專利名稱：一種納米硅薄膜的制備工藝和產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明一種納米硅薄膜的制備工藝和產(chǎn)品，涉及一種人工功能半導體薄膜的制備工藝及用此工藝生產(chǎn)的納米硅薄膜，及納米硅在電子器件上的應用。
背景技術(shù)：
納米硅薄膜是近十年來隨著納米科技的發(fā)展而出現(xiàn)的一種人工功能半導體材料。硅是一種重要的半導體材料，它是微電子學技術(shù)中用于制造器件和大規(guī)模集成電路的主要原材料，同樣，在今后不斷發(fā)展的納米電子學中硅材料仍然起著獨特的作用。納米硅薄膜(Nano crystalline Silicone Films)中的細微晶粒具有量子點特征，它的傳導機制不同于通常半導體材料，而是屬于一種異質(zhì)結(jié)量子點隧穿機制。從而使其具有比單晶硅高出數(shù)千倍的電導率(δrt＝10-3-10-1Ω-1·cm-1)但是欲使納米硅薄膜直接用于更廣泛的范圍，還需要對薄膜的導電率大小及導電類型加以控制；已知在晶態(tài)半導體中，可以通過摻雜，如磷或硼來控制導電類型及導電率，以此滿足各類半導體器件的需求，為此，本發(fā)明提出一種新的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種導電率及導電類型可通過工藝調(diào)整而加以控制的一種納米硅薄膜的制備工藝和產(chǎn)品。
本發(fā)明可通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種納米硅薄膜的制備工藝是采用等離子體化學汽相沉積法，在超高真空的PECVD沉積設備之反應室內(nèi)制造納米硅nc-SiH，特點是反應氣體包括以高純度氫氣H2稀釋的硅烷SiH4為主反應氣體，在高頻等離子放電作用下，發(fā)生下述反應
↑ ↓反應基[SiH2]被襯底表面吸附的速率及生成納米硅薄膜表面的脫氫是一個熱力學平衡反應過程，即式中r1、r2分別為正、負兩個方向的反應速率，納米硅薄膜的生成中在r1≥r2的接近熱力學平衡條件下完成的，因而納米硅薄膜具有較好穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)及較慢的生長速率。在前述納米硅中進行人工摻雜，是加入以氫氣稀釋的摻雜氣體，而所述的摻雜氣體為磷烷PH3或硼烷B2H6或砷烷AsH3。在等離子體化學反應過程中，磷烷PH3或硼烷B2H6或砷烷AsH3首先分解成[PH]或[BH]或[AsH]復合體并進入納米硅薄膜的晶體間界區(qū)，并以Si-P-H或Si-B-H Si-As-H鍵合形式存在，由于P-H的鍵能稍高于Si-H鍵，所以欲使磷原子能有效的摻入到納米硅中起到有效摻雜作用需要足夠高的襯底溫度Ts，但是溫度過高會引起晶粒長大，使反應偏離平衡態(tài)，不能保證納米相。故，欲得到較理想的摻雜(磷或硼或砷)納米硅薄膜是在下列條件下完成的硅烷氫氣稀釋比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(0.2-1.0)％；摻雜氣體氫氣稀釋比C＝R/(R+H2)＝(0.1-0.3)％；摻雜比r＝R/(R+H2)＝10-4-10-1；沉積時襯底溫度Ts＝180-280℃；沉積時反應壓力P＝0.7-1.0乇；r.f射頻功率W＝40-80瓦(極板面積A＝102平方厘米)；直流負偏壓D.C＝-120--200伏；反應室極板間距d＝2.5-3.5厘米。
在上述技術(shù)方案基礎上，利用納米硅薄膜的制備工藝制成的摻雜納米硅薄膜，以摻雜比r為(4-7)×10-2范圍內(nèi)，成膜導電率δrt可達50Ω-1·cm-1，電導激活能ΔE達(1-3)×10-2ev，薄膜性能在室溫上、下幾百度溫度范圍內(nèi)(100-450°K)具有優(yōu)越的溫度穩(wěn)定性，利用上述特性可將納米硅用于特種器件。
在上述技術(shù)方案基礎上，利用納米硅薄膜的制備工藝制成的摻雜納米硅薄膜，具有量子點特性的細微晶粒，粒徑2-10納米，晶粒所占體積比50％左右。尤其摻磷后能使細微晶粒減小使晶粒的排列趨于整齊，可用以研制開發(fā)量子功能器件。
在上述技術(shù)方案基礎上，以低電阻率的單晶硅為基片，在其上方沉積一層摻雜納米硅薄膜，構(gòu)成納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。微晶粒已具有量子點特性，從而使納米硅膜以及所制成的該異質(zhì)結(jié)二極管的電輸運過程是一種新型的量子隧穿機制。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于用此種方法提供一種導電率及導電類型可通過工藝調(diào)整而加以控制，用此工藝方法制成的摻雜納米硅薄膜中具有量子點特性的細微晶粒，并可制成性能優(yōu)異的量子遂穿機制的納米硅/單、晶硅異質(zhì)結(jié)二極管。


附圖1，PECVD多反應室示意圖。
附圖2，生成膜電導率與摻雜濃度比關系曲線。
附圖3，生成膜電導率及電導激活能與摻雜原子濃度關系曲線。
附圖4，一組摻磷樣品的氫含量縱向分布圖。
具體實施方法實施例1，如圖1，PECVD多反應室示意圖所示，一種納米硅薄膜的制備工藝，采用等離子體化學汽相沉積法，是在PECVD設備中生長摻磷烷PHs或硼烷B2H6或砷烷AsH3的納米硅薄膜，特點是反應氣體包括以氫氣稀釋的硅烷反應氣和以氫氣稀釋的摻雜氣體，其中，硅烷氫氣稀釋比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(0.2-1.0)％；摻雜氣體氫氣稀釋比C＝R/(R+H2)＝(0.1-0.3)％；摻雜比r＝R/SiH4＝10-4-10-1；沉積時襯底溫度Ts＝180-280℃；沉積時反應壓力P＝0.7-1.0乇；r.f射頻功率W＝40-80瓦；直流負偏壓D.C＝-120--200伏；反應室極板間距d＝2.5-3.5厘米。當摻雜比r＝(4-7)×10-2范圍時，摻雜納米硅膜可獲得最高的電導率，即室溫條件下，導電率δrt可達500Ω-1·cm-1，電導激活能ΔE達(1-3)×10-2ev。且薄膜性能在室溫上、下幾百度范圍內(nèi)(100-450°K)具有優(yōu)越的溫度穩(wěn)定性；在薄膜沉積過程中，除正常使用r.f射頻功率源外，還平行施加一直流負偏壓D.C功率源，以促使生成膜成核形成納米結(jié)構(gòu)，摻磷使得薄膜中細微晶粒平均減小到2-4納米，使晶粒的排列趨于整齊，這一特性可能使摻磷納米硅膜用于研制能在室溫范圍呈現(xiàn)量子功能作用的新型器件；隨著摻雜濃度的提高，摻雜納米硅薄膜呈“S”狀趨勢增大，如圖2，生成膜電導率與摻雜濃度比關系曲線。導電率最高可達500Ω-1·cm-1，已能滿足器件研制的需求；如圖3，生成膜電導率及電導激活能與摻雜原子濃度關系曲線所示，在納米硅薄膜中能起激活作用的磷(或硼或砷)原子僅為1％左右；摻磷后納米硅薄膜中氫含量有所下降，又如圖4，一組摻磷樣品的氫含量縱向分布圖所示，摻磷后，電導激活能ΔE下降一個數(shù)量級，從而使納米硅薄膜的熱穩(wěn)定性大大提高，有利于在器件中應用；通過對摻雜納米硅薄膜電子自旋共振(ESR)譜的分析，適量磷或硼或砷的摻入不僅不會引起缺陷，反而使自旋密度有所下降，這有利于對器件的研制。
應用例，用本發(fā)明可制成了性能優(yōu)異的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)二極管，其以低電阻率的單晶硅為基片，在其上方沉積一層摻雜納米硅薄膜，構(gòu)成納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)由下述工藝完成首先，預先用半導體中熱氧化方法生成約0.5微米厚的二氧化硅層；其次，再使用半導體平面工藝刻制成一排排整齊的窗口；然后，在超高真空的PECVD沉積設備生長一層厚約1微米摻雜納米硅薄膜；再次，利用平面工藝將小窗口外的納米硅薄膜腐蝕掉，僅留下窗口內(nèi)的納米硅薄膜作為器件的工作層；最后，使用濺射法或熱蒸發(fā)法形成上、下電極，應在不高于420℃溫度條件下進行短時操作，上、下電極要形成歐姆連接。此二極管已在液氮溫區(qū)(＜100K)的I-V特性曲線及ρ-V特性曲線中呈現(xiàn)出量子臺階，具明顯的量子振蕩現(xiàn)象。納米硅中晶粒所占體積比50％左右，使各晶粒之間構(gòu)成一定的聯(lián)系，不再像微晶硅薄膜中那樣晶粒是分散、互相弧立的。在納米硅中，大量的微晶粒之間構(gòu)成界面層，在界面層中，硅原于的排列是無序和松散的，完全不同于微晶粒內(nèi)硅原于的整齊排列。所以因納米硅薄膜是由50％左右的晶體硅及另50％左右的非晶硅構(gòu)成兩相結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1，一種納米硅薄膜的制備工藝，采用等離子體化學汽相沉積法，是在PECVD設備中生長納米硅薄膜，其特征在于反應氣體包括以氫氣稀釋的硅烷反應氣和以氫氣稀釋的摻雜氣體，其中，硅烷氫氣稀釋比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(0.2-1.0)％；摻雜氣體氫氣稀釋比C＝R/(R+H2)＝(0.1-0.3)％；摻雜比r＝R/SiH4＝10-4-10-1沉積時襯底溫度Ts＝180-280℃；沉積時反應壓力P＝0.7-1.0乇；r.f射頻功率W＝40-80瓦；直流負偏壓D.C＝-120--200伏；
2，根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米硅薄膜的制備工藝，其特征在于摻雜比r＝(4-7)×10-2。
3，根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米硅薄膜的制備工藝，其特征在于所述摻雜氣體為磷烷PH3。
4，根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米硅薄膜的制備工藝，其特征在于所述摻雜氣體為硼烷B2H6。
5，根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米硅薄膜的制備工藝和產(chǎn)品，其特征在于納米硅薄膜具有量子點特性的細微晶粒，粒徑2-10納米。
6，根據(jù)權(quán)利要求1、5所述的一種納米硅薄膜的制備工藝和產(chǎn)品，其特征在于以低電阻率的單晶硅為基片，在其上方沉積一層摻雜納米硅薄膜，構(gòu)成納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
7，根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米硅薄膜的制備工藝，其特征在于所述摻雜氣體為砷烷AsH3。
8，根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種納米硅薄膜的制備工藝和產(chǎn)品，其特征在于所述納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)由下述工藝完成首先，預先用半導體中熱氧化方法生成約0.5微米厚的二氧化硅層；其次，再使用半導體平面工藝刻制成一排排整齊的窗口；然后，在超高真空的PECVD沉積設備生長一層厚約1微米摻雜納米硅薄膜；再次，利用平面工藝將小窗口外的納米硅薄膜腐蝕掉，僅留下窗口內(nèi)的納米硅薄膜作為器件的工作層；最后，使用濺射法或熱蒸發(fā)法形成上、下電極，應在不高于420℃溫度條件下進行短時操作，上、下電極要形成歐姆連接。
全文摘要
本發(fā)明一種納米硅薄膜的制備工藝和產(chǎn)品,涉及一種人工功能半導體薄膜的制備工藝及用此工藝生產(chǎn)的納米硅薄膜,及納米硅在電子器件上的應用。納米硅薄膜采用等離子體化學汽相沉積法,是在PECVD設備中生長納米硅薄膜,反應氣體包括以氫氣稀釋的硅烷反應氣和以氫氣稀釋的摻雜氣體。用此種方法提供了一種導電率及導電類型可通過工藝調(diào)整而加以控制的摻雜納米硅薄膜,用以可制成性能優(yōu)異的量子遂穿納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)二極管。
文檔編號C23C16/22GK1349004SQ0114132
公開日2002年5月15日 申請日期2001年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月27日
發(fā)明者劉明, 何宇亮 申請人:上海維安新材料研究中心有限公司