專利名稱：一種可用于硅基光電集成器件的SiOx薄膜制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用于硅基光電集成器件的Si0x薄膜制備方
法，屬于光電子材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
以硅基材料為基礎(chǔ)的微電子技術(shù)的發(fā)展是21世紀(jì)最引人注目的
高技術(shù)成就之一，利用集成電路技術(shù)制作的半導(dǎo)體芯片，已經(jīng)成為
現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)，并且引起了社會(huì)生活的巨大變革。當(dāng)Si微電
子技術(shù)越來(lái)越接近其物理極限的時(shí)候，信息和通訊技術(shù)對(duì)進(jìn)一步提
高傳輸速率，開發(fā)研制超高速、超大容量的硅基光電子集成芯片提
出了挑戰(zhàn)，于是硅基光電集成關(guān)鍵材料和器件的研究開發(fā)便成為國(guó) 際科學(xué)界和工業(yè)界特別受關(guān)注的重大研究課題。
近年來(lái)，Si0x薄膜由于其在雙穩(wěn)開關(guān)方面，負(fù)電阻方面的應(yīng)用 特別是在電致發(fā)光顯示方面的前景而受到到關(guān)注(2)。研究發(fā)現(xiàn)，不同 的制備方法和參雜會(huì)使Si0x薄膜中產(chǎn)生不同的發(fā)光中心，從而使其 發(fā)光波長(zhǎng)發(fā)生變化，因而在這種基質(zhì)中可以獲得不同的范圍的發(fā)光 波長(zhǎng)。此外，對(duì)Si0x薄膜進(jìn)行熱處理可以獲得鑲嵌在Si02介質(zhì)中的 納米硅，而納米硅的發(fā)光和存儲(chǔ)特性最近取得了突破性的進(jìn)展，2000 年意大利Trento大學(xué)L. PAvesi研究組在二氧化硅中用離子注入 和熱退火相結(jié)合的方法獲得納米硅，并從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了納米硅在短 波激光泵浦下的光增益，為納米硅激光器的實(shí)現(xiàn)提出了可能性(3)， 2005年美國(guó)加州研究所巧妙的設(shè)計(jì)了以納米硅為浮置柵的MOS結(jié)構(gòu)， 通過(guò)加電場(chǎng)來(lái)控制其電致發(fā)光，實(shí)現(xiàn)了電光控制")。如果將SiOx薄膜 的特點(diǎn)與當(dāng)前硅基發(fā)光器件和存儲(chǔ)器件相結(jié)合，它在未來(lái)的微電子光電集成方面將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用空間，成為實(shí)現(xiàn)硅基光電集成的 一種新材料，為實(shí)現(xiàn)硅基光電集成提供了新的思路。
據(jù)申請(qǐng)人了解，到目前為止，國(guó)際上研究小組制備SiOx薄膜的 方法主要是》茲控濺射的方法。該方法的原理是用^茲場(chǎng)改變電子的運(yùn) 動(dòng)方向，并束縛和延長(zhǎng)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而提高電子對(duì)工作氣體 的電離幾率，使氣體離子對(duì)靶材轟擊濺射出原子沉積形成薄膜。長(zhǎng) 期以來(lái)，磁控濺射法制備Si02—般釆用射頻濺射工藝。雖然經(jīng)過(guò)了 多年的發(fā)展，射頻濺射還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到令工業(yè)界滿意的水平，主要表 現(xiàn)為設(shè)備復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用高和沉積速率偏低，無(wú)法充分滿足大面積 鍍膜工業(yè)生產(chǎn)的需要。射頻濺射功率利用率不高大量功率轉(zhuǎn)化成熱 量從靶的冷卻系統(tǒng)中流失，因此需要對(duì)靶及其附件進(jìn)行特別設(shè)計(jì)， 同時(shí)也需要相對(duì)高的功率來(lái)進(jìn)行鍍膜。然而大功率射頻電源在設(shè)計(jì) 上有很大困難，隨之而來(lái)的干擾和輻射等問(wèn)題也相當(dāng)嚴(yán)重，限制了 射頻濺射向更大面積的發(fā)展。從賊射速率看，由于Si02的濺射產(chǎn)額
很低，因此，尋找替代射頻濺射制備介質(zhì)膜的研究一直沒(méi)有停止過(guò)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種可用于硅基光電集成器件的SiOx 薄膜制備方法，該方法應(yīng)當(dāng)成本低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染，且能在低溫下進(jìn) 行，從而可以切實(shí)應(yīng)用于未來(lái)的硅基納米光電子學(xué)器件。
為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種可用于硅基光 電集成器件的SiOx薄膜制備方法包括以下步驟 第一步驟、清洗硅片襯底，并去除其表面自然氧化層后干燥； 第二步驟、蒸發(fā)薄膜
2-1、將清洗后的硅片襯底放入電子束蒸發(fā)沉積裝置的反應(yīng)腔，在電 子束蒸發(fā)的過(guò)程中通入所需流量的02，在硅片襯底正面獲得所需氧配比的Si0x薄膜;
2-2、快速熱退火，使SiOx薄膜中的Si先析出成核、結(jié)晶；
2- 3、恒溫退火處理，使結(jié)晶核繼續(xù)長(zhǎng)大，生成鑲嵌有納米硅量子點(diǎn) 的二氧化硅薄膜，納米硅的尺寸最好控制在2 nm - 10 nm; 第三步驟、制備器件的電極
3- l、在鑲嵌有納米硅的Si02薄膜上淀積留有光學(xué)窗口的導(dǎo)電薄膜作 為發(fā)光器件陰極，該電極也可以用作電學(xué)存儲(chǔ)特性測(cè)試的陰極； 3-2、在硅片襯底背面淀積導(dǎo)電薄膜作為發(fā)光器件的陽(yáng)極，該電極也 可以用作電學(xué)存儲(chǔ)特性測(cè)試的陽(yáng)極。
經(jīng)過(guò)以上步驟，即可實(shí)現(xiàn)X值可控的SiOx薄膜中的制備，并進(jìn) 一步獲得尺寸可控的鑲嵌有納米硅的Si02薄膜。SiOx薄膜中X的值 可以在0. 1與2之間調(diào)整變，而且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整X的值可以進(jìn) 一步控制納米硅量子點(diǎn)的尺寸，最小可以控制到2 nm。
采用電子束蒸發(fā)來(lái)制備SiOx薄膜與其他制備SiOx薄膜的方法 相比，具有的優(yōu)點(diǎn)為1)電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得比 電阻加熱更大的能量密度?？稍谝粋€(gè)不太小的面積上達(dá)到104—109 W/cii^的功率密度，因此可以使高熔點(diǎn)(可高達(dá)3000'C以上)材料蒸 發(fā)，并且能有較高的蒸發(fā)速度；2)由于被蒸發(fā)材料是置于水冷坩堝 內(nèi)，因而可避免容器材料的蒸發(fā)，以及容器材料與蒸鍍材料之間的反 應(yīng)，這對(duì)提高鍍膜的純度極為重要；3)熱量可直接加到蒸鍍材料的 表面，因而熱效率高，熱傳導(dǎo)和熱輻射的損失少。它克服了一般電阻 加熱蒸發(fā)的許多缺點(diǎn)，特別適合制作熔點(diǎn)薄膜材料和高純薄膜材料。 尤其是，本發(fā)明首創(chuàng)在電子束蒸發(fā)過(guò)程中利用氧氣氛圍來(lái)調(diào)節(jié)氧在 SiOx薄膜中的組分比X。
本發(fā)明以上步驟中，電子束蒸發(fā)沉積裝置反應(yīng)腔的真空室抽真空至3.1-6 X10"P a為宜，加熱溫度控制在至100°C~ 300°C，按 流量10sccm 60sccm充入氧氣，電源功率調(diào)節(jié)至3 0W 150W， 使射頻電源電極間的氣體發(fā)生輝光放電，蒸發(fā)沉積時(shí)間O.lmin-lmin均可。
本發(fā)明的方法打破常規(guī)，僅用氧氣作為氣源，成本低、對(duì)環(huán)境 無(wú)污染，且在低溫下進(jìn)行，操作安全。制得的SiOx薄膜厚度可以控 制在10nm到lum，可用于珪基光電集成電路的發(fā)光器件的發(fā)光有源 層和MOS存儲(chǔ)器件的柵極。其顯著優(yōu)點(diǎn)可以歸納如下
1. 原位摻氧的技術(shù)保證了樣品表面的清潔度；
2. 低溫制備，工藝簡(jiǎn)單，與半導(dǎo)體的硅工藝相兼容；
3. 通過(guò)調(diào)整02的流量可以方便的獲得不同氧配比X的SiOx薄膜；
4. 通過(guò)調(diào)整SiOx薄膜中的氧配比X，能夠有效控制納米硅量子點(diǎn)形
成的尺寸，非常適用于構(gòu)筑納米器件。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
附圖為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的工藝結(jié)構(gòu)示意圖。其中圖l表示利用 電子束蒸發(fā)系統(tǒng)，在P+的硅襯底2上蒸發(fā)沉積不同氧配比的SiOx薄 膜5，，然后在原始制備的SiOx薄膜的上、下表面分別蒸發(fā)金屬電極 1和3;圖2表示對(duì)不同氧配比的SiOx薄膜作熱退后獲得的鑲嵌有尺 寸可控的納米硅量子點(diǎn)的Si02薄膜5，在鑲嵌有納米硅量子點(diǎn)4的 Si02薄膜的上、下表面分別蒸發(fā)金屬電極l、 3，并留出窗口。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一
本實(shí)施例的硅基SiOx薄膜的制備基本過(guò)程包括以下步驟 第一步驟、清洗p型半導(dǎo)體硅片襯底采用半導(dǎo)體工藝中的清洗液1號(hào)液(冊(cè)4:11202:1120=1: 2: 5 )和 2號(hào)液(HCL:H202:H20=1: 2: 6)，對(duì)襯底進(jìn)行清洗，并用氫氟酸漂去 襯底表面的天然氧化層，在氮?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境中進(jìn)行烘干； 第二步驟、蒸發(fā)薄膜
2-1 、將清洗后的p型半導(dǎo)體硅片放入電子束蒸發(fā)沉積裝置的反應(yīng)腔， 采用02作為反應(yīng)氣源，在電子束蒸發(fā)的過(guò)程中通入不同流量的02， 流量控制范圍在10 - 60 SCCM，溫度為100-300°C,對(duì)應(yīng)的x值為 0.1-2，功率控制在50 W-130 W，以獲得所需的不同氧配比的SiOx 薄膜；
2-2、將樣品按照常規(guī)半導(dǎo)體工藝進(jìn)行快速熱退火處理，使SiOx薄 膜中的Si先析出成核、結(jié)晶；
2- 3、將快速熱退火處理后的樣品按照常規(guī)半導(dǎo)體工藝(5)恒溫退火處 理，使結(jié)晶核繼續(xù)長(zhǎng)大，生成鑲嵌有納米硅量子點(diǎn)的二氧化硅薄膜， 納米硅的尺寸可以控制在2 nm-10 nm;
第三步驟、制備器件的電極
3- 1 、在鑲嵌有納米硅的Si02薄膜上淀積留有光學(xué)窗口的導(dǎo)電薄膜作 為發(fā)光器件陰極，該電極也可以用于電學(xué)存儲(chǔ)特性測(cè)試的陰極；
3-2 、在p型半導(dǎo)體硅片襯底背面淀積導(dǎo)電薄膜作為發(fā)光器件的陽(yáng)極，
該電極也可以用于電學(xué)存儲(chǔ)特性測(cè)試的陽(yáng)極。
圖1表示利用電子束蒸發(fā)系統(tǒng)，在P+的硅襯底上蒸發(fā)沉積不同
氧配比的Si0x薄膜，然后在原始制備的Si0x薄膜的上下表面蒸發(fā)金
屬電極，并對(duì)其電致發(fā)光特性進(jìn)行研究。檢測(cè)表明Si0x薄膜在室溫
下的發(fā)光峰位于330-430 nm;圖2表示對(duì)不同氧配比的SiOx薄膜作
熱退后獲得的鑲嵌有尺寸可控的納米硅量子點(diǎn)的Si02薄膜，在鑲嵌
有納米硅量子點(diǎn)的S i02薄膜的上下表面蒸發(fā)金屬電極并留出窗口 ，通過(guò)外加電場(chǎng)觀察其電致發(fā)光和電學(xué)存儲(chǔ)特性。檢測(cè)表明，鑲嵌有納
米硅的Si02薄膜的電致發(fā)光峰位于500-800 nm,并且具有電學(xué)存儲(chǔ) 特性。
以上電子束蒸發(fā)系統(tǒng)中，由計(jì)算機(jī)控制02的質(zhì)量流量計(jì)開關(guān)， 使反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)氣體流量為10 SCCM- 60 SCCM, 襯底的溫度為 100-300°C,功率為50W到130W，控制沉積的時(shí)間范圍在6秒到60 秒為宜，在硅襯底上制備不同厚度的SiOx薄膜，SiOx厚度的變化范 圍控制在IO nm到lum為宜。通過(guò)改變薄膜的沉積時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)SiOx 層的厚度,可實(shí)現(xiàn)對(duì)SiOx薄膜的光致發(fā)光波長(zhǎng)的調(diào)制，獲得從330 nm 到430 nm的發(fā)光波長(zhǎng)。
本實(shí)施采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在氧氣氛圍中通過(guò)調(diào)節(jié)氧氣的流量 在^f圭片上沉積氧配比可調(diào)控的SiOx薄膜，氧配比X可以通過(guò)紅外吸 收語(yǔ)進(jìn)行測(cè)試，該薄膜的電致發(fā)光波長(zhǎng)位于藍(lán)光波段，對(duì)SiOx作熱 退火可獲得鑲嵌有納米硅的Si02薄膜，該薄膜的電致發(fā)光波長(zhǎng)位于 綠紅光波段，并且具有電荷存儲(chǔ)特性，以上兩種狀態(tài)的薄膜的制備 方法與當(dāng)前微電子工藝相兼容，從而可以切實(shí)應(yīng)用于未來(lái)的硅基納 米光電子學(xué)器件。
除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同 替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。 [1] H. Pagnia， et al. Phys. Stat. Sol. a 108， 11 (1988) [2] M. L. B醒gersma, et al.Appl. Phys. Lett. 72， 2577 (1998) [3] L. Pavesi， et al. Nature, 408， 440 (2000) [4] Robert J. Walters, et al. Naturematerials， 4, 143 (2005) [5]馮團(tuán)輝，盧景霄等《新能源及工藝》，6， 20 ( 2004 )
權(quán)利要求
1. 一種可用于硅基光電集成器件的SiOx薄膜制備方法，包括以下步驟第一步驟、清洗硅片襯底，并去除其表面自然氧化層后干燥；第二步驟、蒸發(fā)薄膜2-1、將清洗后的硅片襯底放入電子束蒸發(fā)沉積裝置的反應(yīng)腔，在電子束蒸發(fā)的過(guò)程中通入所需流量的O2，在硅片襯底正面獲得所需氧配比的SiOx薄膜；2-2、快速熱退火，使SiOx薄膜中的Si先析出成核、結(jié)晶；2-3、恒溫退火處理，使結(jié)晶核繼續(xù)長(zhǎng)大，生成鑲嵌有納米硅量子點(diǎn)的二氧化硅薄膜；第三步驟、制備器件的電極3-1、在鑲嵌有納米硅的SiO2薄膜上淀積留有光學(xué)窗口的導(dǎo)電薄膜作為發(fā)光器件陰極；3-2、在硅片襯底背面淀積導(dǎo)電薄膜作為發(fā)光器件的陽(yáng)極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述可用于硅基光電集成器件的Si0x薄膜 制備方法，其特征在于所述步驟2-1中按流量10sccm—60sccm充 入氧氣，所述SiOx薄膜中X的值控制在0. 1至2之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述可用于硅基光電集成器件的SiOx薄膜 制備方法，其特征在于，所述步驟2-3中納米硅量子點(diǎn)的尺寸控 制在2 nm - 10 nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述可用于硅基光電集成器件的Si0x薄膜制 備方法，其特征在于所述步驟2-l中電子束蒸發(fā)沉積裝置反應(yīng)腔的 加熱溫度控制在至100°C ~ 300°C。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述可用于硅基光電集成器件的Si0x薄膜制 備方法，其特征在于所述步驟2-l中電子束蒸發(fā)沉積裝置反應(yīng)腔的 真空室抽真空至3. 1 ~ 6 X1(TP a 。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述可用于硅基光電集成器件的Si0x薄膜制 備方法，其特征在于所述步驟2-l中電子束蒸發(fā)沉積裝置反應(yīng)腔的 電源功率調(diào)節(jié)至30W~ 150W，蒸發(fā)沉積時(shí)間6-60秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可用于硅基光電集成器件的SiOx薄膜制備方法，屬于光電子材料技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括清洗硅片襯底并去除其表面自然氧化層后干燥、在電子束蒸發(fā)沉積裝置中通入O₂蒸發(fā)薄膜、制備器件電極各步驟。本發(fā)明的方法僅用氧氣作為氣源，成本低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染，且在低溫下進(jìn)行，操作安全。
文檔編號(hào)H01L21/822GK101281884SQ20081002496
公開日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2008年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月20日
發(fā)明者冬 劉, 廖遠(yuǎn)寶, 嶺 徐, 駿 徐, 敏 戴, 偉 李, 甘新慧, 郭四華, 陳坤基, 馬忠元 申請(qǐng)人:南京大學(xué)