CN100390316C - n型CVD共掺杂金刚石薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种材料技术领域的n型CVD共掺杂金刚石薄膜的制备方法。本发明以液态丙酮为碳源，固态三氧化二硼和液态二甲基二硫分别为p型硼原子和n型硫原子的掺杂源，采用微波等离子体化学气相沉积技术将p型硼原子和n型硫原子两种掺杂原子同时掺入到金刚石晶体中获得共掺杂n型CVD金刚石薄膜：首先对硅衬底进行预处理，然后置于微波加热装置中的反应室中，反应室抽真空后充入氢气，由反应室的顶部馈入碳源气体以及p型和n型掺杂源气体，在微波作用下产生氢等离子体、活性氢原子和含碳、硼、硫的活性基团，通过调节气体流量来控制反应气氛的压力和掺杂原子的浓度，得到薄膜。本发明综合提高掺杂薄膜的电导率、电子迁移率和载流子浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料技术领域的制备方法，具体是一种n型CVD共掺杂金刚石薄膜的制备方法。
背景技术
金刚石是一种宽禁带材料(E8＝5.5eV)，它的电子和空穴迁移率十分高，室温下分别为2000cm2/V.S和1600cm2/V.S，加之其优异的力、热、光学性能和化学稳定性，金刚石是理想的半导体材料。p型金刚石半导体薄膜的技术比较成熟，其电导率可达103/Ωcm，空穴迁移率达1500cm2/V.S，并已用于制备肖特基二极管及场效应管等半导体器件。但化学气相沉积(CVD)金刚石n型掺杂并不成功，而高电导率的n型掺杂膜对于CVD金刚石在半导体方面的应用至关重要。
经对现有技术文献的检索发现，Okano等人在《Apply Physics A》(《应用物理A)》1990，51：344-346上发表的《Synthesis of n-Type Semiconducting DiamondFilm Using Diphosphorous Pentaoxide As the Doping Source》(以五氧化二磷为掺杂源制备n型金刚石薄膜)中，以P2O5为掺杂剂，用热丝化学气相沉积法(HFCVD)合成n型金刚石薄膜，磷的掺杂浓度达到1015cm-3，但其电导率却很低，约10-4/Ωcm。Nakazawa等人在《Appl.Phys.Lett》(《应用物理快报》)2003，82：2074-2077上发表的《Cathodoluminescence and Hall-effect measurements in sulfur-dopedchemical-vapor-deposited diamond》(硫掺杂CVD金刚石的阴极发光和Hall效应测试)的试验表明，硫掺杂的金刚石薄膜导电类型在大多数时候为n型，载流子浓度随温度的变化较大，但有时呈现p型导电，没有理想的结果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种n型CVD共掺杂金刚石薄膜的制备方法。本发明利用化学气相沉积技术，采用共掺杂(p型掺杂原子和n型掺杂原子同时掺杂)的方法，实现在CVD金刚石中的n型掺杂，在现有n型掺杂的水平上综合提高掺杂薄膜的电导率、电子迁移率和载流子浓度，得到高电导率的n型金刚石薄膜。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明是用液态丙酮为碳源，以固态三氧化二硼和液态二甲基二硫分别为硼原子(p型)和硫原子(n型)的掺杂源，用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)工艺在硅衬底上制备n型共掺杂CVD金刚石薄膜。首先对硅衬底进行预处理，然后置于微波加热装置反应室中，反应室抽真空后充入氢气，用于产生加热等离子体轰击硅衬底表面，硅衬底温度通过调节微波功率和硅衬底的位置来控制，温度通过位于衬底基座背面的热电偶测量。由反应室的顶部馈入碳源气体和掺杂源气体(p型和n型掺杂原子)，在微波的作用下产生活性氢原子和含碳活性基团，通过调节气体流量来控制反应气氛的压力和掺杂源的浓度，制备具有高电导率的共掺杂n型金刚石薄膜。
本发明适用于金刚石薄膜制备，其膜的厚度为1.0-3.0微米。
本发明在装置中的反应室抽真空后，充入一定量的氢气，反应室本底真空度高于1×10-3Pa，充入氢气的压强为1-3kPa。其作用在于：产生的氢等离子体对硅衬底表面进行轰击清洗，活性氢原子是金附石生长的促进剂。
所述的通过调节气体流量来控制反应气氛的压力和掺杂原子的浓度，具体参数为：气体流量控制在100-120毫升/分之间，反应气氛的气压为1-3kPa，丙酮/氢气为1-4％，硫/碳为1000-4000ppm，硼/硫为0.02-0.5ppm。
所述的微波作用，其功率为700W-1000W之间。
所述的n型CVD共掺杂金刚石薄膜，其电导率在1-10/Ωcm范围内。
磷和硫是两种较有希望的施主杂质，它们均具有较小的活化能，其缺点是掺磷后金刚石晶格畸变较大，引起迁移率的较大减退，而硫在金刚石晶格中溶解度较小，不能提供较多的载流子。这些缺憾可以通过共掺杂的方法加以一定的补偿。
本发明首次提出用共掺杂的方法实现CVD金刚石高电导率n型外延薄膜，选择合适的共掺杂对进行研究。金刚石晶格中合适的共掺杂对会降低因单一掺杂原子和基质碳原子半径之间的差别而引起的晶格畸变，从而提高晶格的完整性，有利于迁移率的提高；合适的共掺杂对将提高施主杂质在金刚石中的溶解度；合适的共掺杂对如是施主杂质和受主杂质时，它们之间由于库仑作用可能会复合在一起进入晶格，改变施主能级在禁带中的位置，降低电离的活化能。这一方案的实现大大促进CVD金刚石在半导体领域的应用。
在本发明中，p型和n型掺杂剂溶解于丙酮中，用氢气鼓泡法将其携带进入反应室。与单一元素掺杂相比，采用该技术制备的n型CVD金刚石薄膜其载流子浓度提高了2个数量级，载流子迁移率增大3-10倍。
具体实施方式
结合本发明方法的内容提供以下实施例：
实施例1
将硅衬底用金刚石研磨膏研磨20分钟，然后置于含有0.5μm金刚石砂的丙酮溶液中超声波振动五分钟，用离子水清洗吹干后放入反应室，微波反应室抽真空至1×10-3Pa，充入3kPa压力的氢气。开启功率为700W的微波源，氢等离子体起辉后，在10秒内温度升到750℃，恒温3分钟。通入反应气体(氢气、丙酮、硼源和硫源)，调整反应室压力后开始CVD沉积金刚石薄膜，工艺参数为：反应气氛压力1kPa，气体总流量100毫升/分，丙酮/氢气为2％(体积比)，硫/碳为1000ppm(原子数比)，硼/硫为0.02(原子个数比)。薄膜的导电类型为n型，导电激活能为0.30eV，霍耳迁移率为8.2cm2V-1s-1，载流子浓度为5.3×1016cm-3。
实施例2
将硅衬底用金刚石研磨膏和0.5μm的金刚砂混合研磨15分钟，然后在丙酮溶液中超声清洗，吹干后放入反应室，微波反应室抽真空至1×10-3Pa，充入3kPa压力的氢气。开启功率为850W的微波源，氢等离子体起辉后，在10秒内温度升到750℃，恒温3分钟。通入反应气体(氢气、丙酮、硼源和硫源)，调整反应室压力后开始CVD沉积金刚石薄膜，工艺参数为：反应气氛压力2kPa，气体总流量110毫升/分，丙酮/氢气为2％(体积比)，硫/碳为2000ppm(原子个数比)，硼/硫为0.2ppm(原子数比)。薄膜的导电类型为n型，导电激活能为0.31eV，霍耳迁移率为70.1cm2V-1s-1，载流子浓度为2.92×1018cm-3。
实施例3
将硅衬底用0.5μm的金刚砂研磨15分钟，然后在丙酮溶液中超声清洗，吹干后放入反应室，微波反应室抽真空至1×10-3Pa，充入3kPa压力的氢气。开启功率为1000W的微波源，氢等离子体起辉后，在10秒内温度升到750℃，恒温3分钟。通入反应气体(氢气、丙酮、硼源和硫源)，调整反应室压力后开始CVD沉积金刚石薄膜，工艺参数为：反应气氛压力3kPa，气体总流量120毫升/分，丙酮/氢气为3％(体积比)，硫/碳为4000ppm(原子数比)硼/硫为0.5ppm(原子个数比)。薄膜的导电类型为n型，导电激活能为0.33eV，霍耳迁移率为29.1cm2V-1s-1，载流子浓度为3.6×1014cm-3。
Claims (2)
1.一种n型CVD共掺杂金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，以液态丙酮为碳源，固态三氧化二硼和液态二甲基二硫分别为p型硼原子和n型硫原子的掺杂源，采用微波等离子体化学气相沉积技术将p型硼原子和n型硫原子两种掺杂原子同时掺入到金刚石晶体中获得共掺杂n型CVD金刚石薄膜：首先对硅衬底进行预处理，然后置于微波加热装置中的反应室中，反应室抽真空后充入氢气，由反应室的顶部馈入碳源气体以及p型和n型掺杂源气体，在微波作用下产生氢等离子体、活性氢原子和含碳、硼、硫的活性基团，通过调节气体流量来控制反应气氛的压力和掺杂原子的浓度，制备得到n型CVD共掺杂金刚石薄膜，
所述的反应室抽真空后充入氢气，具体为：反应室本底真空度高于或者等于1×10-3Pa，充入氢气的压强为1-3KPa；
所述的通过调节气体流量来控制反应气氛的压力和掺杂原子的浓度，具体参数为：气体流量控制在100-120毫升/分之间，反应气氛的气压为1-3kPa，丙酮与氢气为1-4％，硫与碳为1000-4000ppm，硼与硫为0.02-0.5ppm；
所述的微波作用，其功率为700W-1000W之间；
所述的n型CVD共掺杂金刚石薄膜，其膜的厚度为1.0-3.0微米。
2.根据权利要求1所述的CVD共掺杂金刚石薄膜的制备方法，其特征是，所述的n型CVD共掺杂金刚石薄膜，其电导率在1-10/Ωcm范围内。
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