本發(fā)明涉及材料制備領(lǐng)域，特別是涉及一種利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)有技術(shù)中，在半導(dǎo)體襯底表面直接生長金屬薄膜層時(shí)，生長的金屬薄膜層與半導(dǎo)體襯底的界面的接觸特性比較差，且生長的金屬薄膜層的質(zhì)量不好，穩(wěn)定性較差。如圖1所示，圖1為在Ge襯底表面直接形成Ni金屬層后于400℃退火處理30s后得到的樣品的TEM圖，由圖1可知，無論是NiGe薄膜層的表面還是NiGe薄膜層與所述Ge襯底的界面均凸凹不平，厚度不均勻。

為了解決上述問題，現(xiàn)有的改進(jìn)方法為現(xiàn)在半導(dǎo)體襯底表面形成一層插入層，而后再在插入層表面形成金屬薄膜層，現(xiàn)有的插入層的材料一般為Al、Ti或Pd。然而，傳統(tǒng)的插入層并不能襯底解決上述問題，且傳統(tǒng)的插入層多為金屬層，會(huì)對后續(xù)生長的金屬薄膜層的性能造成一定的不良影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中在半導(dǎo)體襯底表面生長金屬薄膜層存在的金屬薄膜層的質(zhì)量不好，穩(wěn)定性較差的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的的他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法，所述方法包括以下步驟：

1)提供半導(dǎo)體襯底；

2)在所述半導(dǎo)體襯底表面形成石墨烯；

3)對所述石墨烯進(jìn)行離子注入，以得到密度可控的缺陷石墨烯；

4)在所述缺陷石墨烯表面形成金屬層；

5)對步驟4)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，形成金屬-半導(dǎo)體合金層。

作為本發(fā)明的利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法的一種優(yōu)選方案，步驟1)與步驟2)之間，還包括對所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行RCA清洗的步驟。

作為本發(fā)明的利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中，在所述半導(dǎo)體襯底表面形成的石墨烯為一層或多層。

作為本發(fā)明的利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中，采用化學(xué)氣相沉積法或轉(zhuǎn)移法在所述半導(dǎo)體襯底表面形成所述石墨烯。

作為本發(fā)明的利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中，采用直接轉(zhuǎn)移法或PMMA轉(zhuǎn)移法在所述半導(dǎo)體襯底表面形成所述石墨烯。

作為本發(fā)明的利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)中，對所述石墨烯進(jìn)行離子注入的注入元素H、B或P。

作為本發(fā)明的利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)中，對所述石墨烯進(jìn)行離子注入的注入能量為1keV～600keV，注入劑量為1E14～1E17。

作為本發(fā)明的利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)中，采用電子束蒸發(fā)法、磁控濺射法或物理氣相沉積法在所述缺陷石墨烯表面形成所述金屬層。

作為本發(fā)明的利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)中，所述金屬層的材料為Ni、Co、Ti、Pt、NiPt、NiTi或TiPt，所述金屬層的厚度為2nm～1000nm。

作為本發(fā)明的利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法的一種優(yōu)選方案，對步驟4)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理的退火氣氛為真空、N₂、Ar或氮?dú)浠旌蠚?，退火溫度?00℃～1000℃，退火時(shí)間為15s～100s。

如上所述，本發(fā)明的利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法，具有以下有益效果：本發(fā)明通過在半導(dǎo)體襯底與金屬層之間形成石墨烯插入層，石墨烯可以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體襯底與金屬層反應(yīng)的速度，使得反應(yīng)以比較緩慢的速度進(jìn)行，使得半導(dǎo)體襯底與金屬-半導(dǎo)體合金層的界面比較平整，有效地改善了半導(dǎo)體襯底與金屬-半導(dǎo)體合金層的界面的接觸特性，外延得到的金屬-半導(dǎo)體合金層質(zhì)量更好、性能更加穩(wěn)定；相較于傳統(tǒng)的插入層，石墨烯插入層具有較高的電子遷移率，可以有效地降低外延生長的金屬-半導(dǎo)體合金層電阻，降低半導(dǎo)體襯底與金屬-半導(dǎo)體合金層的接觸電阻，從而提高其電學(xué)性能。

附圖說明

圖1顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的Ge襯底表面直接形成Ni金屬層后于400℃退火處理30s后得到的樣品的TEM圖。

圖2顯示為本發(fā)明的利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法的流程圖。

圖3至圖7顯示為本發(fā)明的利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法中各步驟的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8顯示為本發(fā)明的Ge襯底表面形成石墨烯插入層、Ni金屬層后于500℃退火處理30s后得到的樣品的TEM圖，其中，所述石墨烯層離子注入的元素為B，注入劑量為2E15。

元件標(biāo)號說明

1 半導(dǎo)體襯底

2 石墨烯

3 缺陷石墨烯

4 金屬層

5 金屬-半導(dǎo)體合金層

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

請參閱圖2至圖8需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，雖圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

請參閱圖2，本發(fā)明還提供一種利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法，所述利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法包括以下步驟：

1)提供半導(dǎo)體襯底；

2)在所述半導(dǎo)體襯底表面形成石墨烯；

3)對所述石墨烯進(jìn)行離子注入，以得到密度可控的缺陷石墨烯；

4)在所述缺陷石墨烯表面形成金屬層；

5)對步驟4)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，形成金屬-半導(dǎo)體合金層。

在步驟1)中，請參閱圖2中的S1步驟及圖3，提供半導(dǎo)體襯底1。

作為示例，所述半導(dǎo)體襯底1可以為現(xiàn)有任一種半導(dǎo)體襯底，譬如，所述半導(dǎo)體襯底1可以為但不僅限于Si襯底、Ge襯底、B襯底、Te襯底、SiGe襯底、GaAs襯底。

作為示例，步驟1)之后還包括將所述半導(dǎo)體襯底1進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的RCA(Radio Corporation of America)清洗的步驟，以去除所述半導(dǎo)體襯底1表面的污染物。對所述半導(dǎo)體襯底1進(jìn) 行標(biāo)準(zhǔn)的RCA清洗的具體步驟及方法為本領(lǐng)域人員所熟知，此處不再累述。

在步驟2)中，請參閱圖2中的S2步驟及圖4，在所述半導(dǎo)體襯底1表面形成石墨烯2。

作為示例，所述石墨烯2優(yōu)選為本征石墨烯。

作為示例，在所述半導(dǎo)體襯底1表面形成的所述石墨烯2的層數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選定，即在所述半導(dǎo)體襯底1表面形成的所述石墨烯2的層數(shù)可以為一層，也可以為兩層，還可以為多層。

作為示例，可以采用化學(xué)氣相沉積法在所述半導(dǎo)體襯底1表面形成所述石墨烯2，也可以采用轉(zhuǎn)移法將預(yù)先生長好的所述石墨烯2轉(zhuǎn)移至所述半導(dǎo)體襯底1的表面。

具體的，采用化學(xué)氣相沉積法在所述半導(dǎo)體襯底1表面形成所述石墨烯2的具體方法可以包括如下步驟：

a)將所述半導(dǎo)體襯底1置于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)爐中；

b)在氫氣和惰性氣氛下，將所述半導(dǎo)體襯底1加熱至一定的溫度，所述溫度可以為但不僅限于810℃～910℃；

c)保持步驟b)中溫度不變，在氫氣和惰性氣氛下向所述反應(yīng)爐中通入碳源進(jìn)行反應(yīng)，以在所述半導(dǎo)體襯底1表面形成所述石墨烯2，所述碳源可以為甲烷、乙炔、乙烯、甲醇、乙醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚二甲基硅氧烷等；

d)反應(yīng)完畢后關(guān)閉所述碳源，并在氫氣和惰性氣氛下冷卻至室溫。

作為示例，可以采用直接轉(zhuǎn)移法或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)轉(zhuǎn)移法將所述石墨烯2轉(zhuǎn)移至所述半導(dǎo)體襯底1的表面。

具體的，以所述石墨烯2為生長在銅襯底表面的本征石墨烯作為示例，采用直接轉(zhuǎn)移法將所述石墨烯2轉(zhuǎn)移至所述半導(dǎo)體襯底1的表面的具體方法包括如下步驟：

a)選取銅襯底上生長的所述石墨烯2；

b)將表面生長有所述石墨烯2的所述銅襯底置于腐蝕溶液中腐蝕2小時(shí)，所述腐蝕溶液可以為一定濃度(譬如濃度為0.1g/ml)的Fe(NO₃)₃溶液或FeCl₃溶液，使所述石墨烯2與所述銅襯底分離；

c)利用準(zhǔn)備好的所述半導(dǎo)體襯底1將所述石墨烯2撈起，即將所述石墨烯2轉(zhuǎn)移至所述半導(dǎo)體襯底1的表面。

作為示例，使用Fe(NO₃)₃溶液或FeCl₃溶液使所述石墨烯2與所述銅襯底分離之后，利用準(zhǔn)備好的所述半導(dǎo)體襯底1將所述石墨烯2撈起之前，還可以包括將所述石墨烯2置于一定摩爾濃度(譬如摩爾濃度為10％)的HCl溶液中腐蝕1小時(shí)，以去除所述石墨烯2表面殘留的銅的步驟。

具體的，以所述石墨烯2為生長在銅襯底表面的本征石墨烯作為示例，采用PMMA轉(zhuǎn)移法將所述石墨烯2轉(zhuǎn)移至所述半導(dǎo)體襯底1的表面的具體方法包括如下步驟：

a)選取銅襯底上生長的所述石墨烯2；

b)將PMMA均勻涂覆在所述石墨烯2的表面；

c)將表面生長有所述石墨烯2的所述銅襯底置于腐蝕溶液中腐蝕2小時(shí)，所述腐蝕溶液可以為一定濃度(譬如濃度為0.1g/ml)的Fe(NO₃)₃溶液或FeCl₃溶液，使所述石墨烯2與所述銅襯底分離；

d)利用準(zhǔn)備好的所述半導(dǎo)體襯底1將所述石墨烯2撈起，即將所述石墨烯2轉(zhuǎn)移至所述半導(dǎo)體襯底1的表面；

e)利用退火法或丙酮清洗去除所述石墨烯2表面的PMMA。

作為示例，使用Fe(NO₃)₃溶液或FeCl₃溶液使所述石墨烯2與所述銅襯底分離之后，利用準(zhǔn)備好的所述半導(dǎo)體襯底1將所述石墨烯2撈起之前，還可以包括將所述石墨烯2置于一定摩爾濃度(譬如摩爾濃度為10％)的HCl溶液中腐蝕1小時(shí)，以去除所述石墨烯2表面殘留的銅的步驟。

在步驟3)中，請參閱圖2中的S3步驟及圖5，對所述石墨烯2進(jìn)行離子注入，以得到尺寸大小、密度可控的缺陷石墨烯3。

作為示例，將步驟2)得到的結(jié)構(gòu)置于離子注入機(jī)中進(jìn)行離子注入，在所述石墨烯2中所注入的元素可以為但不僅限于H、B或P

作為示例，對所述石墨烯2進(jìn)行離子注入的注入能量可以為但不僅限于1keV～600keV，注入劑量可以為但不僅限于1E14～1E17。

在步驟4)中，請參閱圖2中的S4步驟及圖6，在所述缺陷石墨烯3的表面形成金屬層4。

作為示例，可以采用電子束蒸發(fā)法、磁控濺射法或物理氣相沉積法在所述缺陷石墨烯3的表面形成所述金屬層4。采用電子束蒸發(fā)法、磁控濺射法或物理氣相沉積法在所述缺陷石墨烯3的表面形成所述金屬層4的具體方法為本領(lǐng)域人員所熟知，此處不再累述。

作為示例，所述金屬層4的材料可以為任一種金屬或合金，優(yōu)選地，本實(shí)施例中，所述金屬層4的材料可以為但不僅限于Ni、Co、Ti、Pt、NiPt、NiTi或TiPt。

作為示例，所述金屬層4的厚度可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定，優(yōu)選地，本實(shí)施例中，所述金屬層4的厚度為2nm～1000nm。

在步驟5)中，請參閱圖2中的S5步驟及圖7，對步驟4)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，形成金屬-半導(dǎo)體合金層5。

作為示例，對步驟4)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理的退火氣氛可以為真空氣氛、N₂氣氛、Ar氣氛或氮?dú)浠旌蠚鈿夥?，退火溫度?00℃～1000℃，退火時(shí)間為15s～100s。

在退火處理的過程中，所述半導(dǎo)體襯底1中的半導(dǎo)體材料會(huì)與所述金屬層4中的金屬材料發(fā)生反應(yīng)，在二者發(fā)生反應(yīng)時(shí)，所述缺陷石墨烯3起到一層阻擋層的作用，可以調(diào)節(jié)所述半導(dǎo)體材料與所述金屬材料反應(yīng)的速度，使得反應(yīng)以比較緩慢的速度進(jìn)行，從而使得所述半導(dǎo)體材料與所述金屬材料的反應(yīng)達(dá)到平衡，使得所述半導(dǎo)體襯底1與所述金屬-半導(dǎo)體合金層5的界面比較平整，有效地改善了所述半導(dǎo)體襯底1與所述金屬-半導(dǎo)體合金層5的界面的接觸特性，進(jìn)而使得外延生長的所述金屬-半導(dǎo)體合金層5的質(zhì)量更好，性能更加穩(wěn)定，如圖8所示，圖8為本發(fā)明的Ge襯底表面形成石墨烯插入層、Ni金屬層后于500℃退火處理30s后得到的樣品的TEM圖，其中，所述石墨烯層離子注入的元素為B，注入劑量為2E15，將圖8與圖1對比可知，圖8中的樣品無論是NiGe層的表面還是NiGe層與Ge襯底的界面的平整度較之圖1的樣品均由很大程度的改觀；同時(shí)，由于所述缺陷石墨烯3具有較高的電子遷移率，可以有效地降低外延生長的所述金屬-半導(dǎo)體合金層5的電阻，降低所述半導(dǎo)體襯底1與所述金屬-半導(dǎo)體合金層5的接觸電阻，從而提高了其電學(xué)性能。

請繼續(xù)參閱圖8，由圖8可知，退火過程中，所述石墨烯插入層會(huì)被完全去除，不會(huì)對形成的所述金屬-半導(dǎo)體合金層5的性能造成任何不良影響。

綜上所述，本發(fā)明提供一種利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法，所述利用可控缺陷石墨烯插入層制備金屬-半導(dǎo)體合金的方法包括以下步驟：1)提供半導(dǎo)體襯底；2)在所述半導(dǎo)體襯底表面形成石墨烯；3)對所述石墨烯進(jìn)行離子注入，以得到密度可控的缺陷石墨烯；4)在所述缺陷石墨烯表面形成金屬層；5)對步驟4)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，形成金屬-半導(dǎo)體合金層。本發(fā)明通過在半導(dǎo)體襯底與金屬層之間形成石墨烯插入層，石墨烯可以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體襯底與金屬層反應(yīng)的速度，使得反應(yīng)以比較緩慢的速度進(jìn)行，使得半導(dǎo)體襯底與金屬-半導(dǎo)體合金層的界面比較平整，有效地改善了半導(dǎo)體襯底與金屬-半導(dǎo)體合金層的界面的接觸特性，外延得到的金屬-半導(dǎo)體合金層質(zhì)量更好、性能更加穩(wěn)定；相較于傳統(tǒng)的插入層，石墨烯插入層具有較高的電子遷移率，可以有效地降低外延生長的金屬-半導(dǎo)體合金層電阻，降低半導(dǎo)體襯底與金屬-半導(dǎo)體合金層的接觸電阻，從而提高其電學(xué)性能。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理的功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。