CN100442438C - 一种非晶碳膜半导体制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非晶碳膜半导体制备方法，属于非晶碳薄膜材料制备技术领域。该方法通过(1)在衬底上淀积氢化非晶碳(a-C:H)薄膜、(2)氢等离子体化学退火处理、(3)重复步骤(1)和(2)形成氢等离子体逐层化学退火处理的氢化非晶碳膜、(4)氮等离子体表面掺杂——通入氨气(NH3)各步骤，制成本发明的非晶碳膜半导体。本发明整个制备过程无需昂贵设备技术、操作简单、有利于大规模生产，几乎没有面积的限制，有很好的可控性与重复性，避免了湿法技术带来的表面污染等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种非晶碳膜半导体制备方法，尤其是一种利用氢或氮等离子体表面化学退火、对碳薄膜的表面的化学组态和表面电子态进行改性的方法，属于非晶碳薄膜材料制备技术领域。
背景技术
随着人类社会的不断进步，能源、信息、材料已成为新世纪人类发展的共同课题，也是未来高科技的三大支柱与新技术产业的源泉。作为信息领域的重要组成部分，信息显示技术也在日益更新和发展。在技术进步和市场需求的共同作用下，对显示技术的要求也越来越高，传统的阴极射线管(CRT)已远远不能满足人们的要求，而追求高速、高容量、高清晰度的薄型大面积低成本平板显示技术已成为世界各国竞相发展的主要研究方向之一，同时也具有巨大的市场前景。
平板显示器件的发展与半导体微电子技术的发展是密不可分的，也同样是与半导体功能材料的发展相互促进，共同进步的。经过多年的研究，平板显示器件已开始显露其实力，其中场电子发射平板显示器件(FED)也日益受到人们重视。
FED的原理与CRT类似，所不同的是其发射电子是通过场发射而产生的，而不是像CRT的电子枪，因而它是一种冷电子发射，它不仅兼顾了CRT和液晶显示的特点，且器件构成简单，重量轻，能耗低，是一种极具有前途的平板显示技术。
作为FED的核心是场电子发射材料，在初期，人们利用spindet型硅锥阵列作为场电子发射的阴极材料，但其密度低，开启电场大，驱动电流低，不能满足器件的实际需要。近年来，人们开始对碳基薄膜材料的场电子发射现象的研究，这一类的材料包括金刚石薄膜材料、类金刚石薄膜材料，非晶碳薄膜材料，碳纳米管等，但对其场电子发射的机制和器件应用等诸多领域均处于起步阶段，离实用化还有较大距离。
基于以上科技发展形式，申请人在对非晶碳膜的场电子发射行为进行了系统研究后认识到：从器件应用角度而言，需要降低场发射阈值电场，提高场发射电流密度和稳定性。由于场发射电子是从阴极材料表面发射出来后再打到荧光显示屏上进行显示的，因而半导体阴极材料表面的化学组态和电子结构就对场发射特性有非常重要的影响。
检索发现，申请号为200410062185.5的中国专利申请公开了一种非晶碳膜半导体及其制造方法。该专利申请提出在SiC衬底上设置高电阻SiC层；p阱区；p+接触区；源区；横跨源区、p阱区以及高电阻SiC层形成的沟道层；栅绝缘膜；栅极；源极；漏极。高电阻SiC层和p阱区以及源区的表面在堆积碳膜的状态下，通过杂质的活化退火或MCP成为平滑的状态，其后外延生长的沟道层的表面被进一步平滑化。但该现有技术并未解决如何降低非晶碳膜半导体场发射阈值的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种非晶碳膜半导体制备方法，采用该方法可以改变场发射阴极材料的表面状态，进而降低场发射阈值，以提高场发射特性，使其能够满足器件实用的要求。为了解决以上技术问题，本发明的非晶碳膜半导体制备方法包括以下步骤：
(1)在衬底上淀积氢化非晶碳(a-C:H)薄膜——
(1-1)、在平板电容型射频等离子体增强化学气相淀积设备中，将衬底材料(例如Si半导体衬底或金属衬底、金属覆盖的玻璃衬底等)放置在接地的阳极电极上；
(1-2)、通入甲烷(CH4)和氢气(H2)的混合气体作为反应气体；
(1-3)、控制混合气体的混合比例CH4/H2为1-5，直至形成15-25纳米的非晶碳薄膜；
(2)、氢等离子体化学退火处理——通入氢气(H2)，用氢等离子体进行表面处理，得到所需化学构型的碳薄膜；
(3)重复以上步骤(1)和(2)，形成氢等离子体逐层化学退火处理的氢化非晶碳膜；
(4)氮等离子体表面掺杂——通入氨气(NH3)，利用氮等离子体对淀积的薄膜表面进行掺杂处理，构成C-N-H键合组态，制成本发明的非晶碳膜半导体。
以上过程合理综合了两方面的技术：
1、氢等离子体逐层化学退火技术：在真空腔中淀积非晶半导体碳膜时，先淀积纳米厚度非晶碳膜，然后引入氢等离子体对薄膜表面进行处理，使得薄膜表面氢键增加，同时对已制备的超薄膜进行化学退火，然后在此表面上再淀积纳米厚度非晶碳膜并再次进行氢等离子体化学退火，重复上述过程直到获得最后的非晶半导体碳膜。利用这种技术可获得具有不同sp2/sp3比的非晶半导体碳膜，其中sp2纳米团簇形成电子的导电通道，使得薄膜表面场增强因子显著增加，因而大大降低了所需要的场电子发射阈值电场。
2、氮等离子体表面n型掺杂技术：在真空腔中淀积完成非晶半导体碳膜后，直接利用氮等离子体对薄膜表面进行n型掺杂，在表面构成C-N-H键合组态，使得表面费米能级上升，同时引入表面极化层进一步降低表面发射势垒，从而获得低阈值场发射碳膜材料。
理论和实验可以证明，本发明具有如下显著优点：
1)、整个制备过程无需昂贵设备技术，操作简单，有利于大规模生产；
2)、几乎没有面积的限制，有利于制作大面积低成本平板显示器件；
3)、等离子体过程参数可精确调节，有很好的可控性与重复性；
4)、整个工艺过程属于全干法过程，符合微电子工艺技术发展方向，避免了通常的湿法技术带来的表面污染等问题；
5)、等离子体工艺是低温过程，避免了高温热处理对薄膜结构的改变导致的器件性能下降和成本的提高；
6)、本方法也适用于其他碳基薄膜材料(例如：非晶碳化硅薄膜、碳纳米管等)，因此具有较为普遍的适用性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1中(a)和(b)分别为实施例一的非晶半导体碳膜氢等离子体逐层处理前后表面原子力显微镜照片示意。
图2是实施例一的场电子发射特性测试装置示意图。
图3使用氢等离子体逐层处理技术制备的非晶半导体碳膜的场发射特性曲线。
图4是利用氮等离子体表面n型掺杂技术制备的非晶半导体碳膜的场发射特性曲线以及与未掺杂的常规非晶半导体碳膜的比较。
具体实施方式
实施例一
本实施例通过以下步骤制备超薄氢化非晶碳(a-C:H)薄膜：
(1)在衬底上淀积氢化非晶碳(a-C:H)薄膜
(1-1)、在平板电容型射频等离子体增强化学气相淀积设备(例如：英国牛津仪器公司的plasmalab system100，美国Nanomaster公司的NPE-4000等，功率源通常频率13.56MHz、功率约100W)中，将n型Si(100)衬底(或者其它单晶硅片、双抛熔凝石英、光学玻璃衬底)放置在接地的阳极电极上；
(1-2)、设备反应腔压力设置在33-40Pa，衬底温度设置在100℃±5℃；
(1-3)、通入甲烷(CH4)和氢气(H2)的混合气体作为反应气体；
(1-4)、控制混合气体的混合比例(CH4/H2)1-5(最好为3)，以合理控制膜中的氢含量以及化学构成；
(1-5)、为了控制淀积速率，辅助衬底上碳膜的生长，在平板电容电极的两端，除了射频功率外，还加上+20V±2V的直流偏压；
(1-6)、形成约20纳米厚的非晶碳薄膜；
(2)、氢等离子体化学退火处理：
(2-1)、在同一设备上，反应腔压力控制在20-25Pa，温度条件不变；
(2-2)、以8-12sccm(最好10sccm)的流量通入氢气(H2)，用氢等离子体进行表面处理；
(2-3)、控制处理时间0.5-1.5min(最好为1min)，得到具有不同化学构型的碳薄膜；
(3)重复以上步骤(1)和(2)，处理周期8-12，形成氢等离子体逐层化学退火处理的氢化非晶碳膜；
(4)氮等离子体表面掺杂
(4-1)、在同一设备上保持反应条件不变，通入氨气(NH3)，利用氮等离子体对薄膜表面进行n型掺杂表面处理，在表面构成C-N-H键合组态；
(4-2)、氨气流量控制在15-25sccm(最好20sccm)，处理时间控制在4-6min(最好为5min)，制成本发明的非晶碳膜半导体。
以上提供了较为适宜的压力、温度、流量、时间数值范围，这些数值范围并非完成制备必须遵循的参数。
图1中(a)和(b)表示氢等离子体逐层处理前后非晶半导体碳膜的表面原子力显微镜(AFM)照片，扫描面积为2um×2um。其中图1中(a)为通常制备的非晶半导体碳膜的AFM表面形貌像，其表面平均粗糙度为0.42nm；图1中(b)为利用氢等离子体逐层处理技术制备的非晶半导体碳膜的AFM表面形貌像，其表面平均粗糙度为0.2nm，可以看出利用氢等离子体逐层处理技术制备的非晶半导体碳膜表面依然是平整的。
图2表示场电子发射特性测试装置示意图。其中：1-铜(Cu)块，2-收集阳极，3-待测样品，4-绝缘云母片，5-测试真空腔。测试时测试腔的真空度为10-8Torr，淀积在重掺杂n型硅衬底上的样品被放置在铜(Cu)块上，收集阳极也是Cu块，两者之间用绝缘云母片隔开，间距被控制在20或40微米。发射电流与电压关系曲线用HP4339A高电阻测试仪测试。
图3表示用氢等离子体逐层处理技术制备的非晶半导体碳膜(曲线1)的场发射特性曲线。作为比较，未采用氢等离子体逐层处理技术所制备的常规非晶半导体碳膜(曲线2)的场发射特性曲线也画在图中。定义当场发射电流密度达到10-6A/cm2时的电场为场发射阈值电场，可看出经过氢等离子体逐层化学退火处理后，场发射阈值电场显著下降，具有很好的场电子发射特性。
图4表示利用氮等离子体表面n型掺杂技术制备的非晶半导体碳膜的场发射特性曲线(曲线1)以及与未掺杂的常规非晶半导体碳膜(曲线2)的比较。经过表面掺杂后，薄膜的场电子发射阈值电场从3.2V/um下降到1V/um。
Claims (8)
1.一种非晶碳膜半导体制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底上淀积氢化非晶碳薄膜：
(1-1)、在平板电容型射频等离子体增强化学气相淀积设备中，将衬底材料放置在接地的阳极电极上；
(1-2)、通入甲烷和氢气的混合气体作为反应气体；
(1-3)、控制混合气体的混合比例CH4/H2为1-5，直至形成15-25纳米的非晶碳薄膜；
2)、氢等离子体化学退火处理：通入氢气，用氢等离子体进行表面处理，得到所需化学构型的碳薄膜；
3)重复以上步骤1)和2)，形成氢等离子体逐层化学退火处理的氢化非晶碳膜；
4)氮等离子体表面掺杂：通入氨气，利用氮等离子体对淀积的薄膜表面进行掺杂处理，构成C-N-H键合组态，制成所需非晶碳膜半导体。
2.根据权利要求1所述非晶碳膜半导体制备方法，其特征在于：所述步骤1)的设备反应腔压力控制在33-40Pa，衬底温度控制在100℃±5℃，所述步骤2)的设备反应腔压力控制在20-25Pa，温度不变。
3.根据权利要求2所述非晶碳膜半导体制备方法，其特征在于：所述步骤2)中通入氢气的流量控制在8-12sccm。
4.根据权利要求3所述非晶碳膜半导体制备方法，其特征在于：所述步骤2)的处理时间控制在0.5-1.5min。
5.根据权利要求4所述非晶碳膜半导体制备方法，其特征在于：所述步骤3)重复步骤1)和2)的处理周期8-12次。
6.根据权利要求5所述非晶碳膜半导体制备方法，其特征在于：所述步骤4)的氨气流量控制在15-25sccm。
7.根据权利要求6所述非晶碳膜半导体制备方法，其特征在于：所述步骤4)的处理时间控制在4-6min。
8.根据权利要求7所述非晶碳膜半导体制备方法，其特征在于：所述衬底材料为Si半导体衬底、金属衬底、金属覆盖的玻璃衬底、双抛熔凝石英、光学玻璃衬底之一。
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