專利名稱：一種制備硅納米晶薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用磁控濺射法制 備硅納米晶薄膜的方法。
背景技術(shù)：
如果說20世紀(jì)是微電子技術(shù)與產(chǎn)業(yè)充分章顯魅力的世紀(jì)，那么， 21世紀(jì)將是納電子技術(shù)與產(chǎn)業(yè)不斷摸索、成熟、發(fā)展的新世紀(jì)。
按照"摩爾定律"和等比例縮小原則，微電子技術(shù)正向納米尺度 方向加速推進(jìn)，從傳統(tǒng)微米芯片不斷向小型化推進(jìn)的角度來看，如果 我們接受公認(rèn)的納米上限是100nm尺度，則在2000年微芯片研究者就 制成了這樣的納米MOS器件。
然而，現(xiàn)在市面上主要的CMOS集成電路中器件的柵極寬度以低 于50nm，真正進(jìn)入了第一代納米芯片的時(shí)代。更重要的是，與此同時(shí)， 新型的基于納米晶結(jié)構(gòu)的器件引起了科技工作者的普遍關(guān)注，它的發(fā) 展將引起人類認(rèn)知上的新突破、技術(shù)上的新飛躍和工業(yè)上的新變革。 它的發(fā)展和深入研究，必將給人類的生存和發(fā)展帶來巨大的影響。那 么，優(yōu)質(zhì)的納米晶薄層的制備及其相關(guān)技術(shù)就是這座摩天大廈的堅(jiān)實(shí) 而重要的地基，可見其重要意義。
傳統(tǒng)的制備硅納米晶薄層的方法如MOCVD、 PECVD、 MBE、離 子注入等方法，其缺點(diǎn)是不易大規(guī)模生產(chǎn)且制備手段較復(fù)雜。而用電 子束蒸發(fā)制備硅納米晶的方法較上述方法已有改善，但仍有一定問題。 容易產(chǎn)生輻射損傷，從而破壞襯底和電介質(zhì)膜。
而濺射工藝的臺(tái)階覆蓋比蒸發(fā)好，輻射缺陷遠(yuǎn)小于電子束蒸發(fā)， 成膜速率快于蒸發(fā)，在制作復(fù)合材料膜和合金時(shí)性能更好，這些優(yōu)點(diǎn) 使得濺射沉積技術(shù)成為大多數(shù)硅基工藝的最佳選擇，且能很好的與硅 基工藝兼容。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種采用磁控濺射法制備 硅納米晶薄膜的方法，以簡化制備工藝，使之與傳統(tǒng)的硅基工藝兼容。
(二) 技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種制備硅納米晶薄膜的方法， 該方法包括
在硅襯底上熱生長二氧化硅層；
將一定配比的硅粉末和二氧化硅粉末的混合物作為靶材通過磁控 濺射法沉積至所述二氧化硅層上，形成富硅的混合物薄膜層；
在氮?dú)鈿夥障聦⑿纬傻幕旌衔锉∧痈邷赝嘶鹦纬晒杓{米晶薄層。
上述方案中，所述硅襯底為平整潔凈的低阻硅襯底、高阻硅襯底，
或絕緣體上硅SOI結(jié)構(gòu)襯底。
上述方案中，所述在硅襯底上熱生長二氧化硅層的步驟中，采用
高溫?zé)嵫趸椒ㄉL二氧化硅層，具體高溫?zé)嵫趸瘲l件為 預(yù)熱階段，溫度20(TC，時(shí)間30秒，氧流量0.6升/分鐘； 升溫階段，溫度650。C，時(shí)間3.5秒，氧流量0.6升/分鐘； 恒溫階段，溫度700。C，時(shí)間660秒，氧流量0.6升/分鐘。 上述方案中，所述在硅襯底上熱生長二氧化硅層的步驟之后進(jìn)一
步包括將待濺射的樣品用丙酮、無水乙醇和去離子水進(jìn)行超聲波清洗。
上述方案中，所述磁控濺射法采用射頻磁控濺射法。 上述方案中，所述將一定配比的硅粉末和二氧化硅粉末的混合物 作為靶材通過磁控濺射法沉積至所述二氧化硅層上，形成富硅的混合
物薄膜層的步驟包括將5克的硅粉末和10克的二氧化硅粉末構(gòu)成的 混合物經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)形成靶材，該混合物的顆粒度均為300目；將制 備好的耙材放到磁控濺射議上，采用射頻磁控濺射沉積到待濺射的樣 品表面，具體工藝參數(shù)為腔體真空度為UxlO-4Pa;射頻功率為80W;
電流為300mA;保護(hù)氣體為純度99.99%的Ar氣，壓強(qiáng)為1.5Pa。
5上述方案中，所述在氮?dú)鈿夥障聦⑿纬傻幕旌衔锉∧痈邷赝嘶?形成硅納米晶薄層的步驟包括采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，溫度為1050°C，退火 時(shí)間為1小時(shí)。
(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果 本發(fā)明提供的這種采用磁控濺射法制備硅納米晶薄膜的方法，具
有工藝步驟簡單、用途多、能與傳統(tǒng)Si基CMOS工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)。采 用本發(fā)明提供的方法制備的納米晶直徑在4至6nm，主要應(yīng)用于硅單 電子器件、單電子存儲(chǔ)器、硅納米晶浮柵存儲(chǔ)器、納米晶光電探測器 等器件的制備中，適合大規(guī)模生產(chǎn)的要求。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明 圖1是本發(fā)明提供的制備硅納米晶薄膜的方法流程圖； 圖2至圖4是本發(fā)明提供的制備硅納米晶薄膜的工藝流程圖；其 中，l為硅襯底，2為二氧化硅層，3為納米混晶層；
圖5和圖6是本發(fā)明制備的硅納米晶薄膜的透射電鏡(TEM)表
征(透射電鏡照片)；
圖7是本發(fā)明制備的硅納米晶薄膜的拉曼光譜(Raman)表征(拉 曼光譜圖)；
圖8是本發(fā)明制備的硅納米晶薄膜的光致發(fā)光譜(PL)表征(光 致發(fā)光譜圖)。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具 體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的制備硅納米晶薄膜的方法流程
圖，該方法包括以下步驟
步驟101:在硅襯底上熱生長二氧化硅層；所述硅襯底為平整潔凈的低阻硅襯底、高阻硅襯底，或絕緣體上硅SOI結(jié)構(gòu)襯底；與本步驟 對(duì)應(yīng)的工藝流程圖如圖2所示。
步驟102:將一定配比的硅粉末和二氧化硅粉末的混合物作為靶材 通過磁控濺射法沉積至所述二氧化硅層上，形成富硅的混合物薄膜層; 所述磁控濺射法采用射頻磁控濺射法，與本步驟對(duì)應(yīng)的工藝流程圖如 圖3所示。
步驟103:在氮?dú)鈿夥障聦⑿纬傻幕旌衔锉∧痈邷赝嘶鹦纬晒杓{ 米晶薄層；與本步驟對(duì)應(yīng)的工藝流程圖如圖4所示。
下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)工藝方法和步驟，
其中采用N型低阻硅片作為襯底、晶向?yàn)?lt;1.0.0>，厚度400pm 電阻率為/^^xlG-3CVan。具體的工藝步驟如下
(1) 將樣品進(jìn)行工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)濕法清洗，也稱為RCA清洗，以去除
硅表面的自然氧化層和各種粘污。
(2) 如圖2所示將表面潔凈的硅襯底放入型號(hào)為RTP-300的快 速熱退火爐中進(jìn)行氧化，形成表面致密的二氧化硅層。氧化條件見表1
所示
表l:氧化條件
溫度rc)時(shí)間(sec)氧流量(L/min)
預(yù)熱段200°C30s0.6IVmin
升溫段650°C3.5s恒溫段700°C660s(3) 將待濺射的樣品用丙酮、無水乙醇和去離子水進(jìn)行超聲波清 洗5分鐘。使樣品表面的真空度達(dá)到lx10-3&。
(4) 如圖3所示采用北京中科儀生產(chǎn)的JGC-40磁控濺射儀濺射 沉積硅和二氧化硅的混合物薄膜。靶材由5克的硅粉末和10克的二氧 化硅粉末構(gòu)成混合物，其顆粒度均為300目，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而成。將 制備好的耙材放到JGC-40磁控濺射議上，采用射頻磁控濺射沉積到樣品表面。具體的工藝參數(shù)為腔體真空度為L1"0"^;射頻功率為
80W;電流為300mA;保護(hù)氣體為純度99.99%的Ar氣，壓強(qiáng)為1.5Pa。 (5)如圖4所示高溫?zé)嵬嘶稹２捎锰旖蛑协h(huán)電爐公司生產(chǎn)的管 式電阻爐退火。采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，溫度為1050°C，時(shí)間為1小時(shí)。
圖5和圖6是本發(fā)明制備的硅納米晶薄膜的透射電鏡(TEM)表 征(透射電鏡照片)。從圖中可清晰地觀察到硅的納米晶顆粒。硅納米 晶直徑在3-6nm范圍內(nèi)。
圖7是本發(fā)明制備的硅納米晶薄膜的拉曼光譜(Raman)表征(拉 曼光譜圖)。此樣品為用磁控濺射方法制作在石英襯底上的硅納米晶薄 膜的拉曼光譜。從圖中可以看出樣品的拉曼峰值位于517，—'處，此峰 值恰與硅納米晶的拉曼峰值相吻合，證明用上述制備手段己形成了硅 的納米晶層。
圖8是本發(fā)明制備的硅納米晶薄膜的光致發(fā)光譜(PL)表征(光 致發(fā)光譜圖)。此樣品為用磁控濺射方法制作在石英襯底上的硅納米晶 薄膜的光致發(fā)光譜。從該圖可明顯看出由硅納米晶團(tuán)簇形成的包絡(luò)。 光致發(fā)光譜再次證明硅納米晶的存在。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果 進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體 實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)， 所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
8
權(quán)利要求
1、一種制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于，該方法包括在硅襯底上熱生長二氧化硅層；將一定配比的硅粉末和二氧化硅粉末的混合物作為靶材通過磁控濺射法沉積至所述二氧化硅層上，形成富硅的混合物薄膜層；在氮?dú)鈿夥障聦⑿纬傻幕旌衔锉∧痈邷赝嘶鹦纬晒杓{米晶薄層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于， 所述硅襯底為平整潔凈的低阻硅襯底、高阻硅襯底，或絕緣體上硅SOI 結(jié)構(gòu)襯底。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于， 所述在硅襯底上熱生長二氧化硅層的步驟中，采用高溫?zé)嵫趸椒ㄉ?長二氧化硅層，具體高溫?zé)嵫趸瘲l件為預(yù)熱階段，溫度200。C，時(shí)間30秒，氧流量0.6升/分鐘； 升溫階段，溫度65(TC，時(shí)間3.5秒，氧流量0.6升/分鐘； 恒溫階段，溫度700。C，時(shí)間660秒，氧流量0.6升/分鐘。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于， 所述在硅襯底上熱生長二氧化硅層的步驟之后進(jìn)一步包括將待濺射的樣品用丙酮、無水乙醇和去離子水進(jìn)行超聲波清洗。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于， 所述磁控濺射法采用射頻磁控濺射法。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于， 所述將一定配比的硅粉末和二氧化硅粉末的混合物作為靶材通過磁控 濺射法沉積至所述二氧化硅層上，形成富硅的混合物薄膜層的步驟包 括將5克的硅粉末和10克的二氧化硅粉末構(gòu)成的混合物經(jīng)過高溫?zé)?結(jié)形成耙材，該混合物的顆粒度均為300目；將制備好的靶材放到磁控濺射議上，采用射頻磁控濺射沉積到待濺射的樣品表面，具體工藝參數(shù)為腔體真空度為l.lxlO-Vo;射頻功率為80W;電流為300mA;保護(hù)氣體為純度99.99%的Ar氣，壓強(qiáng)為
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于， 所述在氮?dú)鈿夥障聦⑿纬傻幕旌衔锉∧痈邷赝嘶鹦纬晒杓{米晶薄層 的步驟包括采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，溫度為105(TC，退火時(shí)間為l小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備硅納米晶薄膜的方法，包括在硅襯底上熱生長二氧化硅層；將一定配比的硅粉末和二氧化硅粉末的混合物作為靶材通過磁控濺射法沉積至所述二氧化硅層上，形成富硅的混合物薄膜層；在氮?dú)鈿夥障聦⑿纬傻幕旌衔锉∧痈邷赝嘶鹦纬晒杓{米晶薄層。采用本發(fā)明提供的方法制備的納米晶直徑在4至6nm，主要應(yīng)用于硅單電子器件、單電子存儲(chǔ)器、硅納米晶浮柵存儲(chǔ)器、納米晶光電探測器等器件的制備中，適合大規(guī)模生產(chǎn)的要求。
文檔編號(hào)C23C14/35GK101457346SQ200710179368
公開日2009年6月17日 申請日期2007年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日
發(fā)明者明 劉, 琦 劉, 李維龍, 涂德鈺, 謝常青, 銳 賈, 晨 陳, 陳寶欽, 龍世兵 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所