專利名稱：一種納米硅薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體微電子和光電子器件制備工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及
一種在半導(dǎo)體或絕緣體襯底上利用射頻感應(yīng)耦合等離子體系統(tǒng)(ICP)制
備納米硅薄膜的方法。
背景技術(shù)：
納米硅薄膜是近二十年來發(fā)M來的一種功能性半導(dǎo)體材料，在國外
1986年首次報(bào)道，自19卯年起，我國使用通常半導(dǎo)體工藝中等離子增強(qiáng) 化學(xué)氣相沉積方法(PECVD),在嚴(yán)格控制工藝條件下成功制成，并于 1992年申請(qǐng)中國專利(CN1032659C )。由于納米硅薄膜是一種即不同于 晶態(tài)也不同于非晶態(tài)特殊材料，因此具有一系列新穎特性，如可見發(fā)光、 量子輸運(yùn)、抗光漂以及在其隧道結(jié)中的量子振蕩現(xiàn)象等。采用氣相摻雜的 方法還可有效控制其導(dǎo)電類型，工作溫度高，抗輻射能力強(qiáng)以及與常規(guī)集 成電路工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn)。正因?yàn)榧{米硅薄膜具有這些新穎的特性和優(yōu) 點(diǎn)，決定了它將在未來納米電子學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮其獨(dú)特的作用，所以世界各 國專家和科研人員都在努力研究這種材料更有效的制備方法。
據(jù)申請(qǐng)人了解，目前制備納米硅薄膜的主要方法仍然是"等離子體增 強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法(PECVD)"。此技術(shù)的工作過程主要是先將工作 室氣體抽出到達(dá)本底真空狀態(tài)大約5 x 10—5,加熱襯底使其溫度在200°C ~ 300°C之間，通入生長氣體使工作室的壓強(qiáng)達(dá)到工作氣壓，大約為130Pa, 然后加上射頻電壓使工作室通過電極板形成輝光放電，激發(fā)等離子體，使 硅烷分解為活性基團(tuán)，進(jìn)而就可以在襯底上生成納米硅薄膜。采用 PECVD方法可獲得較好質(zhì)量的納米硅薄膜，但存在的不足是生長速率 慢、薄膜均勻性差、重復(fù)性差、摻雜效率低、成本較高，難以形成產(chǎn)業(yè)化 應(yīng)用。因此如何克服困難，提高生長速率、均勻性、重復(fù)性、摻雜效率以 及降低產(chǎn)生成本，從而尋找一種可有效產(chǎn)業(yè)化的納米硅薄膜制備方法，將 成為本領(lǐng)域技術(shù)人員追求的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種可有效產(chǎn)業(yè)化的納米硅薄膜的制備方法，其目的是要 克月l現(xiàn)有PECVD方法的不足，提高納米硅薄膜的生長速率、均勻性、重 復(fù)性、摻雜效率以及降低產(chǎn)生成本。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種納米硅薄膜的制備 方法，采用射頻感應(yīng)耦合等離子體系統(tǒng)設(shè)備(ICP)，利用射頻感應(yīng)耦合 等離子體化學(xué)氣相沉淀方法，在半導(dǎo)體或絕緣體襯底表面上生長納米硅薄 膜層，其中，射頻感應(yīng)耦合等離子體化學(xué)氣相沉淀方法的工藝參數(shù)為
(1) 離化真空室的生長氣壓控制在0.02Pa~0.5Pa范圍；
(2) 襯底的生長溫度控制在20。C 200。C范圍；
(3) 射頻功率密度控制在0.12~0.30\￥/ 112范圍；
(4) 功率匹配要求駐波比小于或等于1.4;
(5 )通入生長氣體由SiH4 (硅烷)、H2 (氫氣)和摻雜氣體組成，其 中，生長氣體的總流量控制在20sccm到50sccm, SiH4與H2的氣體流量 比控制在1%~3%范圍；所述摻雜氣體采用PH3 (磷烷)或B2H6 (硼烷)， 其中，PH3與SiH4的氣體流量比控制在0.5 %到5.0 % ,以此形成N型半 導(dǎo)體層，82116與8沮4的氣體流量比控制在0.5%到4.0%,以此形成P型 半導(dǎo)體層。
上述技術(shù)方案中的有關(guān)內(nèi)容解釋如下
1、 上述方案生長氣體中各氣體之間氣體流量比數(shù)值表示的是100%濃 度氣體之間的流量比例關(guān)系，如果實(shí)際使用的氣體濃度不同應(yīng)作相應(yīng)換算
(實(shí)施例中給出的SiH4 (硅烷)氣體濃度為5%， PH3 (磷烷)氣體濃度 為0.5%，所以是換算后的氣體用量)。
2、 上述方案中，所述生長的納米硅薄膜層由納米晶粒硅和非晶硅組成 的兩相薄膜層，其中，納米硅薄膜層中晶態(tài)比大于或等于50%較佳，硅 晶粒大小在2-6nm范圍較佳，硅晶粒大小漲落小于5%較佳，薄膜厚度漲 落在八英寸范圍內(nèi)小于5%較佳。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比分析如下
本發(fā)明射頻感應(yīng)耦合等離子體系統(tǒng)設(shè)備(ICP)是以磁場耦合方式擊 發(fā)產(chǎn)生等離子體，而等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法(PECVD)使用的 設(shè)備是以電場耦合方式激發(fā)產(chǎn)生等離子體，兩者激發(fā)等離子體的原理不 同。其中，前者M(jìn)產(chǎn)生的等離子體密度可達(dá)10"/cm3，為高密度等離子 體，后者激發(fā)產(chǎn)生的等離子體密度在109 101()/ 113范圍，為低密度等離子 體。由于兩者激發(fā)等離子體密度的能力不同，所以采用本發(fā)明方法生長納 米硅薄膜的速率和摻雜效率要高于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法
(PECVD)。但是，從原理上講電場耦合比磁場耦合更容易控制，可以獲 得的等離子體的均勻性更好，因此采用現(xiàn)有技術(shù)制備的納米硅薄膜質(zhì)量較 好。這也是現(xiàn)有技術(shù)中為什么采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法
(PECVD)制備納米硅薄膜的主要原因。本發(fā)明克服傳統(tǒng)技術(shù)偏見，大 膽的采用射頻感應(yīng)耦合等離子體系統(tǒng)i殳備(ICP),利用射頻感應(yīng)耦合等 離子體化學(xué)氣相沉淀方法來制備納米硅薄膜，其關(guān)鍵在于選擇合適的工藝 參數(shù)來控制納米硅薄膜的均勻性(晶粒大小的均勻性和薄膜厚度的均勻 性)和晶態(tài)比(納米硅薄膜層中納米晶粒硅與非晶硅的比例)，其中均勻 性主要解決的問M:第一，等離子體分布的均勻性；第二，氣流分布的 均勻性；第三，襯底溫度的均勻性。而射頻感應(yīng)耦合等離子體化學(xué)氣相沉 淀方法的具體步驟是本領(lǐng)域技術(shù)人員共知的，射頻感應(yīng)耦合等離子體系統(tǒng) 設(shè)備(ICP)在微電子行業(yè)中通常用于刻蝕和表面處理。
由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)和效果
1、 本發(fā)明采用射頻感應(yīng)耦合等離子體系統(tǒng)設(shè)備(ICP),利用RF(射 頻)感應(yīng)耦合等離子體化學(xué)氣相沉淀方法，在單晶硅片或絕緣層襯底上快 速生長一層微結(jié)構(gòu)可調(diào)、晶粒大小均勻的納米硅薄膜，從而形成性能良好 的、具有廣泛應(yīng)用前景的納米^ 圭半導(dǎo)體薄膜，本發(fā)明所述的方法與傳統(tǒng)的 集成電路工藝兼容，工藝簡單，成本低廉。
2、 本發(fā)明通過控制ICP系統(tǒng)的條件，有效的提高了等離子體密度， 且工作室溫度較低，生長氣壓較低，使得薄膜摻雜效率高且晶粒大小漲落 小，薄膜厚度均勻。
3、 本發(fā)明納米硅薄膜生長速率可達(dá)25nm/min,納米硅薄膜中的硅晶 粒大小可控制在2-6nm之間。
4、 本發(fā)明方法制備的納米硅薄膜可廣泛應(yīng)用于制備微波器件和太陽能 光電器件。


附圖1為本發(fā)明射頻感應(yīng)耦合等離子體系統(tǒng)(ICP)結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖2為二氧化硅層上的納米硅薄膜的結(jié)構(gòu)圖； 附圖3為單晶硅上納米硅薄膜的結(jié)構(gòu)圖。
以上附圖中，1、氣體入口； 2、觀察窗；3、離化真空室；4、隔斷閥； 5、晶圓；6、晶圓安裝臺(tái)(內(nèi)含加熱體)；7、加熱電源線；8、射頻源；9、
抽氣管道；10、晶圓壓緊裝置；11、絕緣屏蔽室；12、射頻匹配器；13、 單晶硅；14、 二氧化硅層；15、納米硅薄膜層。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
附圖1為本發(fā)明的ICP系統(tǒng)示意圖，該ICP系統(tǒng)由氣體入口 1、觀察 窗2、射頻匹配器12、射頻源8、晶圓安裝臺(tái)(內(nèi)含加熱體)6、離化真 空室3、晶圓壓緊裝置IO、加熱電源線7、絕緣屏蔽室ll、抽氣管道9、 隔斷閥4等組成。操作時(shí)先將晶圓5放到晶圓安裝臺(tái)6上，晶圓壓緊裝置 10壓緊晶圓5。所述晶圓5可以是半導(dǎo)體(單晶硅)或絕緣體(二氧化硅 層)，并作為襯底。
實(shí)施例一 一種制備納米硅薄膜的步驟具體如下
第一步通過抽氣管道9將離化真空室3的空氣抽空，使得離化真空 室3的真空度達(dá)到5.0 x l(T5Pa，即達(dá)到預(yù)真空狀態(tài)。
第二步加熱晶圓5，使得晶圓5的溫度達(dá)到2O0°C,繼續(xù)抽氣，使離 化真空室3的真空度繼續(xù)保持預(yù)真空狀態(tài)。
第三步通過氣體入口 1通入生長氣體H2 (氫氣)，流量為20.1sccm (立方厘米/每分鐘或毫升/每分鐘)；濃度為5%的SiH4 (硅烷)，流量為 8.1sccm;濃度為0.5 %的PH3 (磷烷)，流量為2.0sccm。在2.1 x lO"Pa 的生長氣壓和襯底溫度200。C條件下，打開射頻源8，射頻源8通過射頻 匹配器12使得射頻功率密度為0.18W/cm2,駐波比1.35~1.40。當(dāng)形成輝 光放電后即開始襯底的表面上沉積形成納米硅薄膜。
第四步納米硅薄膜沉積完成后，先關(guān)掉射頻源8，再關(guān)掉反應(yīng)氣源， 停止力口熱。
實(shí)施例二工藝步驟與實(shí)施例一相同，其生長參數(shù)如下生長氣壓為 0.19Pa，晶圓5的加熱溫度為25°C，射頻功率密度0.20W/cm2，駐波比 1.30-1.38, 112的流量為20.1sccm, S沮4的流量為10.1sccm， PH;j的流量 為l.Osccm。
以上實(shí)施例均可以在二氧化硅層上或單晶硅層上制備，具體見附圖2， 附圖3。
附圖2為二氧化硅層14上生長納米硅薄膜的結(jié)構(gòu)圖，以單晶硅13作 為襯底層，在襯底層上沉積一層二氧化硅14作為絕緣層，在此絕緣層上
利用射頻感應(yīng)耦合等離子體化學(xué)汽相沉淀方法，采用上述步驟即可制備納
米硅薄膜層15。其中，納米硅薄膜層15中的晶態(tài)比至少為50%,納米晶 珪顆粒直徑在2-6nm之間，納米硅薄膜的生長速率可達(dá)25nm/min,納米 硅薄膜層的薄膜厚度漲落(8in wafer)小于5%,納米硅薄膜層中的晶粒 大小漲落(8in wafer)小于5%。
附圖3為單晶硅上的納米硅薄膜結(jié)構(gòu)圖，即以單晶硅13作為襯底層， 直接在其上利用射頻感應(yīng)耦合等離子體化學(xué)汽相沉淀方法，采用上述步驟 即可制備納米硅薄膜層15。其中，納米硅薄膜層15的晶態(tài)比至少為50%, 納米晶珪顆粒直徑在2-6nm之間，納米硅薄膜的生長速率可達(dá)25nm/min， 納米硅薄膜層的薄膜厚度漲落(8in wafer)小于5%，納米硅薄膜層中的 晶粒大小漲落(8in wafer)小于5%。
上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此 項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明 的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種納米硅薄膜的制備方法，其特征在于采用射頻感應(yīng)耦合等離子體系統(tǒng)設(shè)備，利用射頻感應(yīng)耦合等離子體化學(xué)氣相沉淀方法，在半導(dǎo)體或絕緣體襯底表面上生長納米硅薄膜層，其中，射頻感應(yīng)耦合等離子體化學(xué)氣相沉淀方法的工藝參數(shù)為(1)離化真空室的生長氣壓控制在0.02Pa～0.5Pa范圍；(2)襯底的生長溫度控制在20℃～200℃范圍；(3)射頻功率密度控制在0.12～0.30W/cm2范圍；(4)功率匹配要求駐波比小于或等于1.4；(5)通入生長氣體由SiH4、H2和摻雜氣體組成，其中，生長氣體的總流量控制在20sccm到50sccm，SiH4與H2的氣體流量比控制在1％～3％范圍；所述摻雜氣體采用PH3或B2H6，其中，PH3與SiH4的氣體流量比控制在0.5％到5.0％，以此形成N型半導(dǎo)體層，B2H6與SiH4的氣體流量比控制在0.5％到4.0％，以此形成P型半導(dǎo)體層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制備方法，其特征在于所述生長的納米硅薄膜 層由納米晶粒硅和非晶硅組成的兩相薄膜層，所述納米硅薄膜層中晶態(tài)比大于 或等于50%,晶粒大小漲落小于5%，薄膜厚度漲落在八英寸范圍內(nèi)小于5%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于所述的納米硅薄膜 中的硅晶粒大小在2-6nm范圍。
全文摘要
一種涉及半導(dǎo)體微電子和光電子器件中納米硅薄膜的制備方法，采用射頻感應(yīng)耦合等離子體系統(tǒng)設(shè)備(ICP)，利用RF(射頻)感應(yīng)耦合等離子體化學(xué)氣相沉淀方法，在單晶硅片或絕緣層襯底上快速生長一層微結(jié)構(gòu)可調(diào)、晶粒大小均勻的納米硅薄膜，從而形成性能良好的、具有廣泛應(yīng)用前景的納米硅半導(dǎo)體薄膜。本發(fā)明方法與傳統(tǒng)的集成電路工藝兼容，工藝簡單，成本低廉。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101170061SQ20071019043
公開日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2007年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月23日
發(fā)明者宏 劉, 毅 施 申請(qǐng)人:蘇州科技學(xué)院