二维半导体-金属欧姆接触结构、制备方法及应用

1.本发明涉及半导体，具体涉及一种二维半导体-金属欧姆接触结构、制备方法及应用。


背景技术：

2.最新的国际半导体路线路(itrs2.0)指出，二维半导体材料凭借其超薄原子级厚度、表面无悬挂键、可调带隙、高迁移率、免疫短沟道效应、良好空气稳定性、可大面积制备、与硅基工艺相兼容和可任意范德华集成等诸多优点，被认为是后摩尔时代微电子器件沟道材料最具潜力的候选者之一。
3.然而二维半导体-金属界面存在的费米能级钉扎效应导致形成很高的肖特基势垒和接触电阻，这严重限制了二维半导体器件的性能提升，特别是随着沟道长度的缩小，极大影响了开态电流的提高。对于硅基器件，其欧姆接触的实现是通过对接触区域进行离子束注入重掺杂，显著减薄金属-半导体间的肖特基势垒宽度，增大量子隧穿概率实现的。而具有超薄厚度的二维材料难以忍受高能离子束的能量轰击，与离子束注入方式不兼容。经过多年的发展，科学家已经开发了很多方法降低接触电阻，包括边缘接触、低功函数金属、超高真空蒸镀、低能量金属集成、隧穿接触等。然而这些方法报道的接触电阻依旧很大，比硅基器件(100ω
··
μm)普遍高1-2个数量级，仍旧不能满足逻辑器件的性能需求。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的一个目的是提供一种欧姆接触结构，解决二维半导体器件接触电阻高、可靠稳定性不足的问题。
5.本发明的另一目的是提供一种欧姆接触结构的制备方法，可以沉积取向的半金属锑，与二维半导体具有强的范德华相互作用和能带杂化，实现载流子在接触界面的无势垒传输。
6.本发明的另一目的是提供一种半导体器件，具有小器件尺寸、降低接触电阻，提高电流密度。
7.技术方案：为实现上述目的，本发明的提供一种欧姆接触结构，包括二维半导体层，二维半导体层上沉积半金属锑或含有半金属锑的合金形成欧姆接触。
8.优选的是，所述半金属锑为取向，取向的锑半金属特性可以有效抑制金属诱导能隙态的产生，避免费米能级钉扎效应，取向的锑具有很低的功函数，与二维半导体的导带底匹配，形成≤0的肖特基势垒；取向的锑与二维半导体之间具有很小的原子间距和很强的范德华相互作用力，有助于界面间的载流子传输；取向的锑层间具有很强的化学键，减小电极内部的电阻；取向的锑的熔点在630℃以上，具有强健的温度可靠性，与半导体器件工艺相兼容。
9.其中，二维半导体层材料为二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、二硒化钨、二硫化铼、
黑磷、硅烯、磷硒、锗烯、硒化铟、硫化锡中的任一种。
10.本发明提供了一种欧姆接触结构的制备方法，包括如下步骤：
11.将有二维半导体层的样品置于真空镀膜设备中；
12.抽真空后设备加热至预设温度，进行真空镀膜，完成二维半导体材料层上的半金属锑或含有半金属锑的合金沉积。
13.优选的是，抽真空至真空度高于10-6
torr，预设温度范围为50-600℃，蒸镀速率0.05～0.3埃每秒，蒸镀1-30纳米，在高温下的缓慢的蒸镀速率促使锑原子在二维半导体表面有序排列形成取向。
14.一个实施例中，真空镀膜为电子束真空镀膜、磁控溅射真空镀膜或热蒸镀真空镀膜，其中，电子束真空蒸镀提供精确沉积温度、膜厚控制。
15.本发明提供包括欧姆接触结构的半导体器件，半导体器件为背栅场效应晶体管、顶栅场效应晶体管、三极管、二极管、光电晶体管、节晶体管、金属-半导体晶体管、异质结绝缘栅晶体管、调制掺杂晶体管、晶闸管、发光二极管、光电探测器、半导体激光器、功率器件、铁电晶体管、鳍型晶体管、环栅晶体管、互补晶体管和三维堆叠晶体管中的任一种。
16.一个实施例提供了一种应用欧姆接触结构的半导体器件，包括衬底和沉积在衬底上述的欧姆接触结构，所述欧姆接触结构上沉积有导电金属，衬底具有栅极和栅介质层。
17.优选的是，所述栅介质层为氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化锆、氧化镧、氧化钛、氮化硼、云母、氮化硅、pzt、hzo中至少一种，所述栅极为导电金属、ito、重掺硅、石墨烯、金属性碳纳米管中任一种。
18.所述导电金属为金、银、铜、铝、铂、镍、钛、ito、钨、钯、钴、钼中的至少一种。
19.所述衬底为氧化硅、蓝宝石、石英、玻璃、氮化硅、聚酰亚胺、pdms、pmma、bcb、pet、pen中的任一种。
20.有益效果：本发明采用半金属锑作为接触电极，其与二维半导体具有很强的范德华相互作用和能带杂化，实现载流子在接触界面的无势垒传输；具有较高的熔点和稳定性，增强器件的可靠稳定性；半金属锑接触的二维半导体器件可以实现更优异的性能，接触电阻降低至42ω
·
μm，传输长度低至5.1纳米，电流密度在1.5v源漏电压下可达1.54ma/μm，远高于硅基finfet和gaafet的结果；本发明可以用于多种类型的二维半导体器件和电路中。
附图说明
21.图1为本发明实施例中一种底栅二维半导体器件的结构示意图；
22.图2为-二硫化钼接触和sb(0001)-二硫化钼接触的密度泛函理论计算结果，其中a为二硫化钼接触(a)，b为sb(0001)-二硫化钼接触的能带结构图，实心小球和空心小球分别代表二硫化钼和sb的轨道，球的大小代表了相对贡献；c-d分别是和sb(0001)接触的费米能级附近电荷密度(左图)和微分电荷密度(右图)；e-g分别是两种接触的费米能级处的积分态密度(e)，通过bader电荷分析的从sb到二硫化钼的电荷转移(f)和sb-二硫化钼间的界面范德华相互作用能(g)；
23.图3为和sb(0001)两种接触方式与其他二维半导体接触的界面范德华相
互作用能；
24.图4为两种蒸镀温度工艺在二硫化钼薄膜上沉积锑膜的xrd表征结果；
25.图5为本发明实施例中在硅衬底上的二硫化钼薄膜上蒸镀15纳米取向的锑膜的拉曼光谱；
26.图6为本发明实施例中在蓝宝石衬底上的二硫化钼薄膜上蒸镀了5纳米取向的锑膜的低温光致发光光谱；
27.图7为本发明实施例中在蓝宝石衬底上的二硫化钼薄膜蒸镀了20纳米取向的锑膜的高分辨扫描透射电子显微镜成像；
28.图8为本发明实施例中所制备的单层二硫化钼底栅晶体管的测量数据，其中(a)不同沟道长度的转移曲线，插图为对应器件的扫描电子显微镜成像；(b)根据传输线模型对(a)中器件的接触电阻提取结果，在载流子浓度为3*10
13
cm2时，接触电阻为42ω
·
μm，传输长度为5.1纳米；(c)本发明测量接触电阻的结果与其他技术的对比图，图中五角星为本发明的测量结果，从图中可以看出，我们的测量数据远低于其他二维半导体器件的结果，甚至比硅器件和氮化镓器件还要低，接近于量子极限值；(d)接触电阻随温度的变化规律图；
29.图9为本发明实施例中所制备的单层二硫化钼底栅晶体管的测量数据，其中(a)不同温度下单层二硫化钼晶体管的转移曲线，源漏电压为0.1v，沟道长度为1微米；(b)从(a)图中提取的阿列纽斯曲线；(c)从(b)图中提取的势垒与栅压的变化曲线，从左侧线性区截止出提取的肖特基势垒为-20mev；
30.图10为本发明实施例中所制备的单层二硫化钼底栅晶体管的测量数据。(a)20纳米沟道长度的单层二硫化钼晶体管的转移曲线，源漏电压分别为0.1v，0.55v和1v；插图为对应器件的扫描电子显微镜照片；(b)20纳米沟道长度的单层二硫化钼晶体管的输出曲线；实线是直流模式的测量结果，栅压从-2v增加至10v，步长为2v；点线是脉冲模式的测量结果，栅压从6v增加至10v，步长为2v；(c)源漏电压为1v时，不同器件技术的电流密度对比结果，五角星为本技术的结果，从图中可以看出，本技术制备的单层二硫化钼器件在不同沟道长度下均有先进性，高于其他二硫化钼器件的结果，达到了平面硅器件的水平，远高于硅基finfet和gaafet的结果；
31.图11为锑和铋接触的二硫化钼器件的高温可靠性测量结果：a是锑接触器件在125℃氮气环境中不同时间测量的转移曲线；b-c分别是同一个器件在125℃初始时刻和24小时后测量的输出曲线，从下到上，栅压从-2v增加至10v，步长为2v；c是铋接触器件在125℃氮气环境中不同时间测量的转移曲线；e-f分别是同一个器件在125℃初始时刻和24小时后测量的输出曲线，从下到上，栅压从-2v增加至10v，步长为2v；
32.图12为锑和锑(0001)接触的二硫化钼器件的统计性测量结果：a-b分别给出了两种接触的接触电阻(a)和传输长度(b)的统计直方图；c是两种接触的100纳米沟道长度器件的转移曲线，源漏电压为1v；d是从c图中提取的开态电流的散点分布图。
具体实施方式
33.下面结合实施例和附图对本发明进行进一步说明。
34.本发明一个实施例通过优化蒸镀工艺可实现在二硫化钼薄膜上实现半金属锑
的可控沉积，具体制备过程如下：
35.(1)利用化学气相沉积法在蓝宝石衬底和硅衬底上生长单层二硫化钼薄膜；
36.(2)将带有单层二硫化钼薄膜的样品放置于电子束蒸发系统中，抽真空3个小时，真空度约为1
×
10-7
torr，打开加热汞灯，将腔体温度缓慢加热至150℃，根据温度贴纸测量结果，此时样品温度为100℃。
37.(3)打开电子束灯丝，对装有高纯锑颗粒的坩埚进行加热，空蒸20纳米锑后；打开遮板，对样品进行镀膜操作，蒸镀速率0.05～0.3埃每秒，蒸镀1-30纳米；待温度降低至室温，对电子束蒸发系统破真空，既可实现在二硫化钼上完成锑薄膜的沉积。
38.若在整个蒸镀工艺中不采取任何加热操作，可以蒸镀得到(0001)取向的锑膜。
39.采用密度泛函理论计算研究了单层二硫化钼与半金属锑的能带杂化机制，计算结果如图2所示，由图可知对于锑-二硫化钼接触后，mo的d轨道与锑的p和s轨道构成的多条杂化能带在费米能级之下，有效将二硫化钼的导带底拉低至费米能级以下约0.4ev；对于锑(0001)-二硫化钼接触后，位于费米能级以下的能带主要来自于锑的p和s轨道，二硫化钼的能带都在费米能级之上。两种接触在费米能级位置的可视化能带杂化情况通过部分电荷分布图所表示，由图可知，分布在锑和二硫化钼层的电荷相比锑(0001)-二硫化钼接触更多。进一步通过微分电荷密度研究了两种接触界面的电荷转移效率，如图2.c-d的右半部分。通过对二硫化钼费米能级位置的态密度积分和bader电荷转移，能带杂化和电荷转移被量化，如图2(g)-(f)所示。在以上对比中，锑-二硫化钼接触呈现增强效果。
40.为了探索锑-二硫化钼接触带来增强的能带杂化和电荷转移的物理起源，计算了接触后的界面范德华相互作用能如图2(g)。通过计算可知，锑-二硫化钼接触的范德华相互作用能为3.33ev/cm2，高于锑(0001)-二硫化钼接触的结果(2.62ev/cm2)。这是由于取向的锑膜在接触界面具有更紧凑的排列和原子密度。此外，如图3所示，计算锑与二硒化钨、二硫化钨和二硒化钼接触的界面范德华相互作用能，都显著高于锑(0001)接触的结果，这进一步证明锑对多种二维半导体材料具有普适效果，并不局限本实施例公开的二维半导体材料，对二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、二硒化钨、二硫化铼、黑磷、硅烯、磷硒、锗烯、硒化铟、氧化锡等二维半导体材料均具有普适效果。
41.对这两种蒸镀方式得到的锑膜进行xrd表征，结果如图4所示，可以看出，高温蒸镀的锑膜存在很强的信号峰，室温蒸镀的锑膜只有很弱的(0003)信号峰。因此可以证明，通过优化蒸镀工艺，可以实现取向的sb膜制备，为实现欧姆接触的晶体管提供基础。
42.根据以上测试可知，采用半金属锑作为接触电极，其与二维半导体具有很强的范德华相互作用和能带杂化，实现载流子在接触界面的无势垒传输，取向的锑性能优于(0001)取向的锑。
43.如图5所示，采用拉曼光谱仪器对蒸镀15纳米锑膜的二硫化钼样品进行室温
的拉曼测试，锑膜的特征峰为111cm-1
和149cm-1
，这证明了所蒸镀的锑膜为半金属性。
44.如图6所示，采用低温光致发光谱仪对蒸镀5纳米锑膜的二硫化钼样品进行6k温度的光致发光谱测试，在蒸镀锑膜前后，二硫化钼的低温光致发光谱没有明显的峰位移动，在1.6-1.8ev范围内未看到缺陷峰，这表明蒸镀锑膜的过程不会对二硫化钼产生破坏和损伤。
45.采用透射电子显微镜对锑膜-二硫化钼界面的结构进行表征，如图7(a)所示，锑原子与二硫化钼平行排列，锑原子的层间距为0.315纳米，与锑膜的理论结构相一致。图7(b)展示了局域高分辨的成像，表明锑膜与二硫化钼间没有缺陷产生，形成完美干净的界面。
46.本发明另一实施例在重掺杂硅衬底上制备欧姆接触的二维半导体晶体管，制备过程如下：
47.(1)在重掺杂硅衬底上通过原子层沉积工艺沉积14纳米氧化铪。将衬底放入原子层沉积腔体中，对腔体抽真空，升温至150度，保持10分钟后，以四(二甲胺基)铪作为金属源，氧等离子体作为氧化源，生长110个循环，厚度约为14纳米。待生长结束后，将衬底取出；
48.(2)二硫化钼薄膜从蓝宝石衬底上转移至前面所述的氧化铪/重掺杂硅衬底上。在长有二硫化钼薄膜的蓝宝石衬底上旋涂一层pmma支撑层，旋涂条件：以2000转每分钟的转速旋涂1分钟，在热台上150℃烘烤2分钟。然后，在其表明贴合一层热释放胶带；将其放置于2mol/l的氢氧化钾溶液中，氢氧化钾会刻蚀蓝宝石衬底，待硫化钼与蓝宝石分离后，将热释放胶带/pmma/二硫化钼结构用去离子水冲洗几次，贴在氧化铪/重掺杂硅衬底上，用热台加热释放热释放胶带；
49.(3)将步骤(2)所述的pmma作为掩膜层，利用电子束曝光系统和等离子体刻蚀系统对连续的二硫化钼薄膜图形化成条带，利用丙酮去除多余的pmma；
50.(4)再次对样品旋涂一层4000转pmma作掩膜层，利用电子束曝光系统图形化出二维半导体器件的电极图案，将其放置于电子束蒸发系统中，抽真空5个小时，真空度约为1
×
10-7
torr，打开加热汞灯，将腔体温度加热至150度，根据温度贴纸测量结果，此时样品温度为100度；
51.(5)打开电子束灯丝，对装有高纯锑的坩埚进行加热，空蒸20纳米锑后；打开遮板，对样品进行镀锑膜操作，蒸镀速率0.05～0.3埃每秒，蒸镀20纳米；然后在其表面再蒸镀40纳米金，蒸镀速率0.3-0.6埃每秒。蒸镀完成后，将样品取出；采用80℃热丙酮对样品剥离，去除多余的pmma，用ipa冲洗多余的丙酮，用氮气枪吹干样品。
52.将本实施例中制备的器件放置真空探针台，抽真空至10-5
pa，进行电学测量，具体结果如下：
53.接触电阻测量：如图8.a展示了不同沟道长度的二维半导体器件的转移曲线，沟道长度分别为0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.5微米，源漏电压为0.1v；插图是对应器件的扫描电子显微镜图像；如图8.b所示，通过传输线模型，提取二维半导体器件的接触电阻，当载流子浓度为3*10
13
cm2时，接触电阻为42ω
·
μm(接近量子极限)，对应传输长度为5.1纳米，这是目前二维半导体器件领域报道最低的结果。
54.此外，如图8.c所示，将本发明的结果与其他技术进行了对比，实现了更高的载流子浓度和更小的接触电阻，低于比硅、氮化镓等半导体器件的结果，接近量子极限。
55.肖特基势垒测量：对另外一组二维半导体器件进行温度的依赖性测量，测量温度从50-400k，采用相同的方式，对不同温度下二维半导体器件的接触电阻进行测量，从图8(d)可以看出，接触电阻和温度没有相关性，这进一步表明半金属锑与二硫化钼之间的接触是一种隧穿机制的欧姆接触。通过变温测量，提取了半金属锑与二硫化钼之间的肖特基势垒，图9.a-c分别是二维半导体器件的变温转移曲线、阿列纽斯曲线和势垒曲线，其肖特基势垒为-20mev，并且从50k的输出曲线(图9.d)可以看出，50k温度下，输出曲线依旧保持高线性度，这充分证明了取向的半金属锑与二硫化钼之间是欧姆接触。
56.高性能短沟道器件测量：如图10.a插图展示了一个20纳米沟道长度的单层二硫化钼晶体管的扫描电子显微镜图像。图10.a-b展示了这个器件的转移曲线和输出曲线，从数据中看出，器件具有109的开关比和可以忽略的漏致势垒降低效应和1v的饱和电压，特别是源漏电压为1.5v时，器件的开态电流在脉冲测试模式下高达1.54ma/μm，这是目前二维半导体器件报道最高的结果。此外，将该结果与其他技术相比，图中五角星是本实施例的测量结果，从图10.c中可以看出，制备的单层二硫化钼器件从长沟道至短沟道都展现出性能的优异特性，达到了平面硅器件的水平，高于硅基finfet和gaafet的结果，高于国际器件和系统路线图在2028年对逻辑器件的性能要求。
57.温度可靠性测量：对锑接触和铋接触的二硫化钼器件进行了热可靠性测量，测量环境为125℃(芯片工作的极限温度)的氮气环境中。如图11.a-c所示，锑接触器件在125摄氏度下不同时间段的重复测量展现出惊人的可重复性，器件开态电流在125摄氏度保持24小时后没有发生衰减；如图11.d-f所示，对比的铋接触器件随着时间的增加，其开态电流逐渐衰减，在保持24小时后衰减41％。对比表明半金属锑与二维半导体的接触界面具有更优异的热稳定性。
58.晶体管阵列的统计性测量：对锑接触和锑(0001)接触的晶体管阵列进行测量。采用如前所述的传输线模型对两种接触方式的器件接触电阻和传输长度进行统计分布，如图12.a-b为锑-二硫化钼接触和锑(0001)-二硫化钼接触的接触电阻和传输长度的直方图统计结果，从图中可以看出，锑接触的平均接触电阻为232
±
94ω
·
μm，比锑(0001)接触低3.1倍。传输长度具有相同的趋势结果。这表明锑可以实现高稳定性和高可重复性的接触。此外，还对两种接触的100纳米沟道长度的二硫化钼器件进行统计性测量分析，如图12.c-d所示，得益于锑接触更低的接触电阻，锑接触器件具有更高的开态电流密度，平均比锑(0001)接触器件高38％，这进一步证明锑-二硫化钼接触界面的载流子传输的高效性。
59.本发明通过高温蒸镀工艺沉积半金属锑作为接触电极，抑制金属-半导体间的金属诱导能隙态，增强金属-半导体间的范德华相互作用和能带杂化，首次实现了接触电阻低至42ω
·
μm，传输长度低至5.1纳米，电流密度在1.5v源漏电压下达到1.54ma/μm的二维半导体晶体管。同时，这种欧姆接触技术具有高温度可靠性和高可重复性，适用于多种
类型的二维半导体器件，半导体器件包括背栅场效应晶体管、顶栅场效应晶体管、三极管、二极管、光电晶体管、节晶体管、金属-半导体晶体管、异质结绝缘栅晶体管、调制掺杂晶体管、晶闸管、发光二极管、光电探测器、半导体激光器、功率器件、铁电晶体管、鳍型晶体管、环栅晶体管、互补晶体管和三维堆叠晶体管中的任一种。
60.本发明的真空镀膜并不限于实施例公开的方式，热蒸发、磁控溅射、分子束外延、等离子体增强化学沉积、激光脉冲沉积、原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积同样可以适用。
61.以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。对于本领域技术人员，当可在本发明精神内，立即思及各种等效变化。故凡依本发明的概念与精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明的保护范围内。本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所公开的全部目的或优点或特点。