一种纳米硅薄膜的制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种器件级纳米硅薄膜及其制备工艺，本发明专利技术产品是采用等离子体化学汽相沉积法在ＶＨＦ－ＣＶＤ设备中生长制备的。产品中的晶粒大小为ｄ＝（２～８）纳米，晶态体积百分比Ｘｃ＝（５３±５）％，薄膜电导率为σ＃－［ｒｔ］＝（３０－８０）Ω＃＋［－１］.ｃｍ＃＋［－１］，薄膜中的电子迁移率μ＝（５～１０）ｃｍ＃＋［２］／ｖ．ｓｅｃ。用本发明专利技术的方法不仅使其电导率提高到几十Ω＃＋［－１］.ｃｍ＃＋［－１］，还能控制其导电类型（Ｎ型或Ｐ型），已基本上能满足研制纳米硅器件的需要。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于一种器件级纳米硅薄膜及其制备工艺。更特别的，是关于一种符合生产纳米硅器件需要的掺杂纳米硅薄膜及其制备工艺。
技术介绍
纳米硅薄膜是近十多年来随着纳米科学技术的发展而兴起的一种人工功能半导体材料。纳米硅薄膜(Nano-crystalline Silicon Films)在国外1986年首次报道。自1990年起，我们使用通常半导体工艺中等离子体增强化学汽相沉积法(PECVD)在严格控制工艺条件下在国内首先制成，并于1992年公开报导，(见中国专利CN-92114905)。由于其结构上的新颖使纳米硅薄膜具有一系列鲜为人知的物性。其中最为引人瞩目的是其低维持性，如可见发光、量子输运以及在其隧道结中观测到的量子振荡现象等。这些新颖的性能会使它在今后发展着的纳米电子学领域中发挥其独特的作用。目前采用的技术是在大量半导体材料中使用的人工掺染(如硅中掺入硼或磷)或改变结构组份(如某些三五族材料)的办法达到控制其性能(电导率、导电类型、能带结构等)的目的，从而满足设计各种半导体器件的需要。虽然我们上述专利制出的纳米硅薄膜已具有了较高的电导率(σrt＝10-3～10-1Ω-1.cm-1)，但对制作器件而言还嫌不够。本专利对于本专利技术人专利技术的专利01141324.7及作了进一步改进，工艺条件生长频率从13MHz提高至100MHz，由此，生长速率提高了十几倍。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种纳米硅薄膜。本专利技术的目的之二是提供一种掺杂纳米硅薄膜，它能符合生产各类纳米硅器件的需要。本专利技术的目的之三是提供一种掺杂纳米硅薄膜的制备工艺。本专利技术的这些以及其它目的将通过下列详细说明和描述来进一步体现。在本专利技术中的纳米硅薄膜是采用等离子体化学汽相沉积法，在甚高频率等离子体化学汽相沉积设备(简称VHF-CVD设备)中生长制备。具有以下技术特征a、晶粒大小为d＝(2～8)纳米；b、晶态体积百分比Xc＝(53±5)％；c、薄膜中电子迁移率为μ＝(5～10)cm2/v.sec；d、薄膜最高电导率为σrt＝(30-80)Ω-1.cm-1，电导激活能ΔE＝10-2ev。e、使用甚高频率very high frequence(VHF)能使薄膜生长速率达到rg＝(0.1-0.5)微米/小时；f、掺杂纳米硅薄膜具有量子输运及低于室温下的量子跃迁输运特征；g、电导率按下式表示σ=σ0exp(-ΔEKT)·F(γ·T)+1/6e2R2Vphg(EF)esp·]]>(-2aR)·exp(-W/KT)]]>本专利技术的纳米硅薄膜还具有一定强度的可见发光(红、黄)及较高的压力灵敏系数(K～100)，压力灵敏系数K接近或达到100。本专利技术的纳米硅薄膜的制备工艺是采用等离子体化学汽相沉积法，在VHF-CVD设备中生长的纳米硅薄膜。反应气体包括以高纯氢气稀释的硅烷反应气和掺杂气体，其中高纯氢气稀释的硅烷，其硅烷氢气稀释比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(0.7～2.0)％；采用掺杂气体源为硼烷(以生长P型纳米硅)其气体稀释比为C’＝B2H6/(B2H6+H2)＝(0.04～0.10)％；薄膜生长时的掺气体比值r＝B2H6/SiH4＝10-2～10-1；薄膜生长时的衬底温度Ts＝(280±30)℃；薄膜生长时反应气体压力P＝(1.0～2.5)乇；薄膜生长时甚高频VHF功率W＝(0.6～1.0)瓦/厘米2；频率f＝(70-120)MHz；薄膜生长时直流负偏压Vb＝-(100-200)伏；较好的是，本专利技术的纳米硅薄膜的制备工艺，包括采用等离子体化学汽相沉积法，在VHF-CVD设备中生长纳米硅薄膜，反应气体包括以高纯氢气稀释的硅烷反应气和掺杂气体，其中高纯氢气稀释的硅烷，其硅烷氢气稀释比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(0.8～1.5)％；采用掺杂气体源为磷烷(以生长P型纳米硅)其气体稀释比为C＝B2H6/(B2H6+H2)＝(0.07～0.08)％；薄膜生长时的掺气体比值r＝B2H6/SiH4＝2×10-2～5×10-2；薄膜生长时的衬底温度Ts＝(280±30)℃；膜生长时反应气体压力P＝(1.2-1.5)乇；薄膜生长时甚高频VHF功率W＝(0.7～0.8)瓦/厘米2；频率f＝(70-90)MHz；薄膜生长时直流负偏压Vb＝-(100-150)伏。更进一步的，本专利技术的纳米硅薄膜的制备工艺，包括采用等离子体化学汽相沉积法，在VHF-CVD设备中生长纳米硅薄膜。反应气体包括以高纯氢气稀释的硅烷反应气和掺杂气体，其中高纯氢气稀释的硅烷，其硅烷氢气稀释比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(1.2～2.0)％；采用掺杂气体源为磷烷(以生长N型纳米硅)其气体稀释比为C”＝PH3/(PH3+H2)＝(0.04～0.06)％；薄膜生长时的掺气体比值r＝PH3/SiH4＝10-2～10-1；薄膜生长时的衬底温度Ts＝(280±30)℃；薄膜生长时反应气体压力P＝1.0～2.5乇；薄膜生长时甚高频VHF功率W＝(0.6～1.0)瓦/厘米2；频率f＝(70-100)MHz；薄膜生长时直流负偏压Vb＝-(100-180)伏。较好的是，本专利技术的纳米硅薄膜的制备工艺，包括采用等离子体化学汽相沉积法，在VHF-CVD设备中生长纳米硅薄膜，反应气体包括以高纯氢气稀释的硅烷反应气和掺杂气体，其中高纯氢气稀释的硅烷，其硅烷氢气稀释比C＝SiH4/(SiH4+H2)＝(1.2～1.5)％；采用掺杂气体源为磷烷(以生长N型纳米硅)其气体稀释比为C”＝PH3/(PH3+H2)＝(0.04～0.05)％；薄膜生长时的掺气体比值r＝PH3/SiH4＝2×10-2～5×10-2；薄膜生长时的衬底温度Ts＝(280±30)℃；薄膜生长时反应气体压力P＝(1.2-1.5)乇；薄膜生长时甚高频VHF功率W＝(0.6～1.0)瓦/厘米2；频率f＝(80-100)MHz；薄膜生长时直流负偏压Vb＝-(120-160)伏。本专利技术的有益效果不仅使纳米硅薄膜的电导率提高到几十Ω-1.cm-1，还能控制其导电类型(N型或P型)，已基本上能满足研制纳米硅器件的需要。用本专利技术的产品具有以下优点1、温度稳定性极好，可在高达250℃温度下正常工作；2、反向开关时间(恢复时间)tr≤1.0ns，已超过目前国内外硅器件的现有水平；3、反向漏电流Ir为纳安(nA)量级，具有超低噪音系数；4、反向击穿电压为Vb≥60伏，为硬击穿；5、结电容高于同类硅器件，结电容变化率大于10；6、在V＝±4伏范围，整流比r＝104～106；7、整个器件制造工序可在低于450℃温度范围利用现有的半导体平面工艺完成。附图说明图1纳米硅膜中的电导率、激活能随磷、硼掺杂的变化图2氢CH含量随退火温度的变化图3薄膜电导率随退火温度的变化图4掺磷纳米硅的Arrhenius曲线图5N+/P型纳米硅二极管的温度特性图6N+/P型纳米硅二极管高温伏—安特性如图1所示，对掺磷nc-Si∶H而言(图1右半侧)，在掺杂浓度较低时(PH3/SiH4≈0.3％以上)电导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米硅薄膜，其特征是采用等离子体化学汽相沉积法，在ＶＨＦＣＶＤ设备中生长制备，具有以下技术特征： ａ、晶粒大小为ｄ＝（２～８）纳米； ｂ、晶态体积百分比Ｘｃ＝（５３±５）％； ｃ、薄膜中电子迁移率为μ＝（５～１０）ｃｍ↑［２］／ｖ．ｓｅｃ； ｄ、薄膜电导率为σ↓［ｒｔ］＝（３０－８０）Ω↑［－］．ｃｍ↑［－１］，电导激活能ΔＥ＝１０↑［－２］ｅｖ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何宇亮，
申请(专利权)人：何宇亮，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]