利用优化电子束蒸发(EBE)抑制金属-半导体(M-S)接触的退化

《Micro and Nano Engineering》：Mitigating the degradation of metal–semiconductor contacts with optimized electron beam evaporation

　　

研究人员提出了一种改进的电子束蒸发(EBE, Electron Beam Evaporation)装置，可在4英寸半导体样品金属镀膜过程中抑制带电粒子（电子与离子）对样品的轰击。研究人员对不同腔室配置下的载流子通量进行了原位(in-situ)测量。通过对比在未加装与加装优化EBE装置下制备的铂-硅(Pt-Si)肖特基(Schottky)二极管，结果表明减少带电粒子轰击可降低费米能级钉定(Fermi level pinning)，从而在n型硅(n-Si)上获得更高的肖特基势垒高度(SBH, Schottky Barrier Height)。

论文解读：《Mitigating the degradation of metal–semiconductor contacts with optimized electron beam evaporation》

本文发表于《Micro and Nano Engineering》。电子束蒸发(EBE, Electron Beam Evaporation)是半导体器件制备中常用的物理气相沉积(PVD, Physical Vapor Deposition)手段，具备可蒸镀难熔金属、与lift-off工艺兼容等优点。然而，EBE过程中坩埚会产生背散射电子、二次电子及离子，这些带电粒子轰击样品会导致电子束光刻胶（如PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯）起泡、开裂，并在半导体衬底（如Si、Ge、III-V族材料）近表面引入缺陷态（陷阱能级），引起费米能级钉定(Fermi level pinning)，降低金属-半导体肖特ky二极管的势垒高度(SBH, Schottky Barrier Height)并增大反向漏电流。以往单纯使用挡板或坩埚内置磁铁无法完全屏蔽带电粒子，且带有圆柱形电极的改良方案不适用于大尺寸晶圆。为此，研究人员开发了一种仅依靠被动磁铁（坩埚磁铁CM与双环磁铁DM）及热传导隔片(spacer)的改良EBE装置，旨在彻底抑制4英寸晶圆表面的带电粒子通量，并验证其对PMMA保护及Pt/n-Si肖特基接触电学特性的改善作用。

主要关键技术方法

研究人员在商用EBE腔室内实施三项硬件改造：(1) 在坩埚加热体(Crucible hearth)盖板内集成坩埚磁铁(Crucible Magnet, CM)偏转杂散电子；(2) 于坩埚与铜水冷基座间加隔热spacer以降低达到同等蒸发速率所需的灯丝发射电流(I_emi)从而减少辐射剂量；(3) 在坩埚与样品间加装可调位置的轴向充磁双环形磁铁(Double ring Magnets, DM)偏转带电粒子至腔壁。以Cu蒸发检测PMMA双层光刻胶(150 nm 200K / 80 nm 50K)起泡情况作为定性指标；以绝缘铝板连接万用表原位测量基板净电流(I_sub)定量表征入射电子/离子通量；在n型Si(<100>, 1–5 Ω·cm)上制作Pt肖特基二极管（背面蒸Al退火形成欧姆接触），通过I-V特性提取理想因子(n)与SBH(Φ_n，采用考虑串联电阻R_s的热电子发射模型拟合)。

2. Optimization of EBE process（EBE工艺优化）

研究人员介绍了标准EBE腔内带电粒子与电磁波辐射的来源，指出中性金属蒸气无法被屏蔽但带电粒子可通过磁场偏转。早期方案需加围样件的圆柱电极，限制样品尺寸。本工作取消圆柱电极，仅依靠CM+DM磁铁组合及spacer完成改造。通过Cu在PMMA上的蒸镀实验发现：仅加CM时PMMA仍严重起泡(blistering)；联合使用CM与DM并将DM置于坩埚至样品路径约2/3处时，4英寸晶圆表面无损伤，证明该被动磁偏转配置可有效屏蔽导致光刻胶损伤的带电粒子轰击。

3. Charging carrier flux experiments（载流子通量实验）

研究人员使用绝缘Al板在低于蒸发阈值的I_emi=80 mA（Pt靶材）下测量I_sub。结果显示：无磁铁时I_sub（快门开/关）为130 μA / 65 μA；仅CM时为40 μA / 20 μA；CM+DM时降至29 μA / 11 μA。旋转沉积模式下无磁铁峰值I_sub达490 μA，CM+DM下仅31 μA，降幅更显著。此外提高蒸发速率（增大I_emi）虽使I_sub近似线性增加，但因沉积时间缩短，单位厚度薄膜累积带电粒子剂量降低。结论：CM+DM组合显著降低基板受辐照电子通量，且采用较高蒸发速率有助于进一步减小总剂量。

4. Influence of EBE optimizations on Schottky diodes（EBE优化对肖特基二极管的影响）

研究人员在轻掺杂n-Si上制作100–500 μm边长方形Pt接触(110–130 nm, 1.5 ?/s)，对比三种配置：(i)无磁铁，(ii)仅CM，(iii)CM+DM（均含spacer）。I-V测试表明：(i)反向漏电流最高(~10^?8A)，器件间离散度大；(ii)漏电流降一个数量级但仍偏高；(iii)漏电流低至~10^?10A且离散度极小。由热电子发射模型拟合得平均SBH(Φ_n)：(i)无磁铁0.726±0.039 eV，(ii)仅CM 0.746±0.014 eV，(iii)CM+DM 0.842±0.011 eV（文献报道Pt/n-Si上限为0.75–0.84 eV）。无磁铁组因电子轰击在Si中引入缺陷态(D_it)导致费米能级钉定加剧、有效SBH降低；CM+DM通过抑制界面缺陷使SBH恢复至文献上限。Pt-Si自然硅化物(PtSi/Pt₂Si)在各组中均存在，磁铁配置降低而非增加基板受热，故SBH提升源于界面质量改善而非硅化层增厚。

结论(Conclusion)总结翻译

研究人员展示了对EBE设备的改良——联合使用强环形磁铁、坩埚内置磁铁及调控坩埚热传导的spacer——足以屏蔽样品免受蒸发过程中带电粒子轰击，且该方案仅需对腔室做微小被动式改动。原位基板电流测量证实了带电粒子通量的抑制效果。Pt-Si肖特ky二极管实验证明此改良显著减少带电粒子诱导的缺陷生成，获得高质量二极管，其肖特基势垒高度达到已报道文献值的上限。研究人员认为类似改装可推广至其他EBE设备，以减轻抗蚀剂层损伤并获得更高质量的金属-半导体界面。