專利名稱：納米硅薄膜及其制備工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是關于一種納米硅薄膜及其制備工藝，更特別的，是關于一種摻雜納米硅薄膜及其制備工藝。
納米硅薄膜是近十多年來隨著納米科學技術的發(fā)展而突起的一種人工功能半導體材料。納米硅薄膜(Nano-crystalline siliconfilms)在國外1986年首次報導，自1990年起，我們使用通常半導體工藝中等離子體增強化學汽相沉積法(PECVD)法在嚴格控制工藝條件下在國內(nèi)首先制成，并于1992年公開報導，見中國專利CN-92114905；由于其結構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，如可見發(fā)光、量子輸運以及在其隧道結中觀測到的量子振蕩現(xiàn)象等。這些新穎的性能會使它在今后發(fā)展著的納米電子學領域中發(fā)揮其獨特的作用。
目前已知的技術是在大量半導體材料中使用人工摻染(如硅中摻入硼或磷)或改變結構組份(如某些三五族材料)的辦法達到控制其性能(電導率、導電類型、能帶結構等)的目的，從而滿足設計各種半導體器件的需要，雖然我們上述專利制出的納米硅薄膜已具有了較高的電導率(σrt=10-3～10-1Ω-1．cm-1)，但對制作器件而言還嫌不夠。
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。
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)明的這個以及其它目的將通過下列詳細說明和描述來進一步體現(xiàn)。
在本發(fā)明中，本發(fā)明的納米硅薄膜，采用等離子化學汽相沉積法，在PECVD設備中生長制備，具有以下技術特征a、晶粒大小為d=(2～6)納米；b、晶態(tài)體積百分比Xc=(53±5)％；c、薄膜最高電導率為σrt=30Ω-1．cm-1，電導激活能ΔE=10-2ev；d、薄膜中電子遷移率為μ=(3～10)cm2／V．sec。
e、薄膜生長速率為rg=(100～150)納米／小時；f、摻雜納米硅薄膜具有量子輸運特征；g、電導率按下式表示 本發(fā)明的納米硅薄膜還具有一定強度的可見發(fā)光(紅、黃)及較高的壓力靈敏第數(shù)(K～100)。
本發(fā)明的納米硅薄膜的制備工藝，包括采用等離子化學汽相沉積法，在PECVD設備中生長納米硅薄膜，反應氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應氣和摻雜氣體，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P型納米硅)其氣體稀釋比為C’=B2H6／B2H6+H2=(0．4～1．0)％；薄膜生長時的摻雜氣體比值r=R／SiH4=10-2～10-1；薄膜生長時的襯底溫度Ts=(250±30)℃；薄膜生長時反應氣體壓力P=1．2～2．5乇；薄膜生長時射頻(r．f)功率W=(0．6～1．0)瓦／厘米2；薄膜生長時直流負偏壓Vb=-(50～100)伏。
進一步的，本發(fā)明的納米硅薄膜的制備工藝，包括采用等離子化學汽相沉積法，在PECVD設備中生長納米硅薄膜，反應氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應氣和摻雜氣體，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)％；采用摻雜氣體源為硼烷(以生長P型納米硅)其氣體稀釋比為C’=B2H6／B2H6+H2=(0．7～0．8)％；薄膜生長時的摻雜氣體比值r=R／SiH4=2×10-2～5×10-2；薄膜生長時的襯底溫度Ts=(250±30)℃；薄膜生長時反應氣體壓力P=1．2乇；薄膜生長時射頻(r．f)功率W=(0．7～0．8)瓦／厘米2；
薄膜生長時直流負偏壓Vb=-(70～100)伏。
更進一步的，本發(fā)明的納米硅薄膜的制備工藝，包括采用等離子化學汽相沉積法，在PECVD設備中生長納米硅薄膜，反應氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應氣和摻雜氣體，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n型納米硅)其氣體稀釋比為C”=PH3／PH3+H2=(0．4～0．6)％；薄膜生長時的摻雜氣體比值r=R／SiH4=10-2～10-2；薄膜生長時的襯底溫度Ts=(250±30)℃；薄膜生長時反應氣體壓力P=1．2～2．5乇；薄膜生長時射頻(r．f)功率W=(0．6～1．0)瓦／厘米2；薄膜生長時直流負偏壓Vb=-(50～100)伏。
較好的是，本發(fā)明的納米硅薄膜的制備工藝，包括采用等離子化學汽相沉積法，在PECVD設備中生長納米硅薄膜，反應氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應氣和摻雜氣體，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n型納米硅)其氣體稀釋比為C”=PH3／PH3+H2=(0．4～0．5)％；薄膜生長時的摻雜氣體比值r=R／SiH4=2×10-2～5×10-2；薄膜生長時的襯底溫度Ts=(250±30)℃；薄膜生長時反應氣體壓力P=1．2乇；薄膜生長時射頻(r．f)功率W=(0．7～0．8)瓦／厘米2；薄膜生長時直流負偏壓Vb=-(70～100)伏。
用本發(fā)明的方法不僅使其電導率提高到幾十Ω-1．cm-1，還能控制其導電類型(n型或p型)，已基本上能滿足研制納米硅器件的需要。
用本發(fā)明的方法制備的產(chǎn)品具有以下優(yōu)點1、溫度穩(wěn)定性極好，并可在高達-250℃溫度下正常工作；2、反向開關時間(恢復時間)tr≤2．0ns，已超過目前國內(nèi)外硅器件的現(xiàn)有水平；3、反向漏電流Ir為納安(nA)量級，具有超低噪音系數(shù)；4、反向擊穿電壓為Vb≥60伏硬擊穿；5、結電容高于同類硅器件，結電容變化率大于10；6、在V=±4伏范圍，整流比r=104～106；7、整個器件制造工序可在400℃低于溫度范圍利用現(xiàn)有的半導體平面工藝完成。
如

圖1所示，對摻磷nc-Si∶H而言(圖1右半側)，在摻雜濃度較低時(PH3／SiH4≈0．3％以上)電導率σrt上升很快，但是當進入高摻雜范圍(PH3／SiH4≈10％)其上升速度下降并趨于飽和。與之相應，電導激活能ΔE隨摻磷濃度的變化規(guī)律相反，摻磷后最高電導率達σrt=30Ω-1．cm-1，圖1左半側為摻硼nc-Si∶H膜，當摻硼濃度很低時(B2H6／SiH4≤0．6％以下)其σrt值繼續(xù)下降到一個最低點(σrt=5．0×10-2Ω-1．cm-1相當于本征nc-Si∶H膜的電導率值)，然后上升。這一現(xiàn)象完全類似于非晶硅a-Si∶H薄膜及微晶硅(μC-Si∶H)薄膜中的情況。說明本征及摻磷nc-Si∶H膜的導電類型為n型。當摻硼濃度B2H6／SiH4≥1．0％以上時nc-Si∶H膜轉變?yōu)镻型傳導其電導又陡然上升。摻硼納米硅薄膜的最高電導率略低于摻磷納米薄膜。
對于未經(jīng)摻雜的nc-Si∶H膜(本征型)，前些年我們已研究過其熱退火性能，如圖2、3所示，圖2示出，nc-Si∶H膜中的氫含量CH值在-300℃以內(nèi)是穩(wěn)定的，當退火溫度高于300℃以上氫開始從膜中逸出，從而導致薄膜物性的變化。圖3為nc-Si∶H膜的電導率隨熱退火的變化并給出與圖2相似的結果。這說明納米硅薄膜在300℃以下溫度范圍其結構和物性沒有明顯變化，這一特征對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，它反映了薄膜電導率隨溫度的變化特征，指出隨著摻磷濃度的提高，曲線逐漸拉平，即摻磷納米硅薄膜的溫度穩(wěn)定趨于更好，這是納米器件溫度穩(wěn)定性極好的原因所在。
近來，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量子其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)有的半導體器件中是罕見的。圖5為對一只N／P型納米硅異質(zhì)結二極管在室溫以下溫度范圍(10～300K)的I-V曲線，尤其是反向幾乎無變化。圖6為對該類型二極管在室溫以上溫度范圍(300～450K)的I-V曲線，具有類似結果。
在本發(fā)明中，如非特指，所有的量、份均為重量體積單位，所用的設備為現(xiàn)有技術中公知的。
以下通過具體實施例來進一步說明本發(fā)明，實施例僅用于說明，并不能限制本發(fā)明的范圍。
例1按下列工藝條件制備納米硅薄膜。
采用等離子化學汽相沉積法，在PECVD設備中生長納米硅薄膜，反應氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應氣和摻雜氣體，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P型納米硅)其氣體稀釋比為C’=B2H6／B2H6+H2=0．7％；薄膜生長時的摻雜氣體比值r=R／SiH4=2×10-2；薄膜生長時的襯底溫度Ts=210℃；薄膜生長時反應氣體壓力P=1．1乇；薄膜生長時射頻(r．f)功率W=0．7瓦／厘米2；薄膜生長時直流負偏壓Vb=-75伏。；反應室極板間距d=2．5厘米。
制備出的產(chǎn)品晶粒大小為d=(2～6)納米，晶態(tài)體積百分比Xc=(53±5)％，薄膜電導率為σrt=30Ω-1．cm-1。納米硅薄膜還具有一定強度的可見發(fā)光(紅、黃)及較高的壓力靈敏系數(shù)100。
例2按下列工藝條件制備納米硅薄膜。
采用等離子化學汽相沉積法，在PECVD設備中生長納米硅薄膜，反應氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應氣和摻雜氣體，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n型納米硅)其氣體稀釋比為C”=PH3／PH3+H2=0．5％；薄膜生長時的摻雜氣體比值r=R／SiH4=5×10-2；薄膜生長時的襯底溫度Ts=200℃；薄膜生長時反應氣體壓力P=1．1乇；薄膜生長時射頻(r．f)功率W=0．75瓦／厘米2；薄膜生長時直流負偏壓Vb=-100伏。
反應室極板間距d=3．5厘米。
制備出的產(chǎn)品晶粒大小為d=(2～6)納米，晶態(tài)體積百分比Xc=(53±5)％，薄膜電導率為σrt=30Ω-1．cm-1。納米硅薄膜還具有一定強度的可見發(fā)光(紅、黃)及較高的壓力靈敏系數(shù)100。
權利要求
1.一種納米硅薄膜，其采用等離子化學汽相沉積法，在PECVD設備中生長制備，其特征在于具有以下技術特征a、晶粒大小為d=(2～6)納米；b、晶態(tài)體積百分比Xc=(53±5)％；c、薄膜最高電導率為σrt=30Ω-1．cm-1，電導激活能ΔE=10-2ev；d、薄膜中電子遷移率為μ=(3～10)cm2／V．sec。
2.如權利要求1所述的納米硅薄膜，其特征在于還包括以下特征e、薄膜生長速率為rg=(100～150)納米／小時；f、摻雜納米硅薄膜具有量子輸運特征；g、電導率按下式表示
3.如權利要求1、2所述的納米硅薄膜，其特征在于納米硅薄膜還具有一定強度的可見發(fā)光(紅、黃)及較高的壓力靈敏第數(shù)(K～100)。
4.如權利要求1～3所述的納米硅薄膜的制備工藝，其特征在于采用等離子化學汽相沉積法，在PECVD設備中生長納米硅薄膜，反應氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應氣和摻雜氣體，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P型納米硅)其氣體稀釋比為C’=B2H6／B2H6+H2=(0．4～1．0)％；薄膜生長時的摻雜氣體比值r=R／SiH4=10-2～10-1；薄膜生長時的襯底溫度Ts=(250±30)℃；薄膜生長時反應氣體壓力P=1．2～2．5乇；薄膜生長時射頻(r．f)功率W=(0．6～1．0)瓦／厘米2；薄膜生長時直流負偏壓Vb=-(50～100)伏。
5.如權利要求4所述的納米硅薄膜的制備工藝，其特征在于采用等離子化學汽相沉積法，在PECVD設備中生長納米硅薄膜，反應氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應氣和摻雜氣體，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)％；采用摻雜氣體源為硼烷(以生長P型納米硅)其氣體稀釋比為C’=B2H6／B2H6+H2=(0．7～0．8)％；薄膜生長時的摻雜氣體比值r=R／SiH4=2×10-2～5×10-2；薄膜生長時的襯底溫度Ts=(250±30)℃；薄膜生長時反應氣體壓力P=1．2乇；薄膜生長時射頻(r．f)功率W=(0．7～0．8)瓦／厘米2；薄膜生長時直流負偏壓Vb=-(70～100)伏。
6.如權利要求1～3所述的納米硅薄膜的制備工藝，其特征在于采用等離子化學汽相沉積法，在PECVD設備中生長納米硅薄膜，反應氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應氣和摻雜氣體，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n型納米硅)其氣體稀釋比為C”=PH3／PH3+H2=(0．4～0．6)％；薄膜生長時的摻雜氣體比值r=R／SiH4=10-2～10-1；薄膜生長時的襯底溫度Ts=(250±30)℃；薄膜生長時反應氣體壓力P=1．2～2．5乇；薄膜生長時射頻(r．f)功率W=(0．6～1．0)瓦／厘米2；薄膜生長時直流負偏壓Vb=-(50～100)伏。
7.如權利要求6所述的納米硅薄膜的制備工藝，其特征在于采用等離子化學汽相沉積法，在PECVD設備中生長納米硅薄膜，反應氣體包括以高純氫氣稀釋的硅烷反應氣和摻雜氣體，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n型納米硅)其氣體稀釋比為C”=PH3／PH3+H2=(0．4～0．5)％；薄膜生長時的摻雜氣體比值r=R／SiH4=2×10-2～5×10-2；薄膜生長時的襯底溫度Ts=(250±30)℃；薄膜生長時反應氣體壓力P=1．2乇；薄膜生長時射頻(r．f)功率W=(0．7～0．8)瓦／厘米2；薄膜生長時直流負偏壓Vb=-(70～100)伏。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米硅薄膜,其采用等離子化學汽相沉積法,在PECVD設備中生長制備，產(chǎn)品的晶粒大小為d=(2～6)納米，晶態(tài)體積百分比Xc=(53±5)%,薄膜最高電導率為σ
文檔編號C23C16/24GK1290769SQ0012985
公開日2001年4月11日 申請日期2000年10月20日 優(yōu)先權日2000年10月20日
發(fā)明者何宇亮, 劉明 申請人:何宇亮, 李愛剛