一种纳米硅薄膜的制备方法技术

一种涉及半导体微电子和光电子器件中纳米硅薄膜的制备方法，采用射频感应耦合等离子体系统设备（ＩＣＰ），利用ＲＦ（射频）感应耦合等离子体化学气相沉淀方法，在单晶硅片或绝缘层衬底上快速生长一层微结构可调、晶粒大小均匀的纳米硅薄膜，从而形成性能良好的、具有广泛应用前景的纳米硅半导体薄膜。本发明专利技术方法与传统的集成电路工艺兼容，工艺简单，成本低廉。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体微电子和光电子器件制备工艺
，具体涉及一种在半导体或绝缘体衬底上利用射频感应耦合等离子体系统(ICP)制备纳米硅薄膜的方法。
技术介绍
纳米硅薄膜是近二十年来发M来的一种功能性半导体材料，在国外1986年首次报道，自19卯年起，我国使用通常半导体工艺中等离子增强 化学气相沉积方法(PECVD),在严格控制工艺条件下成功制成，并于 1992年申请中国专利(CN1032659C )。由于纳米硅薄膜是一种即不同于 晶态也不同于非晶态特殊材料，因此具有一系列新颖特性，如可见发光、 量子输运、抗光漂以及在其隧道结中的量子振荡现象等。采用气相掺杂的 方法还可有效控制其导电类型，工作温度高，抗辐射能力强以及与常规集 成电路工艺相兼容等优点。正因为纳米硅薄膜具有这些新颖的特性和优 点，决定了它将在未来纳米电子学领域中发挥其独特的作用，所以世界各 国专家和科研人员都在努力研究这种材料更有效的制备方法。据申请人了解，目前制备纳米硅薄膜的主要方法仍然是等离子体增 强化学气相沉积方法(PECVD)。此技术的工作过程主要是先将工作 室气体抽出到达本底真空状态大约5 x 10—5,加热衬底使其温度在200°C ~ 300°C之间，通入生长气体使工作室的压强达到工作气压，大约为130Pa, 然后加上射频电压使工作室通过电极板形成辉光放电，激发等离子体，使 硅烷分解为活性基团，进而就可以在衬底上生成纳米硅薄膜。采用 PECVD方法可获得较好质量的纳米硅薄膜，但存在的不足是生长速率 慢、薄膜均匀性差、重复性差、掺杂效率低、成本较高，难以形成产业化 应用。因此如何克服困难，提高生长速率、均匀性、重复性、掺杂效率以 及降低产生成本，从而寻找一种可有效产业化的纳米硅薄膜制备方法，将 成为本领域技术人员追求的目标。
技术实现思路
本专利技术提供一种可有效产业化的纳米硅薄膜的制备方法，其目的是要 克月l现有PECVD方法的不足，提高纳米硅薄膜的生长速率、均匀性、重 复性、掺杂效率以及降低产生成本。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是 一种纳米硅薄膜的制备 方法，采用射频感应耦合等离子体系统设备(ICP)，利用射频感应耦合 等离子体化学气相沉淀方法，在半导体或绝缘体衬底表面上生长纳米硅薄 膜层，其中，射频感应耦合等离子体化学气相沉淀方法的工艺参数为(1) 离化真空室的生长气压控制在0.02Pa~0.5Pa范围；(2) 衬底的生长温度控制在20。C 200。C范围；(3) 射频功率密度控制在0.12~0.30\￥/ 112范围；(4) 功率匹配要求驻波比小于或等于1.4;(5 )通入生长气体由SiH4 (硅烷)、H2 (氢气)和掺杂气体组成，其 中，生长气体的总流量控制在20sccm到50sccm, SiH4与H2的气体流量 比控制在1%~3%范围；所述掺杂气体采用PH3 (磷烷)或B2H6 (硼烷)， 其中，PH3与SiH4的气体流量比控制在0.5 %到5.0 % ,以此形成N型半 导体层，82116与8沮4的气体流量比控制在0.5%到4.0%,以此形成P型 半导体层。上述技术方案中的有关内容解释如下1、 上述方案生长气体中各气体之间气体流量比数值表示的是100%浓 度气体之间的流量比例关系，如果实际使用的气体浓度不同应作相应换算(实施例中给出的SiH4 (硅烷)气体浓度为5%， PH3 (磷烷)气体浓度 为0.5%，所以是换算后的气体用量)。2、 上述方案中，所述生长的纳米硅薄膜层由纳米晶粒硅和非晶硅组成 的两相薄膜层，其中，纳米硅薄膜层中晶态比大于或等于50%较佳，硅 晶粒大小在2-6nm范围较佳，硅晶粒大小涨落小于5%较佳，薄膜厚度涨 落在八英寸范围内小于5%较佳。本专利技术与现有技术对比分析如下本专利技术射频感应耦合等离子体系统设备(ICP)是以磁场耦合方式击 发产生等离子体，而等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)使用的 设备是以电场耦合方式激发产生等离子体，两者激发等离子体的原理不 同。其中，前者M产生的等离子体密度可达10/cm3，为高密度等离子 体，后者激发产生的等离子体密度在109 101()/ 113范围，为低密度等离子 体。由于两者激发等离子体密度的能力不同，所以采用本专利技术方法生长纳 米硅薄膜的速率和掺杂效率要高于等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)。但是，从原理上讲电场耦合比磁场耦合更容易控制，可以获 得的等离子体的均匀性更好，因此采用现有技术制备的纳米硅薄膜质量较 好。这也是现有技术中为什么采用等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)制备纳米硅薄膜的主要原因。本专利技术克服传统技术偏见，大 胆的采用射频感应耦合等离子体系统i殳备(ICP),利用射频感应耦合等 离子体化学气相沉淀方法来制备纳米硅薄膜，其关键在于选择合适的工艺 参数来控制纳米硅薄膜的均匀性(晶粒大小的均匀性和薄膜厚度的均匀 性)和晶态比(纳米硅薄膜层中纳米晶粒硅与非晶硅的比例)，其中均匀 性主要解决的问M:第一，等离子体分布的均匀性；第二，气流分布的 均匀性；第三，衬底温度的均匀性。而射频感应耦合等离子体化学气相沉 淀方法的具体步骤是本领域技术人员共知的，射频感应耦合等离子体系统 设备(ICP)在微电子行业中通常用于刻蚀和表面处理。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点和效果1、 本专利技术采用射频感应耦合等离子体系统设备(ICP),利用RF(射 频)感应耦合等离子体化学气相沉淀方法，在单晶硅片或绝缘层衬底上快 速生长一层微结构可调、晶粒大小均匀的纳米硅薄膜，从而形成性能良好 的、具有广泛应用前景的纳米^ 圭半导体薄膜，本专利技术所述的方法与传统的 集成电路工艺兼容，工艺简单，成本低廉。2、 本专利技术通过控制ICP系统的条件，有效的提高了等离子体密度， 且工作室温度较低，生长气压较低，使得薄膜掺杂效率高且晶粒大小涨落 小，薄膜厚度均匀。3、 本专利技术纳米硅薄膜生长速率可达25nm/min,纳米硅薄膜中的硅晶 粒大小可控制在2-6nm之间。4、 本专利技术方法制备的纳米硅薄膜可广泛应用于制备微波器件和太阳能 光电器件。附图说明附图1为本专利技术射频感应耦合等离子体系统(ICP)结构示意图； 附图2为二氧化硅层上的纳米硅薄膜的结构图； 附图3为单晶硅上纳米硅薄膜的结构图。以上附图中，1、气体入口； 2、观察窗；3、离化真空室；4、隔断阀； 5、晶圆；6、晶圆安装台(内含加热体)；7、加热电源线；8、射频源；9、抽气管道；10、晶圆压紧装置；11、绝缘屏蔽室；12、射频匹配器；13、 单晶硅；14、 二氧化硅层；15、纳米硅薄膜层。 具体实施例方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述附图1为本专利技术的ICP系统示意图，该ICP系统由气体入口 1、观察 窗2、射频匹配器12、射频源8、晶圓安装台(内含加热体)6、离化真 空室3、晶圆压紧装置IO、加热电源线7、绝缘屏蔽室ll、抽气管道9、 隔断阀4等组成。操作时先将晶圆5放到晶圓安装台6上，晶圆压紧装置 10压紧晶圓5。所述晶圓5可以是半导体(单晶硅)或绝缘体(二氧化硅 层)，并作为衬底。实施例一 一种制备纳米硅薄膜的步骤具体如下第一步通过抽气管道9将离化真空室3的空气抽空，使得离化真本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米硅薄膜的制备方法，其特征在于：采用射频感应耦合等离子体系统设备，利用射频感应耦合等离子体化学气相沉淀方法，在半导体或绝缘体衬底表面上生长纳米硅薄膜层，其中，射频感应耦合等离子体化学气相沉淀方法的工艺参数为：（１）离化真空室的生长气压控制在０．０２Ｐａ～０．５Ｐａ范围；（２）衬底的生长温度控制在２０℃～２００℃范围；（３）射频功率密度控制在０．１２～０．３０Ｗ／ｃｍ↑［２］范围；（４）功率匹配要求驻波比小于或等于１．４；（５）通入生长气体由ＳｉＨ↓［４］、Ｈ↓［２］和掺杂气体组成，其中，生长气体的总流量控制在２０ｓｃｃｍ到５０ｓｃｃｍ，ＳｉＨ↓［４］与Ｈ↓［２］的气体流量比控制在１％～３％范围；所述掺杂气体采用ＰＨ↓［３］或Ｂ↓［２］Ｈ↓［６］，其中，ＰＨ↓［３］与ＳｉＨ↓［４］的气体流量比控制在０．５％到５．０％，以此形成Ｎ型半导体层，Ｂ↓［２］Ｈ↓［６］与ＳｉＨ↓［４］的气体流量比控制在０．５％到４．０％，以此形成Ｐ型半导体层。

【技术特征摘要】
1、一种纳米硅薄膜的制备方法，其特征在于采用射频感应耦合等离子体系统设备，利用射频感应耦合等离子体化学气相沉淀方法，在半导体或绝缘体衬底表面上生长纳米硅薄膜层，其中，射频感应耦合等离子体化学气相沉淀方法的工艺参数为(1)离化真空室的生长气压控制在0.02Pa～0.5Pa范围；(2)衬底的生长温度控制在20℃～200℃范围；(3)射频功率密度控制在0.12～0.30W/cm2范围；(4)功率匹配要求驻波比小于或等于1.4；(5)通入生长气体由SiH4、H2和掺杂气体组成，其中，生长气体的总流量控制在20sccm到50sccm，SiH4与...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏，施毅，
申请(专利权)人：苏州科技学院，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]