專(zhuān)利名稱(chēng)：一種器件級(jí)納米硅薄膜及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種器件級(jí)納米硅薄膜及其制備工藝。更特別的，是關(guān)于一種符合生產(chǎn)納米硅器件需要的摻雜納米硅薄膜及其制備工藝。
背景技術(shù)：
納米硅薄膜是近十多年來(lái)隨著納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而興起的一種人工功能半導(dǎo)體材料。納米硅薄膜(Nano-crystalline Silicon Films)在國(guó)外1986年首次報(bào)道。自1990年起，我們使用通常半導(dǎo)體工藝中等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積法(PECVD)在嚴(yán)格控制工藝條件下在國(guó)內(nèi)首先制成，并于1992年公開(kāi)報(bào)導(dǎo)，(見(jiàn)中國(guó)專(zhuān)利CN-92114905)。由于其結(jié)構(gòu)上的新穎使納米硅薄膜具有一系列鮮為人知的物性。其中最為引人矚目的是其低維持性，如可見(jiàn)發(fā)光、量子輸運(yùn)以及在其隧道結(jié)中觀測(cè)到的量子振蕩現(xiàn)象等。這些新穎的性能會(huì)使它在今后發(fā)展著的納米電子學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮其獨(dú)特的作用。
目前采用的技術(shù)是在大量半導(dǎo)體材料中使用的人工摻染(如硅中摻入硼或磷)或改變結(jié)構(gòu)組份(如某些三五族材料)的辦法達(dá)到控制其性能(電導(dǎo)率、導(dǎo)電類(lèi)型、能帶結(jié)構(gòu)等)的目的，從而滿(mǎn)足設(shè)計(jì)各種半導(dǎo)體器件的需要。雖然我們上述專(zhuān)利制出的納米硅薄膜已具有了較高的電導(dǎo)率(σrt＝10-3～10-1Ω-1.cm-1)，但對(duì)制作器件而言還嫌不夠。本專(zhuān)利對(duì)于本發(fā)明人發(fā)明的專(zhuān)利01141324.7及作了進(jìn)一步改進(jìn)，工藝條件生長(zhǎng)頻率從13MHz提高至100MHz，由此，生長(zhǎng)速率提高了十幾倍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種納米硅薄膜。
本發(fā)明的目的之二是提供一種摻雜納米硅薄膜，它能符合生產(chǎn)各類(lèi)納米硅器件的需要。
本發(fā)明的目的之三是提供一種摻雜納米硅薄膜的制備工藝。
本發(fā)明的這些以及其它目的將通過(guò)下列詳細(xì)說(shuō)明和描述來(lái)進(jìn)一步體現(xiàn)。
在本發(fā)明中的納米硅薄膜是采用等離子體化學(xué)汽相沉積法，在甚高頻率等離子體化學(xué)汽相沉積設(shè)備(簡(jiǎn)稱(chēng)VHF-CVD設(shè)備)中生長(zhǎng)制備。具有以下技術(shù)特征a、晶粒大小為d＝(2～8)納米；b、晶態(tài)體積百分比Xc＝(53±5)％；c、薄膜中電子遷移率為μ＝(5～10)cm2/v.sec；d、薄膜最高電導(dǎo)率為σrt＝(30-80)Ω-1.cm-1，電導(dǎo)激活能ΔE＝10-2ev。
e、使用甚高頻率very high frequence(VHF)能使薄膜生長(zhǎng)速率達(dá)到rg＝(0.1-0.5)微米/小時(shí)；f、摻雜納米硅薄膜具有量子輸運(yùn)及低于室溫下的量子躍遷輸運(yùn)特征；g、電導(dǎo)率按下式表示σ=σ0exp(-ΔEKT)·F(γ·T)+1/6e2R2Vphg(EF)esp·]]>(-2aR)·exp(-W/KT)]]>本發(fā)明的納米硅薄膜還具有一定強(qiáng)度的可見(jiàn)發(fā)光(紅、黃)及較高的壓力靈敏系數(shù)(K～100)，壓力靈敏系數(shù)K接近或達(dá)到100。
本發(fā)明的納米硅薄膜的制備工藝是采用等離子體化學(xué)汽相沉積法，在VHF-CVD設(shè)備中生長(zhǎng)的納米硅薄膜。反應(yīng)氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應(yīng)氣和摻雜氣體，其中高純氫氣稀釋的硅烷，其硅烷氫氣稀釋比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(0.7～2.0)％；采用摻雜氣體源為硼烷(以生長(zhǎng)P型納米硅)其氣體稀釋比為C’＝B2H6/(B2H6+H2)＝(0.04～0.10)％；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的摻氣體比值r＝B2H6/SiH4＝10-2～10-1；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的襯底溫度Ts＝(280±30)℃；薄膜生長(zhǎng)時(shí)反應(yīng)氣體壓力P＝(1.0～2.5)乇；薄膜生長(zhǎng)時(shí)甚高頻VHF功率W＝(0.6～1.0)瓦/厘米2；頻率f＝(70-120)MHz；薄膜生長(zhǎng)時(shí)直流負(fù)偏壓Vb＝-(100-200)伏；較好的是，本發(fā)明的納米硅薄膜的制備工藝，包括采用等離子體化學(xué)汽相沉積法，在VHF-CVD設(shè)備中生長(zhǎng)納米硅薄膜，反應(yīng)氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應(yīng)氣和摻雜氣體，其中高純氫氣稀釋的硅烷，其硅烷氫氣稀釋比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(0.8～1.5)％；采用摻雜氣體源為磷烷(以生長(zhǎng)P型納米硅)其氣體稀釋比為C＝B2H6/(B2H6+H2)＝(0.07～0.08)％；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的摻氣體比值r＝B2H6/SiH4＝2×10-2～5×10-2；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的襯底溫度Ts＝(280±30)℃；膜生長(zhǎng)時(shí)反應(yīng)氣體壓力P＝(1.2-1.5)乇；薄膜生長(zhǎng)時(shí)甚高頻VHF功率W＝(0.7～0.8)瓦/厘米2；頻率f＝(70-90)MHz；薄膜生長(zhǎng)時(shí)直流負(fù)偏壓Vb＝-(100-150)伏。
更進(jìn)一步的，本發(fā)明的納米硅薄膜的制備工藝，包括采用等離子體化學(xué)汽相沉積法，在VHF-CVD設(shè)備中生長(zhǎng)納米硅薄膜。反應(yīng)氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應(yīng)氣和摻雜氣體，其中高純氫氣稀釋的硅烷，其硅烷氫氣稀釋比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(1.2～2.0)％；采用摻雜氣體源為磷烷(以生長(zhǎng)N型納米硅)其氣體稀釋比為C”＝PH3/(PH3+H2)＝(0.04～0.06)％；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的摻氣體比值r＝PH3/SiH4＝10-2～10-1；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的襯底溫度Ts＝(280±30)℃；薄膜生長(zhǎng)時(shí)反應(yīng)氣體壓力P＝1.0～2.5乇；薄膜生長(zhǎng)時(shí)甚高頻VHF功率W＝(0.6～1.0)瓦/厘米2；頻率f＝(70-100)MHz；薄膜生長(zhǎng)時(shí)直流負(fù)偏壓Vb＝-(100-180)伏。
較好的是，本發(fā)明的納米硅薄膜的制備工藝，包括采用等離子體化學(xué)汽相沉積法，在VHF-CVD設(shè)備中生長(zhǎng)納米硅薄膜，反應(yīng)氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應(yīng)氣和摻雜氣體，其中高純氫氣稀釋的硅烷，其硅烷氫氣稀釋比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(1.2～1.5)％；采用摻雜氣體源為磷烷(以生長(zhǎng)N型納米硅)其氣體稀釋比為C”＝PH3/(PH3+H2)＝(0.04～0.05)％；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的摻氣體比值r＝PH3/SiH4＝2×10-2～5×10-2；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的襯底溫度Ts＝(280±30)℃；薄膜生長(zhǎng)時(shí)反應(yīng)氣體壓力P＝(1.2-1.5)乇；薄膜生長(zhǎng)時(shí)甚高頻VHF功率W＝(0.6～1.0)瓦/厘米2；頻率f＝(80-100)MHz；薄膜生長(zhǎng)時(shí)直流負(fù)偏壓Vb＝-(120-160)伏。
本發(fā)明的有益效果不僅使納米硅薄膜的電導(dǎo)率提高到幾十Ω-1.cm-1，還能控制其導(dǎo)電類(lèi)型(N型或P型)，已基本上能滿(mǎn)足研制納米硅器件的需要。
用本發(fā)明的產(chǎn)品具有以下優(yōu)點(diǎn)1、溫度穩(wěn)定性極好，可在高達(dá)250℃溫度下正常工作；2、反向開(kāi)關(guān)時(shí)間(恢復(fù)時(shí)間)tr≤1.0ns，已超過(guò)目前國(guó)內(nèi)外硅器件的現(xiàn)有水平；3、反向漏電流Ir為納安(nA)量級(jí)，具有超低噪音系數(shù)；4、反向擊穿電壓為Vb≥60伏，為硬擊穿；5、結(jié)電容高于同類(lèi)硅器件，結(jié)電容變化率大于10；6、在V＝±4伏范圍，整流比r＝104～106；7、整個(gè)器件制造工序可在低于450℃溫度范圍利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體平面工藝完成。


圖1納米硅膜中的電導(dǎo)率、激活能隨磷、硼摻雜的變化圖2氫CH含量隨退火溫度的變化圖3薄膜電導(dǎo)率隨退火溫度的變化圖4摻磷納米硅的Arrhenius曲線圖5N+/P型納米硅二極管的溫度特性圖6N+/P型納米硅二極管高溫伏—安特性如圖1所示，對(duì)摻磷nc-Si∶H而言(圖1右半側(cè))，在摻雜濃度較低時(shí)(PH3/SiH4≈0.3％以上)電導(dǎo)率σrt上升很快，但是當(dāng)進(jìn)入高摻雜范圍(PH3/SiH4≈10％)其上升速度下降并趨于飽和。與之相應(yīng)，電導(dǎo)激活能ΔE隨摻磷濃度的變化規(guī)律相反。摻磷后最高電導(dǎo)率達(dá)σrt≥60Ω-1.cm-1。圖1左半側(cè)為摻硼nc-Si∶H膜，當(dāng)摻硼濃度很低時(shí)(B2H6/SiH4≤0.6％以下)其σrt值繼續(xù)下降到一個(gè)最低點(diǎn)(σrt＝5.0×10-2Ω-1.cm-1相當(dāng)于本征nc-Si∶H膜的電導(dǎo)率值)，然后上升。這一現(xiàn)象完全類(lèi)似于非晶硅a-Si∶H薄膜及微晶硅(μC-Si∶H)薄膜中的情況。說(shuō)明本征及摻磷nc-Si∶H膜的導(dǎo)電類(lèi)型為N型。當(dāng)摻硼濃度B2H6/SiH4≥1.0％以上時(shí)nc-Si∶H膜轉(zhuǎn)變?yōu)镻型傳導(dǎo)其電導(dǎo)陡然上升。摻硼納米硅薄膜的最高電導(dǎo)率略低于摻磷納米硅薄膜。
對(duì)于未經(jīng)摻雜的nc-Si∶H膜(本征型)，前些年我們已研究過(guò)其熱退火性能，如圖2、3所示。圖2示出，nc-Si∶H膜中的氫含量CH值在300℃以?xún)?nèi)是穩(wěn)定的，當(dāng)退火溫度高于300℃以上氫開(kāi)始從膜中逸出，從而導(dǎo)致薄膜物性的變化。圖3為nc-Si∶H膜的電導(dǎo)率隨熱退火的變化并給出與圖2相似的結(jié)果。這說(shuō)明納米硅薄膜在300℃以下溫度范圍其結(jié)構(gòu)和物性沒(méi)有明顯變化，這一特征對(duì)研制納米硅器件有利。
圖4為一組摻磷的納米硅薄膜的Arrhenius曲線，它反映了薄膜電導(dǎo)率隨溫度的變化特征。指出隨著摻磷濃度的提高，曲線隨溫度的升高逐漸拉平，即摻磷納米硅薄膜的溫度穩(wěn)定性趨于更好。這是納米硅器件溫度穩(wěn)定性極好的原因所在。
近來(lái)，我們使用上述摻磷、硼的納米硅薄膜制成了一些新器件并測(cè)量了其I-V、C-V及其溫度穩(wěn)定性。指出，在室溫上下±200℃溫度范圍，其I-V特性基本不變，尤其是反向特性。這在現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件中是罕見(jiàn)的。圖5為對(duì)一只n/P型納米硅異質(zhì)結(jié)二極管在室溫以下溫度范圍(10～300K)的I-V曲線，尤其是反向幾乎無(wú)變化。圖6為對(duì)該類(lèi)型二極管在室溫以上溫度范圍(300～450K)的I-V曲線，具有類(lèi)似結(jié)果。
在本發(fā)明中，如非特指，所有的量均為重量體積單位，所用的設(shè)備為
具體實(shí)施例方式
以下通過(guò)具體實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例僅用于說(shuō)明，并不能限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1按下列工藝條件制備納米硅薄膜。
采用等離子體化學(xué)汽相沉積法，在VHF-CVD設(shè)備中生長(zhǎng)納米硅薄膜，反應(yīng)氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應(yīng)氣和摻雜氣體，其中高純氫氣稀釋的硅烷，其硅烷氫氣稀釋比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝0.8％；采用摻雜氣體源為硼烷(以生長(zhǎng)P型納米硅)其氣體稀釋比為C＝B2H6/(B2H6+H2)＝0.07％；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的摻氣體比值r＝B2H6/SiH4＝2×10-2；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的襯底溫度Ts＝280℃；薄膜生長(zhǎng)時(shí)反應(yīng)氣體壓力P＝1.1乇；薄膜生長(zhǎng)時(shí)甚高頻(VHF)功率W＝0.7瓦/厘米2；頻率f＝100MHz；薄膜生長(zhǎng)時(shí)直流負(fù)偏壓Vb＝-120伏；反應(yīng)室極板間距d＝3.5厘米。
制備出的產(chǎn)品中晶粒大小為d＝(2～8)納米，晶態(tài)體積百分比Xc＝(53±5)％，薄膜電導(dǎo)率為σrt＝60Ω-1.cm-1。納米硅薄膜還具有一定強(qiáng)度的可見(jiàn)發(fā)光(紅、黃)及較高的壓力靈敏系數(shù)100。
實(shí)施例2按下列工藝條件制備納米硅薄膜。
采用等離子體化學(xué)汽相沉積法，在VHF-CVD設(shè)備中生長(zhǎng)納米硅薄膜，反應(yīng)氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應(yīng)氣和摻雜氣體，其中高純氫氣稀釋的硅烷，其硅烷氫氣稀釋比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝1.5％；采用摻雜氣體源為磷烷(以生長(zhǎng)N型納米硅)其氣體稀釋比為C”＝PH3/(PH3+H2)＝0.05％；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的摻氣體比值r＝PH3/SiH4＝5×10-2；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的襯底溫度Ts＝300℃；薄膜生長(zhǎng)時(shí)反應(yīng)氣體壓力P＝1.1乇；薄膜生長(zhǎng)時(shí)甚高頻VHF功率W＝0.75瓦/厘米2；頻率f＝80MHz；薄膜生長(zhǎng)時(shí)直流負(fù)偏壓Vb＝-100伏；反應(yīng)室極板間距d＝3.5厘米。
制備出的產(chǎn)品中晶粒大小為d＝(2～8)納米，晶態(tài)體積百分比Xc＝(53±5)％，薄膜電導(dǎo)率為σrt＝30Ω-1.cm-1。納米硅薄膜還具有一定強(qiáng)度的可見(jiàn)發(fā)光(紅、黃)及較高的壓力靈敏系數(shù)100。
權(quán)利要求
1.一種納米硅薄膜，其特征是采用等離子體化學(xué)汽相沉積法，在VHFCVD設(shè)備中生長(zhǎng)制備，具有以下技術(shù)特征a、晶粒大小為d＝(2～8)納米；b、晶態(tài)體積百分比Xc＝(53±5)％；c、薄膜中電子遷移率為μ＝(5～10)cm2/v.sec；d、薄膜電導(dǎo)率為σrt＝(30-80)Ω-1.cm-1，電導(dǎo)激活能ΔE＝10-2ev。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米硅薄膜，其特征是還包括以下特征e、薄膜生長(zhǎng)速率為rg＝(0.1-0.5)微米/小時(shí)；f、摻雜納米硅薄膜具有量子輸運(yùn)特征。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米硅薄膜，其特征是納米硅薄膜還具有一定強(qiáng)度的可見(jiàn)發(fā)光紅、黃，及壓力靈敏系數(shù)K接近或達(dá)到100。
4.一種納米硅薄膜的制備工藝，其特征是生長(zhǎng)P型納米硅，采用等離子體化學(xué)汽相沉積法，在VHF-CVD設(shè)備中生長(zhǎng)納米硅薄膜，反應(yīng)氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應(yīng)氣和摻雜氣體，其中高純氫氣稀釋的硅烷，其硅烷氫氣稀釋比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(0.7～2.0)％；采用摻雜氣體源為硼烷，生長(zhǎng)P型納米硅，其氣體稀釋比為C＝B2H6/(B2H6+H2)＝(0.04～0.10)％；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的摻氣體比值r＝B2H6/SiH4＝10-2～10-1；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的襯底溫度Ts＝(280±30)℃；薄膜生長(zhǎng)時(shí)反應(yīng)氣體壓力P＝(1.0～2.5)乇；薄膜生長(zhǎng)時(shí)射頻(r.f)功率W＝(0.6～1.0)瓦/厘米2；薄膜生長(zhǎng)時(shí)直流負(fù)偏壓Vb＝-(100-200)伏；薄膜生長(zhǎng)時(shí)選用射頻功率源的頻率為f＝(70-120)MHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米硅薄膜的制備工藝，其特征是其硅烷氫氣稀釋比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(0.8～1.5)％；采用摻雜氣體源為硼烷，生長(zhǎng)P型納米硅，其氣體稀釋比為C＝B2H6/(B2H6+H2)＝(0.07～0.08)％；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的摻氣體比值r＝B2H6/SiH4＝2×10-2～5×10-2；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的襯底溫度Ts＝(280±30)℃；薄膜生長(zhǎng)時(shí)反應(yīng)氣體壓力P＝(1.2-1.5)乇；薄膜生長(zhǎng)時(shí)射頻(r.f)功率W＝(0.7～0.8)瓦/厘米2；頻率f＝(70-90)MHz；薄膜生長(zhǎng)時(shí)直流負(fù)偏壓Vb＝-(100-150)伏。
6.一種納米硅薄膜的制備工藝，其特征是生長(zhǎng)N型納米硅，采用等離子體化學(xué)汽相沉積法，在VHF-CVD設(shè)備中生長(zhǎng)納米硅薄膜，反應(yīng)氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應(yīng)氣和摻雜氣體，其中高純氫氣稀釋的硅烷，其硅烷氫氣稀釋比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(1.2～2.0)％；采用摻雜氣體源為磷烷，生長(zhǎng)N型納米硅，其氣體稀釋比為C”＝PH3/(PH3+H2)＝(0.04～0.06)％；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的摻氣體比值r＝PH3/SiH4＝10-2～10-1；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的襯底溫度Ts＝(280±30)℃；薄膜生長(zhǎng)時(shí)反應(yīng)氣體壓力P＝1.0～2.5乇；薄膜生長(zhǎng)時(shí)射頻(r.f)功率W＝(0.6～1.0)瓦/厘米2；頻率f＝(70-100)MHz；薄膜生長(zhǎng)時(shí)直流負(fù)偏壓Vb＝-(100-180)伏。
7.如權(quán)利要求6所述的納米硅薄膜的制備工藝，其特征是其硅烷氫氣稀釋比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(1.2～1.5)％；采用摻雜氣體源為磷烷，生長(zhǎng)N型納米硅，其氣體稀釋比為C”＝PH3/(PH3+H2)＝(0.04～0.05)％；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的摻氣體比值r＝PH3/SiH4＝2×10-2～5×10-2；薄膜生長(zhǎng)時(shí)的襯底溫度Ts＝(280±30)℃；薄膜生長(zhǎng)時(shí)反應(yīng)氣體壓力P＝(1.2-1.5)乇；薄膜生長(zhǎng)時(shí)射頻(r.f)功率W＝(0.6～1.0)瓦/厘米2；頻率f＝(80-100)MHz；薄膜生長(zhǎng)時(shí)直流負(fù)偏壓Vb＝-(120-160)伏。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種器件級(jí)納米硅薄膜及其制備工藝，本發(fā)明產(chǎn)品是采用等離子體化學(xué)汽相沉積法在VHF－CVD設(shè)備中生長(zhǎng)制備的。產(chǎn)品中的晶粒大小為d＝(2～8)納米，晶態(tài)體積百分比Xc＝(53±5)％，薄膜電導(dǎo)率為σ
文檔編號(hào)C23C16/24GK1456702SQ03131570
公開(kāi)日2003年11月19日 申請(qǐng)日期2003年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者何宇亮 申請(qǐng)人:何宇亮