，其特征在于其中所述的分界层基本上是由配置用来解除钉止半导体的费米阶能的单层组成。5.根据权利要求2所述的电气设备，其特征在于其中所述的分界层进一步包括一个分隔层。6.根据权利要求1所述的电气设备，其特征在于其中所述的接触电阻率近似地小于或等于100Ω-μm2。7.根据权利要求1所述的电气设备，其特征在于其中所述的接触电阻率近似地小于或等于50Ω-μm2。8.根据权利要求1所述的电气设备，其特征在于其中所述的接触电阻率近似地小于或等于10Ω-μm2。9.根据权利要求1所述的电气设备，其特征在于其中所述的接触电阻率近似地小于或等于1Ω-μm2。10.根据权利要求1所述的电气设备，其特征在于其中所述的分界层包括加热含氮物参与的半导体制成的钝化层。11.根据权利要求10所述的电气设备，其特征在于其中所述的含氮材料至少包括氨气(NH3)，氮气(N2)或游离氮(N)中的一种。12.一种电气设备，其特征在于其包括金属-分界层-硅基半导体结面，其中该分界层包括钝化材料和电气设备，具有近似地小于1000Ω-μm2的接触电阻率。13.根据权利要求12所述的电气设备，其特征在于其中所述的接触电阻率近似地小于或等于100Ω-μm2。14.根据权利要求12所述的电气设备，其特征在于其中所述的接触电阻率近似地小于或等于50Ω-μm2。15.根据权利要求12所述的电气设备，其特征在于其中所述的接触电阻率近似地小于或等于10Ω-μm2。16.根据权利要求12所述的电气设备，其特征在于其中所述的接触电阻率近似地小于或等于1Ω-μm2。17.根据权利要求12所述的电气设备，其特征在于其中所述的钝化材料包括氮化物，氟化物，氧化物，氧氮化物，氢化物和/或硅砷化物中的一种或多种。18.根据权利要求17所述的电气设备，其特征在于其中所述的分界层包括钝化层和分隔层。19.一种方法，其特征在于其包括以下步骤利用放置在半导体和导体表面之间的界面层分界层，在电结面中解除钉止硅基半导体费米阶能，当提供的结有少于近似1000Ω-μm2的接触电阻率时，其中界面层其中该分界层(i)具有足以减弱半导体中金属诱导间隙效应的厚度，同时提供接触电阻率小于约1000Ω-μm2的结面；并且(ii)钝化半导体的表面。20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于其中所述的接触电阻率近似地小于或等于100Ω-μm2。21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于其中所述的接触电阻率近似地小于或等于50Ω-μm2。22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于其中所述的接触电阻率近似地小于或等于10Ω-μm2。23.根据权利要求19所述的方法，其特征在于其中所述的接触电阻率近似地小于或等于1Ω-μm2。24.根据权利要求19所述的方法，其特征在于其中所述的分界层的厚度足以提供近似地小于或等于1Ω-μm2的电结面的接触电阻率。25.根据权利要求19所述的方法，其特征在于其中所述的分界层包括从下述列表选择的钝化材料，该列表包括砷化物，氢化物，氟化物，氧化物，氧氮化物，以及硅氮化物。26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于其中所述的分界层基本上是由单层组成。27.根据权利要求19所述的方法，其特征在于其中所述的分界层是在约300℃温度以上的半导体表面上生成。28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于其中所述的分界层在含氮物参与下生成。29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于其中所述的含氮材料包括氨气(NH3)，氮气(N2)或游离氮(N)中的一种。30.根据权利要求19所述的方法，其特征在于其中所述的分界层包括将半导体浸入在含有氢和氟离子的液体中生成的钝化层。31.一种电气设备，其特征在于其包括在硅基半导体和导体之间的结面，该导体由具有厚度的分界层和半导体分隔开，允许导体的费米阶能与半导体传导带结合，其中电气设备具有近似地小于1000Ω-μm2的接...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔E格鲁普，丹尼尔J科尼利，
申请(专利权)人：艾康技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]