CN100421215C - 氢化纳米硅薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体材料领域的氢化纳米硅薄膜的制备方法。本发明用等离子增强化学气相沉积方法生长氢化纳米硅薄膜，采用硅烷和氢气为生长源气体，单晶硅材料作为衬底，利用单晶硅衬底的晶格匹配和有序结构诱导的作用，生长出高密度的纳米硅晶粒薄膜，并且其晶界厚度非常狭窄，为2-4个原子层，进一步通过改变磷烷掺杂比例，得到导电性能可控的高电子迁移率氢化纳米硅薄膜。本发明制备的薄膜中的电子迁移率可以高达102cm2/Vs量级，而且可以通过控制生长条件在很大范围内改变薄膜的电学输运性能，可以方便地调节薄膜的电子浓度、迁移率和电导率，适应半导体器件多方面的需要，另外还具有同目前成熟的硅工艺相结合的优点。

Description

氢化纳米硅薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种半导体材料领域的薄膜制备方法，特别是一种导电性能可控的氢化纳米硅薄膜的制备方法。
背景技术
当前，电子工业是世界上最大的工业，全球销售超过一万亿美元，而半导体器件正是电子工业的基础。特别值得注意的是硅晶体材料，独占电子工业所消耗半导体材料的95％。硅材料光电性质的研究对半导体器件性能的改善和提高具有非常重要的现实意义。最近几十年以来，成本低廉的氢化非晶硅材料得到了广泛的运用，但是其电学性能一直较差，载流子迁移率通常小于1cm2/Vs，而且导电性能和类型都很难改变。在氢化非晶硅材料基础上发展的氢化纳米硅薄膜引起了人们浓厚的兴趣和关注。氢化纳米硅薄膜是一种新型的纳米结构半导体材料：大量纳米尺寸的硅晶粒包含在非晶硅的网络中。在氢化纳米硅薄膜中，氢化作用可以在无序非晶硅组织中的局部区域实现无序-有序结构转变，并形成高密度的硅纳米晶粒。毫无疑问，高密度硅纳米晶粒的形成改善了薄膜内部组织的结构有序程度，将导致其中载流子输运性能的提高，使得氢化纳米硅薄膜具有比氢化非晶硅薄膜更加优越的光电性能，例如稳定、高效的光学强吸收特性，高电导率和掺杂效率等特点。这些优异的光电性能使得氢化纳米硅薄膜在半导体光电子器件上具有广阔的应用前景。氢化纳米硅薄膜的生长温度低(250℃左右)，可以直接生长在玻璃和塑料等衬底上，大大降低太阳能电池等薄膜半导体器件的成本。另外，氢化纳米硅薄膜光伏响应的强度和稳定性都比非晶硅薄膜好，同时也具有非晶硅薄膜中光学强吸收特性的优点，非常有利于制作廉价高效的太阳能电池，液晶驱动电路中薄膜晶体管等多类半导体光电子器件。
经对现有技术的文献检索发现，Y.Nasuno等在杂志《Appl.Phys.Lett.》(应用物理快报)第78卷(2001)2330页，“低温下制备的氢化纳米硅薄膜中与氧相关施主杂质的钝化作用”，报道了薄膜的生长条件为衬底温度在100到250℃，生长气压为2到3Torr，生长过程中硅烷流量约占总气流量的百分九十，所制备的氢化纳米硅薄膜迁移率只有不到1cm2/Vs，其导电性能自然很差。到目前为止，氢化纳米硅薄膜的电子迁移率虽然比非晶硅薄膜有所提高，但迁移率还是很低，小于10cm2/Vs，严重阻碍了氢化纳米硅薄膜的应用。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的不足，提供一种氢化纳米硅薄膜的制备方法，使其电子迁移率提高到约为102cm2/Vs量级，并且可以通过掺杂程度的改变在一定范围内调控电子迁移率和电导率，提高该类硅薄膜半导体器件的应用效率。
本发明通过以下的技术方案实现的，本发明用等离子增强化学气相沉积(PECVD)方法生长氢化纳米硅薄膜，采用硅烷和氢气为生长源气体，单晶硅材料作为衬底，利用单晶硅衬底的晶格匹配和有序结构诱导的作用，生长出高密度的纳米硅晶粒薄膜，并且其晶界厚度非常狭窄，为2-4个原子层，进一步通过改变磷烷掺杂比例，得到导电性能可控的高电子迁移率氢化纳米硅薄膜。
所述的用等离子增强化学气相沉积方法生长氢化纳米硅薄膜，衬底温度250℃，生长气压为1.0Torr，生长过程中硅烷流量只占总气流量的百分之一，射频沉积功率60W。
本发明在氢化纳米硅的生长过程中，可以通过在等离子增强化学气相沉积方法生长过程中掺杂磷烷，通过改变其掺杂比例来控制薄膜中电学性能：电子浓度，迁移率和电导率。
所述的磷烷掺杂比例在0％-10％之间，所得到的氢化纳米硅薄膜电子浓度可以在1015cm-3-1018cm-3，电子迁移率达到102cm2/Vs量级，电导率在0.2-22.0Ω-1cm-1范围内可控。
由于纳米硅晶粒有序度高、密度大，同时非晶硅的势垒高度和宽度都比较小，因此在室温下动能非常大的电子很容易克服或者穿过势垒，表现出高电子迁移率。但是由于载流子浓度较低，所制备的本征纳米硅薄膜的电导率仍然很小。通过在生长源气体中加入磷烷(PH3)来实现掺杂，从而在很大程度上改变其中的电子浓度，使其在1015cm-3-1018cm-3量级范围内变化。同时，掺杂还可以控制氢化纳米硅薄膜材料中晶界势垒的高度，来调整自由载流子在氢化纳米硅薄膜中的迁移率，以满足半导体器件在输运性能上的各种需要(电子浓度、迁移率和电导率等)。另外，在单晶硅衬底上生长的氢化纳米硅薄膜同传统的硅半导体工业具有天然的兼容性，加工工艺成熟，有利于大规模集成电路的制作。
本发明在适当的生长条件下，制备出高晶态比的氢化纳米硅薄膜，其中晶界的厚度可以大大减小，在很大程度上提高载流子的输运性能。当晶界厚度很薄(仅几个原子层的厚度)时，电子势垒能量高度很低(小于室温下电子热运动动能)，室温下电子的迁移率可以接近单晶硅。本发明还通过改变掺杂条件在一定程度上实现对该薄膜材料内部势垒的控制，从而在很大程度上来控制电子在氢化纳米硅薄膜中载流子的迁移率和导电性能，氢化纳米硅薄膜的电子迁移率得到显著提高，达到102cm2/Vs量级；导电性能得到改善，电导率在0.2-22.0Ω-1cm-1范围内可控。
本发明在提高纳米硅电学性能方面具有实质性进展，制备的高迁移率和电学输运性能可控的氢化纳米硅薄膜，大大推进了氢化纳米硅薄膜的应用，满足电子工业器件的要求。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明的内容：
氢化纳米硅薄膜优良的电学性能(电子浓度、迁移率和电导率等)取决于氢化纳米硅薄膜本身的内部结构，而氢化纳米硅薄膜微结构强烈地依赖于生长过程中的具体工艺条件。本发明采用等离子增强化学气相沉积方法生长氢化纳米硅薄膜，最佳工艺条件为：单晶硅为衬底，衬底温度为250℃，衬底与靶间距为25mm，生长室的气压为1.0Torr，射频功率恒定为60W，生长过程中硅烷流量只占总气流量的百分之一。薄膜厚度通过沉积时间来控制，可以达到μm量级。在这样优化的工艺条件下，所制备的薄膜中纳米硅晶粒有序度高、密度大，同时非晶硅的势垒高度和宽度都比较小，因此电子表现出高电子迁移率，室温下可以达到890cm2/Vs。
载流子浓度是通过控制磷烷的掺杂比例来实现的。在一系列不同磷烷的掺杂比例条件下生长氢化纳米硅薄膜，便可以实现上导电性能可控的目标。这里选择五个实例，生长条件为：衬底温度250℃，生长气压为1.0Torr，氢气的稀释比例(SiH4/SiH4+H2)1.0％，射频功率60W，沉积时间为10小时，其中磷烷掺杂比例(PH3/SiH4)分别为0，0.5％，1.0％，5.0％和10.0％。由于单晶硅衬底材料的使用，该类氢化纳米硅薄膜中载流子输运参数的测量需要通过特定的变磁场霍耳效应检测方法，可以区分出氢化纳米硅薄膜中的载流子浓度、迁移率、电导率以及通过广义Drude输运模型对输运参数计算得到的晶界势垒能量高度。所获得的薄膜在室温下的输运参数如下表所示：
Figure C20051002792900061
可以清楚地看到，在合适的生长条件下，等离子增强化学气相沉积方法可以在单晶硅衬底上生长出质量优良的氢化纳米硅薄膜，具有高电子迁移率，最高可达890cm2/Vs，而且电子浓度在1015-1018cm-3，电导率在0.2-22.0Ω-1cm-1范围内可控。

Claims (4)

1. 一种氢化纳米硅薄膜的制备方法，其特征在于，用等离子增强化学气相沉积方法生长氢化纳米硅薄膜，采用硅烷和氢气为生长源气体，单晶硅材料作为衬底，利用单晶硅衬底的晶格匹配和有序结构诱导的作用，生长出高密度的纳米硅晶粒薄膜，并且其晶界厚度非常狭窄，为2-4个原子层，进一步通过改变磷烷掺杂比例，得到导电性能可控且电子迁移率高达102cm2/Vs量级的纳米硅薄膜；
所述的等离子增强化学气相沉积方法，工艺参数为：衬底温度250℃，生长气压为1.0Torr，生长过程中硅烷流量只占总气流量的百分之一，射频沉积功率60W；所述的磷烷，掺杂比例在0％-10％之间。
2. 根据权利要求1所述的氢化纳米硅薄膜的制备方法，其特征是，通过在等离子增强化学气相沉积方法生长过程中掺杂磷烷，通过改变其掺杂比例控制氢化纳米硅薄膜中电学性能：电子浓度，迁移率和电导率。
3. 根据权利要求2所述的氢化纳米硅薄膜的制备方法，其特征是，所述的电子浓度在1015cm-3-1018cm-3。
4. 根据权利要求2所述的氢化纳米硅薄膜的制备方法，其特征是，所述的电导率在0.2-22.0Ω-1cm-1范围内。
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