一种制备单原子固态器件和阵列的原子掺杂方法及系统与流程

本发明涉及量子器件制造技术领域，特别是涉及一种基于离子注入的用于制备单原子固态器件和阵列的确定性原子掺杂方法及系统。

背景技术：

第二次量子革命是采用量子力学的新技术的发展，现在已经成为一个重要的研究领域。这些技术包括量子计算、量子加密、量子模拟、量子计量、生物量子传感或地质学、量子计时、量子成像和量子互联网。基于硅量子电子学或光子学的新领域，在器件开发方面取得了重大进展。例如旨在用于未来量子计算机的量子固态器件包括量子点、磁性杂质、单个嵌入杂质离子或固态矩阵中的色心，用于存储和处理量子信息。在使用这些基于硅或金刚石的核或电子自旋的固态器件的情况下，大规模器件将需要在晶体基质中精确设计单个掺杂剂原子或色心。在信息技术行业中，离子注入已经为硅产业高度发展，并且已经在利用离子注入来构建在硅和其他材料中用单原子设计的器件方面取得了重大进展。为了制造一个或多个单原子阵列，已经开发了确定性离子注入技术。

离子注入技术与用于制造单原子半导体器件的工艺流程兼容，具有该行业的标准工具。将快速离子注入半导体材料具有悠久的历史，并且半导体工业目前在制造典型的大规模集成电路中也采用许多注入步骤。因此，将此标准技术用于制备单原子固态器件和阵列的确定性量子掺杂是有吸引力的。虽然离子注入是将掺杂剂原子引入半导体材料的行业标准技术，但将该技术应用于确定性掺杂有两个挑战：第一种是从衬底产生注入信号，第二种是将离子定位在所需位置。

对于第一个挑战，为了在单原子阵列的构造中有用的离子注入，需要确定性离子注入信号以在单个离子撞击基板之前或在使用来自基板的信号的冲击之后记录单个离子。在预冲击技术的情况下，这些技术可采用特别配置的离子源，一次为注入机提供一个离子，或者通过在磁光阱中预先组装一系列离子。然而，这些先进的离子源还不易与所需的硅掺杂剂相容。在注入后技术的情况下，可以使用来自基板的若干不同信号。例如，通过在聚焦离子束显微镜中使用二次电子发射作为注入信号，或是采用预制的超级场效应晶体管来离子计数。然而并非所有大规模架构都可以结合合适的晶体管来应用该方法。

对于第二个挑战，为了将每个注入离子定位到特定位置，目前采用的方法是使用高分辨率聚焦光束。高分辨率聚焦光束可以在聚焦离子束系统中产生，该系统在高亮度液态金属离子源中采用合适的共晶合金。使用该方法可达到纳米级的定位精度，这项技术的未来发展很可能会为大规模阵列的构建提供更高的精度。然而，此方法对离子源的配置比较复杂，不能广泛适用于各种离子。

综上所述，如何解决在制备单原子器件和阵列的确定性掺杂中离子源配置复杂、注入信号检测能力弱、信噪比低、集成度低、离子定位精度可靠性不高、适用范围不广，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种制备单原子固态器件和阵列的原子掺杂方法及系统，以解决上述现有技术存在的问题，使用纳米模板作为可移动掩模，与片上检测器电极结合，该电极包括有源基板以记录离子冲击并使模板步进，从而完成整个阵列的离子注入；整个注入系统具有离子源配置简单、注入信号检测能力强、信噪比高、集成度高、离子定位精度可靠性高等优点，适用于各种不同离子，易于推广。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供了一种制备单原子固态器件和阵列的原子掺杂方法及系统，其特征在于：系统包括离子源、纳米模板、pmma掩膜层、目标基板、片上离子注入探测模块、高精度压电步进模块；所述离子源提供合适能量的目标供体离子束；所述纳米模板刻有孔径，用于准直离子束并将其高分辨率地定位到需要量子植入的目标靶位；所述pmma掩膜层旋涂于目标基板上方用于确定需要注入的区域范围；所述片上离子注入探测模块用于检测离子注入信号，并反馈给高精度压电步进模块；所述高精度压电步进模块接收到信号后驱动与之相连的纳米模板往下一个目标靶位步进，重复离子注入过程直到区域范围内的所有目标靶位都完成离子注入；所述制备的单原子固态器件可以为量子点、固态矩阵中的色心等。

优选地，所述纳米模板的制备是通过聚焦离子束在200nm厚的si3n4膜上加工，刻出窄缝或小孔，然后使用扫描电子束部分地回填离解的pt，使准直孔径窄至30-50nm，该扫描电子束也允许实时监测模板孔径的直径。所述纳米模板被安装在所述高精度压电步进模块的定位台上，从而定位在pmma掩模的目标基板上方；所述基板为被掺杂的底板，依据制备不同器件的需求可以为硅、碳等材料。

优选地，所述pmma掩膜层的制备是通过使用pmma混合胶放在旋涂仪上旋涂一分钟，得到厚度约为200-300nm，再放在热板上烘烤，然后镀金，接着使用电子束曝光出方形区域或微米条带作为离子注入的区域范围，最后进行显影。

优选地，所述片上离子注入探测模块包括表面铝探测电极、探测器偏压装置、电荷敏感前置放大器、单离子信号识别与传输装置；以掺杂硅活性基板为例，两个表面铝探测电极与基板表面两个硼掺杂p阱接触，中心为注入区域范围，由n型磷扩散层和al接触构成的背接触完成片上p-i-n检测结构；探测器偏压装置提供20v偏置电压，衬底耗尽电荷载流子，确保高电荷收集效率；电荷敏感前置放大器用于放大离子冲击产生的电荷信号；所述单离子信号识别与传输装置用于排除噪声信号从而鉴别单离子注入信号，同时将信号传输给高精度压电步进模块。

优选地，所述高精度压电步进模块包括线性定位器、扫描管和位置传感器；线性定位器与纳米模板相连并将模板上的准直孔径与区域范围内的初始靶位对准；扫描管的触发信号受单离子注入信号控制，当接收到前一个离子注入信号后，驱动定位器上的纳米模板步进到下一靶位，步进距离依据靶位间距设置可达纳米精度，以此扫描注入区域范围内的所有靶位；位置传感器用于校准系统精度。

优选地，所述方法包括以下步骤，1)清洗目标基板；2)依据离子注入区域范围的形状完成pmma掩膜的制作；3)在片上集成p-i-n检测器电极并完成片上离子注入探测模块的搭载；4)将预先制备好的带有准直孔径的纳米模板安装在高精度压电步进模块的定位器上并进行初始化，即将纳米模板上的准直孔径与区域范围内的初始靶位对准；5)配置离子源发出合适能量的目标供体离子束，离子束经过纳米模板上的孔径准直，穿过pmma掩膜层在目标靶位上完成单离子注入；6)片上离子注入探测模块检测到单个离子注入信号时使离子束空白，并将信号传输给高精度压电步进模块，高精度压电步进模块接收到前一个离子注入信号后，驱动定位器上的纳米模板步进到下一靶位，继续单离子注入，重复此步骤直到区域范围内的所有目标靶位都完成离子注入；7)分离表面电极，清洗去除目标基板上的pmma掩膜层，然后对基板进行退火处理，最后清洗完成单原子固态器件阵列的量子掺杂过程。

优选地，所述片上离子注入探测模块中的p-i-n检测电极结构可依据检测需要替换为雪崩光电二极管检测结构，结合触发离子撞击引发的雪崩产生高内部电荷增益，实现对低能量离子束注入的检测，在配置时需要去除雪崩光电二极管表面钝化层，探测器偏压装置提供电压需要提高到120-150v。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的用于制备单原子固态器件和阵列的原子掺杂方法及系统，通过使用纳米模板作为可移动掩模，用于准直离子束并实现离子的高分辨率定位寻址。同时与片上检测器电极结合，该电极包括有源基板利用离子束感应电荷原理以记录离子冲击，并使模板步进，实现对所有注入点的扫描，从而完成整个阵列的离子注入。整个注入系统具有离子源配置简单、注入信号检测能力强、信噪比高、集成度高、离子定位精度可靠性高等优点，适用于各种不同离子，易于推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统的整体结构示意图。

图2为本发明中纳米模板步进示意图

其中，1是离子源，2是纳米模板，3是pmma掩膜层，4是目标基板，5是片上离子注入探测模块，6是高精度压电步进模块，5-1是表面铝探测电极，5-2是探测器偏压装置，5-3是电荷敏感前置放大器，5-4是单离子信号识别与传输装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种制备单原子固态器件和阵列的原子掺杂方法及系统，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种制备单原子固态器件和阵列的原子掺杂方法及系统，其特征在于：系统包括离子源1、纳米模板2、pmma掩膜层3、目标基板4、片上离子注入探测模块5、高精度压电步进模块6；所述离子源1提供合适能量的目标供体离子束；所述纳米模板2刻有孔径，用于准直离子束并将其高分辨率地定位到需要量子植入的目标靶位；所述pmma掩膜层3旋涂于目标基板4上方用于确定需要注入的区域范围；所述片上离子注入探测模块5用于检测离子注入信号，并反馈给高精度压电步进模块6。

如图2所示，所述高精度压电步进模块6接收到信号后驱动与之相连的纳米模板2往下一个目标靶位步进，重复离子注入过程直到区域范围内的所有目标靶位都完成离子注入。

所述纳米模板2的制备是通过聚焦离子束在200nm厚的si3n4膜上加工，刻出窄缝或小孔，然后使用扫描电子束部分地回填离解的pt，使准直孔径窄至30-50nm，该扫描电子束也允许实时监测模板孔径的直径。所述纳米模板2被安装在所述高精度压电步进模块6的定位台上，从而定位在pmma掩模的目标基板4上方。

所述pmma掩膜层3的制备是通过选用pmma950a7和a4混合胶放在旋涂仪上4000转旋涂一分钟，得到厚度约为200-300nm，再放在热板上180℃烤8分钟，然后镀金，接着使用电子束曝光出方形区域或微米条带作为离子注入的区域范围，最后进行显影，显影之前巧要将pmma上面的金洗掉。选用碘和碘化钾的溶液清洗10s，然后放入去离子水清洗巧15s，之后放在显影液中显影45s，然后再放入异丙醇中15s，最后将目标基板表面吹干。

如图1所示，所述片上离子注入探测模块5包括表面铝探测电极5-1、探测器偏压装置5-2、电荷敏感前置放大器5-3、单离子信号识别与传输装置5-4；以掺杂硅活性基板为例，两个表面铝探测电极5-1与基板表面两个硼掺杂p阱接触，中心为注入区域范围，由n型磷扩散层和al接触构成的背接触完成片上p-i-n检测结构；探测器偏压装置5-2提供20v偏置电压，衬底耗尽电荷载流子，确保高电荷收集效率；电荷敏感前置放大器5-3用于放大离子冲击产生的电荷信号；所述单离子信号识别与传输装置5-4用于排除噪声信号从而鉴别单离子注入信号，同时将信号传输给高精度压电步进模块6。

所述片上离子注入探测模块5的检测原理为离子束感应电荷原理，该方法利用在离子碰撞后通过电离耗散动能消耗后在表面检测器电极上感应电荷产生的信号。这些电极仅用于注入步骤，并且可以独立于最终量子器件本身进行优化。简而言之：停止注入的离子会引起电离(电子-空穴对)以及核散射。衬底中的电场将电子-空穴对分开，结果在电极上感应出信号。信号幅度以能量单位表示，其表示进入电子-空穴对产生的初始离子动能的分数。在计数离子冲击时，检测信号需高于检测器电极结构的噪声阈值，在本系统中约为1.5kev。

所述高精度压电步进模块6包括线性定位器、扫描管和位置传感器；线性定位器与纳米模板2相连并将模板上的准直孔径与区域范围内的初始靶位对准。如图2所示，扫描管的触发信号受单离子注入信号控制，当接收到前一个离子注入信号后，驱动定位器上的纳米模板步进到下一靶位，步进距离依据靶位间距设置可达纳米精度，以此扫描注入区域范围内的所有靶位；位置传感器用于校准系统精度，进行闭循环位置控制。

整个系统的注入方法流程包括以下步骤：

1)清洗目标基板4；

2)依据离子注入区域范围的形状完成pmma掩膜的制作；

3)在片上集成p-i-n检测器电极并完成片上离子注入探测模块5的搭载；

4)将预先制备好的带有准直孔径的纳米模板2安装在高精度压电步进模块6的定位器上并进行初始化，即将纳米模板2上的准直孔径与区域范围内的初始靶位对准；

5)配置离子源1发出合适能量的目标供体离子束，离子束经过纳米模板2上的孔径准直，穿过pmma掩膜层在目标靶位上完成单离子注入；

6)片上离子注入探测模块5检测到单个离子注入信号时使离子束空白，并将信号传输给高精度压电步进模块6，高精度压电步进模块6接收到前一个离子注入信号后，驱动定位器上的纳米模板2步进到下一靶位，继续单离子注入，重复此步骤直到区域范围内的所有目标靶位都完成离子注入；

7)分离表面电极，清洗去除目标基板4上的pmma掩膜层，然后对基板进行退火处理，最后清洗完成单原子固态器件阵列的原子掺杂过程。

此外，所述片上离子注入探测模块5中的p-i-n检测电极结构可依据检测需要替换为雪崩光电二极管检测结构，结合触发离子撞击引发的雪崩产生高内部电荷增益，实现对低能量离子束注入的检测，在配置时需要去除雪崩光电二极管表面钝化层，探测器偏压装置5-2提供电压需要提高到120-150v。

在使用本发明系统的一个具体实施过程中，选择在硅基板上注入氩ar离子。硅基板表面有5nm厚的薄层栅极氧化物，覆盖的pmma掩膜厚度为200nm，中心注入区域范围面积为12×12μm²。离子源1采用14kevar离子束，纳米模板2上的准直孔径为80nm，纳米模板步进距离为250nm，在区域范围内注入40个离子以实现单原子器件阵列的制备。所述精度压电步进模块6具有在12μm范围内的0.2nm的定位分辨率。如果没有检测到离子冲击信号，纳米模板靶向的位点在0.5秒后被推进。使用所述方法的流程步骤完成40个位点阵列的离子注入，系统运行稳定可靠，检测有效注入成功率可达98％。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本新型的限制。