制备高质量半导体电极接触的设备及其金属原子沉积方法技术

本发明专利技术公开了一种制备高质量半导体电极接触的设备及其金属原子沉积方法，所述的半导体电极接触的设备包括在真空腔体(7)中的控温单元(3)、热界面黏附层(4)、衬底(5)、沉积源(6)、进气口(1)、出气口(2)；将氩气通过进气口管道引入真空腔体中，氩气流动经过衬底位置，从出气口排出；控温单元控制衬底温度在更低的温度区间，利用氩气分子缓冲降低金属原子沉积至样品前的动能，控温单元使衬底附近氩气分子和沉积金属原子迅速降温，从而达到金属原子在半导体材料晶格上软着陆，本发明专利技术具有较低的样品温度，使得沉积的金属颗粒过冷细化，更易沉积形成平整的金属薄膜，获得堆叠更紧密的金属

【技术实现步骤摘要】
制备高质量半导体电极接触的设备及其金属原子沉积方法


[0001]本专利技术属于先进电子器件中的半导体材料和器件制备的领域，尤其涉及一种基于“软着陆”技术制备高质量，无界面钉扎的半导体器件中电极接触的设备方法。

技术介绍

[0002]电极沉积工艺是微纳半导体器件制备的重要环节。其主要目的是和半导体材料形成良好的电接触。随着半导体工艺的逐渐发展，制备高质量的电极
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半导体界面成为高性能半导体器件的重要方面。
[0003]常见的电极沉积工艺有溅射镀膜，蒸发镀膜等方法。溅射镀膜原理是高能入射粒子与靶材碰撞，使得表面的靶材原子获得足够动量向外运动，从而沉积到目标基底。蒸发镀膜原理是高真空下靶材蒸发温度下降，通过对靶材加热蒸发，气体分子沿直线运动沉积到目标基底。在理想的情况下，金属
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半导体界面形成良好的范德瓦尔斯接触，满足肖特基规则，即半导体两种导电载体(电子，空穴)接触势垒由金属功函数决定。然而，在实际的两种沉积工艺中，通常涉及高能的金属原子及其团簇轰击目标基底，造成对接触区半导体的局部加热，破坏了金属
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半导体界面或者周围的晶格，形成了高密度的化学紊乱或者缺陷诱导的界面态。此时，接触区半导体的费米能级会被固定在这些高密度界面态能级位置，不受接触金属功函数的调控，这种行为被称为半导体费米能级钉扎。大量
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V族半导体接触实验显示，费米能级钉扎行为非常普遍，并且极易钉扎在半导体禁带中央，造成两种导电载体都具有较高的势垒。增大的接触电阻会使二维材料器件的开启电流、光响应度以及工作频率等性能参数降低。例如，通过一般蒸发镀膜工艺制备的金
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二硫化钼接触器件，会由于能级钉扎而偏离欧姆接触特性，呈现出明显肖特基接触的输出特性，并且开启电流被降低几个量级。通过聚焦离子束切割获得的金
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二硫化钼接触截面样品透射电镜观察，蒸发镀膜后，在金
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二硫化钼接触界面，二硫化钼晶格结构被严重破坏，并局部形成了金
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二硫化钼混合结构。
[0004]为了获得完好的金属
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半导体接触界面，使半导体金属接触实现完美的无费米能级钉扎接触，目前主要有两种解决方案。第一种，预先在特殊处理的基底上沉积所需的金属电极图案，然后在氩气氛围或者真空环境下，将金属电极图案拾起并转移到沟道材料上。比如，刘渊等人(Nature2018,557:696
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700)将多种不同功函数的金属转移到二维材料上，实现沟道材料呈现出两种高器件迁移率的载流子导电特性。第二种，在沟道材料上沉积一定厚度的缓冲层，在金属电极沉积以后，随后退火将缓冲层释放。但是，第一种方案与目前的半导体器件制造工艺尚不兼容，不利于低成本大规模制造，并且由于易引入污染器件稳定性较差；第二种方案不可避免会在金属
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半导体界面残留缓冲材料，另外沉积缓冲材料的过程也会造成半导体材料晶格的缺陷。
[0005]通过搜寻现有技术，发现Bum
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KyuKim等人(NPJ2DMaterialsAndApplications2021,5(1):9)最近报道的技术与本专利技术最为接近。以下指出该报道与本专利技术的差异点：1.据Bum
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KyuKim等人报道，在蒸发金属铟时，对样品支撑台和样品采用液氮制冷，使铟能够
过冷细化得到平整的金属薄膜。其报道原文描述为：“Thesubstratecooling processleadstoanimportantresult,namelyahighlyuniformsurfacemorphologyofInfilm.”翻译为：基底冷却工艺会形成一种高度均匀表面形貌的铟薄膜。报道中还提到：“Whereas crystal
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latticedisordersthatcausedefect
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inducedgapstatesandFLPtypicallyoccurduring thehightemperaturedepositionprocessofevaporatedmetalatomswithhighthermalenergy,theIndepositedatarelativelylowthermalenergycouldapparentlyprovideacleanvdW interfacewithoutdisorderordefect.”翻译为：晶格紊乱会导致缺陷诱导的界面态和费米能级钉扎，它通常发生在具有高热能的蒸发金属原子的高温沉积过程中，而在沉积的铟原子具有相对较低的热能，显然可以提供一个洁净的范德瓦尔斯界面，没有紊乱或缺陷。作者将完美的金属
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二维材料界面的获得归因于“蒸发温度低的铟原子热能较低”。基于作者这一思路，对沉积的金属有极大的限制，必须选择“低熔点、高蒸汽压”的金属才能获得完美金属
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二维材料界面，如铟，铋，锡，但不适用于铜，镍，铬等工艺中常用的高熔点低蒸汽压的金属。这一点与本专利产生本质差异；2.此报道中的方法无法适用于溅射镀膜工艺。并且在其所报道的蒸发镀膜工艺中，铟蒸发温度虽低但其蒸发原子仍具备破坏二维材料晶格结构的动能。3.另一方面，报道中使用降低样品温度的方法。但是处于低温的样品并不能让金属原子提前减速。实际上，高真空环境下，蒸发原子不接触样品几乎不会降温。这一点也与本专利产生本质差异。
[0006]本专利技术人认为，完美金属
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半导体界面的核心在于两个方面：第一，高能的金属原子“软着陆”在半导体材料上，即让高能的金属原子在到达半导体材料之前被减速，以极低的动能落在带有目标基底上；第二，携带一定热能的金属原子在碰撞过程中被带走热量，将对半导体材料局部加热的可能降到最低。
[0007]值得注意的是，传统的“软着陆”主要利用外加电场或者磁场使得带电的金属原子在沉积方向上减速。但是，它仍存在几个问题：第一，高能金属原子动能不一，难以精准控制减速，沉积效率大大降低；第二，金属原子的热能无法释放，沉积到基底上仍会造成半导体材料局部加热；第三，金属沉积设备复杂，制造难度加大；第四，沉积的金属原子可能并非都携带电荷，或者只有少部分使携带电荷的。而电场对于不带电荷的离子无作用，因此导致其效果降低。

技术实现思路

[0008]技术问题：本专利技术所要解决的技术问题是提供制备高质量半导体电极接触的设备及其金属原子沉积方法，是一种制备高质量，无界面钉扎的二维材料器件中电极接触的设备和金属原子沉积方法，利用氩气分子缓冲和液氮制冷降低金属原子沉积至样品前的动能，从而达到金属原子在半导体晶格上软着陆。
[0009]技术方案：本专利技术的一种制备高质量半导体电极接触的设备，在真空腔体中的下部设有控温单元，在控温单元上面设有热界面黏附层，在热界面黏附层上面设有衬底，在真空腔体中的上部设有沉积源，在真空腔体中部的一侧设有进气口，在真空腔体中部的另一侧设有出气口。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备高质量半导体电极接触的设备，其特征在于，所述的半导体电极接触的设备，在真空腔体(7)中的下部设有控温单元(3)，在控温单元(3)上面设有热界面黏附层(4)，在热界面黏附层(4)上面设有衬底(5)，在真空腔体(7)中的上部设有沉积源(6)，在真空腔体(7)中部的一侧设有进气口(1)，在真空腔体(7)中部的另一侧设有出气口(2)。2.根据权利要求1所述的制备高质量半导体电极接触的设备，其特征在于，所述的真空腔体(7)中部的衬底(5)上方设有表面冷却装置(31)；所述的表面冷却装置(31)包括致冷部分(311)，冷却剂引入管道(312)，蒸发粒子的通道(313)，其中，致冷部分(311)为格栅状，其一端接有冷却剂引入管道(312)，格栅之间为蒸发粒子的通道(313)。3.根据权利要求1所述的制备高质量半导体电极接触的设备，其特征在于，所述的控温单元(3)包括温控台(32)，液氮循环管进口(321)，液氮循环管出口(322)，在77
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500K温度范围内设定温度，通过控制加热功率自动调节至设定温度。4.根据权利要求1所述的制备高质量半导体电极接触的设备，其特征在于，所述的热界面黏附层(4)由高导热、低热膨胀系数、热稳定性良好材料制成。5.根据权利要求1所述的制备高质量半导体电极接触的设备，其特征在于，所述的衬底(5)为具体样品，大小可由实际需求和热界面黏附层大小确定；所述的沉积源(6)是预沉积的金属材料。6.根据权利要求1所述的制备高质量半导体电极接触的设备，其特征在于，所述的真空腔体(7)由不锈钢或者石英玻璃制成，一侧是进气口，另一侧是出气口，出气口位置略高于衬底，进气口位置高于出气口。7.一种如权利要求1
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6任一项所述的制备高质量半导体电极接触的设备的金属原子沉积方法，其特征在于，将氩气通过进气口(1)管道引入真空腔体(7)中，氩气流动经过衬底(5)位置，从出气口(2)排出；控温单元(3)控制衬底(5)温度在更低的温度区间，使氩气分子在冷面附近聚集并形成“气垫”，利用氩气分子缓冲降低金属粒子沉积至样品前的动能，控温单元(3)使衬底(5)附近氩气分子和沉积金属原子迅速降温，从而达到金属原子在半导体材料晶格上软着陆。8.根据权利要求7所述的制备高质量半导体电极接触的设备的金属原子沉积方法，其特征在于，将氩气通过进气口(1)管道引入真空腔体(7)中，氩气流动经过衬底(5)位置，从出气口(2)排出；控温单元(3)包括温控台(32)、液氮循环管进口(321)、液氮循环...

【专利技术属性】
技术研发人员：万能，陈若望，田明，王明渊，束俊鹏，施辉，谭淋丰，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：