專利名稱：一種通過(guò)共生長(zhǎng)對(duì)硅基薄膜進(jìn)行摻雜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過(guò)共生長(zhǎng)對(duì)硅基薄膜進(jìn)行摻雜的方法，屬于薄膜硅材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在硅半導(dǎo)體材料的研究中，對(duì)硅材料進(jìn)行各種摻雜是非常重要的一道工藝。過(guò)渡金屬摻雜的稀磁半導(dǎo)體，稀土摻雜的氫化非晶硅薄膜發(fā)光材料，以及深能級(jí)摻雜的中間帶半導(dǎo)體材料都是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，而且有些領(lǐng)域要求的摻雜濃度較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出摻雜元素在硅中的固溶度，從而不能通過(guò)傳統(tǒng)的擴(kuò)散工藝進(jìn)行摻雜。目前對(duì)非晶硅和納米晶硅薄膜進(jìn)行金屬摻雜，用的比較多的是離子注入，共濺射和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(以下稱M0CVD)等方法。而這些方法各有局限性。例如，離子注入方法中，摻雜元素在樣品中分布不均；共濺射法制備的薄膜缺陷較多；MOCVD法需要用到有劇毒的氣體，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置要求較尚ο

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種通過(guò)共生長(zhǎng)對(duì)硅基薄膜進(jìn)行摻雜的方法，將已有的熱絲化學(xué)氣相沉積(以下稱HWCVD)與磁控濺射技術(shù)相結(jié)合，用于制備金屬摻雜的硅基薄膜，方便地實(shí)現(xiàn)不同濃度的摻雜，特別是實(shí)現(xiàn)過(guò)飽和濃度的摻入，而且不會(huì)引入其他不需要的雜質(zhì)，還可通過(guò)氫化降低薄膜中的缺陷態(tài)密。本發(fā)明提出的通過(guò)共生長(zhǎng)對(duì)硅基薄膜進(jìn)行摻雜的方法，包括以下步驟(1)在真空腔的腔體壁上設(shè)置一個(gè)熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)和一個(gè)磁控濺射系統(tǒng)，以高純鎢絲或鉭絲作為熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的熱絲源，使熱絲源與所述的襯底之間的距離為5 15厘米，使樣品座表面法線與熱絲架平面的夾角為α，α = 75 85度，以待摻雜金屬作為磁控濺射系統(tǒng)的濺射靶，樣品座表面法線與濺射靶平面的夾角為β，β =5 15度；(2)將清洗后的襯底放入真空腔的樣品座上，使真空腔的真空度高于1 X ΙΟ"3帕；(3)向真空腔中通入反應(yīng)氣體氬氣、氫氣和硅烷，三種氣體的流量比為氫氣氬氣硅烷=(6 20) 6 0 12)，使腔體內(nèi)反應(yīng)氣體的氣壓為1 6帕，對(duì)熱絲加熱，使熱絲溫度達(dá)到1600 2000°C，對(duì)磁控濺射系統(tǒng)施加直流偏壓，直流濺射的功率為66 120瓦，并使襯底座相對(duì)樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度為1 30轉(zhuǎn)/分；(4)打開(kāi)磁控濺射靶材和熱絲前的擋板，制備硅基薄膜。本發(fā)明提出的通過(guò)共生長(zhǎng)對(duì)硅基薄膜進(jìn)行摻雜的方法，與目前常用的硅薄膜摻雜方法如M0CVD、共濺射、離子注入等方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明方法與已有的MOCVD技術(shù)相比，沒(méi)有用到有毒的有機(jī)金屬氣體，較安全環(huán)保而且不需要昂貴的MOCVD設(shè)備。另外，因?yàn)榇趴貫R射靶材成份單一，減少了引入其他雜質(zhì)的機(jī)會(huì)。而且，磁控濺射技術(shù)比較成熟，多數(shù)金屬的靶材可以方便地買到。
2、本發(fā)明方法與已有的共濺射技術(shù)相比，本方法可以通過(guò)控制磁控濺射的功率和通入氣體中硅烷和氫氣相對(duì)氬氣的比值，以及樣品臺(tái)相對(duì)于磁控濺射靶的角度等三個(gè)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)摻雜的量，可以很方便的控制薄膜中摻雜元素的含量，并在生長(zhǎng)過(guò)程中通入氫氣來(lái)減少薄膜中的缺陷。3、本發(fā)明方法與已有的離子注入技術(shù)相比，離子注入得到的薄膜，摻雜元素在薄膜中的含量隨深度一般是高斯分布，具有低濃度的分布尾，而本發(fā)明方法制備的薄膜摻雜元素的含量比較均勻，可實(shí)現(xiàn)突變摻雜。4、本發(fā)明方法所需設(shè)備簡(jiǎn)單，摻雜量易于控制，可以實(shí)現(xiàn)高摻雜濃度，低離子損傷的薄膜制備，而且具有操作方便、重復(fù)可靠的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是實(shí)施本發(fā)明通過(guò)共生長(zhǎng)對(duì)硅基薄膜進(jìn)行摻雜的方法所用的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的A-A剖視圖。圖3是用本發(fā)明方法制備的含鈦硅薄膜中鈦含量隨薄膜深度變化的關(guān)系圖。測(cè)量手段為俄歇電子能譜。圖4是用本發(fā)明方法制備的含鈦硅薄膜中鈦平均含量隨著濺射功率的變化關(guān)系圖。測(cè)量手段為俄歇電子能譜。圖1和圖2中，1為真空腔體，2為磁控濺射系統(tǒng)，3為熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，4為熱絲，5為樣品臺(tái)，6為樣品座，7為磁控濺射靶，8為熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的進(jìn)氣口，其中5為樣品臺(tái)，6為樣品座，9為樣品夾。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的通過(guò)共生長(zhǎng)對(duì)硅基薄膜進(jìn)行摻雜的方法，所用的裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，本方法包括以下步驟(1)在真空腔1的腔體壁上設(shè)置一個(gè)熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)3和一個(gè)磁控濺射系統(tǒng)2，以高純鎢絲或鉭絲作為熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的熱絲源4，使熱絲源與樣品座6之間的距離為5 15厘米，轉(zhuǎn)動(dòng)樣品臺(tái)5，使樣品座表面法線與熱絲源4平面的夾角為α，α=75 85度，以待摻雜金屬作為磁控濺射系統(tǒng)的濺射靶7，樣品座表面法線與濺射靶平面的夾角為β，β = 5 15度。樣品座6與熱絲源4和濺射靶之間的位置關(guān)系如圖2所示。如圖2所示，樣品座6可以繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)而改變?chǔ)痢ⅵ陆?。生長(zhǎng)薄膜時(shí)，樣品座繞盤心0點(diǎn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證薄膜的均勻性。(2)將清洗后的襯底放入真空腔的樣品座6上，使真空腔的真空度高于1Χ10_3帕；(3)向真空腔中通入反應(yīng)氣體氫氣、氬氣和硅烷，三種氣體的流量比為氫氣氬氣硅烷=(6 20) 6 0 12)，使腔體內(nèi)反應(yīng)氣體的氣壓為1 6帕，對(duì)熱絲加熱，使熱絲溫度達(dá)到1600 2000°C，對(duì)磁控濺射系統(tǒng)施加直流偏壓，直流濺射的功率為66 120瓦，并使襯底座相對(duì)樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度為1 30轉(zhuǎn)/分；(4)打開(kāi)磁控濺射靶材和熱絲前的擋板，制備硅基薄膜。
本發(fā)明提出的通過(guò)共生長(zhǎng)對(duì)硅基薄膜進(jìn)行摻雜的方法，主要是通過(guò)調(diào)節(jié)直流濺射的功率來(lái)控制最終薄膜中的摻雜元素含量；減小β角可以減少濺射對(duì)薄膜的損傷；熱絲溫度在1600度以上，硅烷、氫氣分解比較充分，但是超過(guò)2000°C容易燒斷熱絲；增加氫氣的流量可以減少薄膜中的缺陷，增加硅烷的流量可以減少薄膜中摻雜元素的含量，但是如果腔體中氫氣和硅烷的濃度過(guò)高，磁控濺射將無(wú)法起輝工作。以下介紹本發(fā)明方法的實(shí)施例實(shí)施例一(1)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，使熱絲源與所述的襯底之間的距離為8cm，樣品座表面法線與熱絲架平面的夾角α = 75度，磁控濺射系統(tǒng)的濺射靶為純度為99. 995%鈦靶；(2)將清洗后的襯底放入真空腔的樣品座上，使真空腔的真空度3Χ10_4帕；(3)向真空腔中通入反應(yīng)氣體氬氣、氫氣和硅烷，三種氣體的流量比為氫氣氬氣硅烷=12 6 6，使腔體內(nèi)反應(yīng)氣體的氣壓為3帕，對(duì)熱絲加熱，使熱絲溫度達(dá)到1800°C，對(duì)磁控濺射系統(tǒng)施加直流偏壓，直流濺射的功率為66瓦，并使襯底座相對(duì)樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度為5轉(zhuǎn)/分；(4)打開(kāi)磁控濺射靶材和熱絲前的擋板，制備硅基薄膜，在上述沉積條件下，沉積速率為13納米/分，沉積一個(gè)小時(shí)，薄膜厚度為780納米。(5)使用不同的直流濺射的功率從而改變薄膜中鈦的含量，所用功率分別為77，86，102 瓦。本實(shí)施例制備的樣品，其含鈦硅薄膜中鈦含量隨薄膜深度變化的關(guān)系圖如圖3和圖4所示，薄膜中鈦的含量為 8%。由此可以看出鈦在硅基薄膜中含量基本不隨薄膜的深度變化，可以實(shí)現(xiàn)均勻摻雜；改變?yōu)R射的功率可以改變鈦的含量，可以很方便的調(diào)節(jié)摻雜的濃度，可以根據(jù)要求改變生長(zhǎng)時(shí)間來(lái)改變薄膜的厚度。實(shí)施例二(1)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，熱絲源與所述的襯底之間的距離為8cm，樣品座表面法線與熱絲架平面的夾角α =85度，磁控濺射系統(tǒng)的濺射靶為純度為99. 995%鈦靶；(2)將清洗后的襯底放入真空腔的樣品座上，使真空腔的真空度為5Χ10_4帕；(3)向真空腔中通入反應(yīng)氣體氬氣、氫氣和硅烷，三種氣體的流量比為氬氣氫氣硅烷=16 6 9，使腔體內(nèi)反應(yīng)氣體的氣壓為4帕，對(duì)熱絲加熱，使熱絲溫度達(dá)到1700°C，對(duì)磁控濺射系統(tǒng)施加直流偏壓，直流濺射的功率為105瓦，并使襯底座相對(duì)樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度為10轉(zhuǎn)/分；(4)打開(kāi)磁控濺射靶材和熱絲前的擋板，制備硅基薄膜。最終薄膜中鈦的含量為6%，測(cè)試手段為餓歇電子能譜，本實(shí)施例相對(duì)于實(shí)施例一增加了氫氣流量，減小了 β角，也就是增加了氫稀釋度，減小了磁控濺射的掠角，二者都有利于減少薄膜中的缺陷。實(shí)施例三(1)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，熱絲源與所述的襯底之間的距離為8cm，樣品座表面法線與熱絲架平面的夾角α =75度，磁控濺射系統(tǒng)的濺射靶為純度為99. 99%銀靶；(2)將清洗后的襯底放入真空腔的樣品座上，使真空腔的真空度為5Χ10—4帕；
(3)向真空腔中通入反應(yīng)氣體氬氣、氫氣和硅烷，三種氣體的流量比為氬氣氫氣硅烷=8 6 6，使腔體內(nèi)反應(yīng)氣體的氣壓為2帕，對(duì)熱絲加熱，使熱絲溫度達(dá)到1700°C，對(duì)磁控濺射系統(tǒng)施加直流偏壓，直流濺射的功率為76瓦，并使襯底座相對(duì)樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度為5轉(zhuǎn)/分；(4)打開(kāi)磁控濺射靶材和熱絲前的擋板，制備硅基薄膜。最終薄膜中銀的含量為9%，測(cè)試手段為餓歇電子能譜，和實(shí)施例一相比，本實(shí)施例主要是改變了磁控濺射靶材料，比較二者結(jié)果可以看出銀的濺射速率較鈦要高。
權(quán)利要求
1. 一種通過(guò)共生長(zhǎng)對(duì)硅基薄膜進(jìn)行摻雜的方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)在真空腔的腔體壁上設(shè)置一個(gè)熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)和一個(gè)磁控濺射系統(tǒng)，以高純鎢絲或鉭絲作為熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的熱絲源，使熱絲源與所述的襯底之間的距離為5 15厘米，使樣品座表面法線與熱絲架平面的夾角為α，α = 75 85度，以待摻雜金屬作為磁控濺射系統(tǒng)的濺射靶，樣品座表面法線與濺射靶平面的夾角為β，β = 5 15度；(2)將清洗后的襯底放入真空腔的樣品座上，使真空腔的真空度高于1Χ10—3帕；(3)向真空腔中通入反應(yīng)氣體氬氣、氫氣和硅烷，三種氣體的流量比為氬氣氫氣硅烷=(6 20) 6 O 12)，使腔體內(nèi)反應(yīng)氣體的氣壓為1 6帕，對(duì)熱絲加熱，使熱絲溫度達(dá)到1600 2000°C，對(duì)磁控濺射系統(tǒng)施加直流偏壓，直流濺射的功率為66 120瓦，并使襯底座相對(duì)樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度為1 30轉(zhuǎn)/分；(4)打開(kāi)磁控濺射靶材和熱絲前的擋板，制備硅基薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過(guò)共生長(zhǎng)對(duì)硅基薄膜進(jìn)行摻雜的方法，屬于薄膜硅材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。首先在真空腔的腔體壁上設(shè)置一個(gè)熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)和一個(gè)磁控濺射系統(tǒng)，將清洗后的襯底放入真空腔的樣品座上，向真空腔中通入反應(yīng)氣體氬氣、氫氣和硅烷，對(duì)熱絲加熱，并對(duì)磁控濺射系統(tǒng)施加直流偏壓，打開(kāi)磁控濺射靶材和熱絲前的擋板，制備硅基薄膜。本發(fā)明與已有技術(shù)相比，制備的薄膜摻雜元素的含量比較均勻，可實(shí)現(xiàn)突變摻雜。而且所需設(shè)備簡(jiǎn)單，摻雜量易于控制，可以實(shí)現(xiàn)高摻雜濃度，低離子損傷的薄膜制備，具有操作方便、重復(fù)可靠的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C23C14/16GK102560400SQ20121001517
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者劉豐珍, 周玉榮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院研究生院