CN101174558A - 立方氮化硼薄膜的p型掺杂方法 - Google Patents

立方氮化硼薄膜的p型掺杂方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101174558A
CN101174558A CNA2007101786825A CN200710178682A CN101174558A CN 101174558 A CN101174558 A CN 101174558A CN A2007101786825 A CNA2007101786825 A CN A2007101786825A CN 200710178682 A CN200710178682 A CN 200710178682A CN 101174558 A CN101174558 A CN 101174558A
Authority
CN
China
Prior art keywords
thin film
film
ion
annealing
beryllium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2007101786825A
Other languages
English (en)
Other versions
CN100483626C (zh
Inventor
邓金祥
陈光华
何斌
张晓康
陈浩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CNB2007101786825A priority Critical patent/CN100483626C/zh
Publication of CN101174558A publication Critical patent/CN101174558A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100483626C publication Critical patent/CN100483626C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

立方氮化硼薄膜的p型掺杂方法属于宽带隙半导体薄膜掺杂领域。克服宽带隙超硬材料c－BN薄膜很难实现p型掺杂的困难，实现c－BN薄膜的有效p型掺杂。本发明步骤：(1)使用低压气相薄膜生长设备衬底上沉积一层本征c－BN薄膜，这层本征BN薄膜：薄膜厚度为200～800nm；立方相含量在40～95％；电导率在10－9～10－11Ω－1cm－1；(2)选用金属铍离子作为p型掺杂剂，离子注入铍的能量范围为80～200千电子伏特；离子注入铍的剂量范围为5×1015～1×1017ion/cm2。(3)慢速退火：慢速退火温度为600～900℃；恒温时间为40～60分钟。(4)将经过步骤(3)退火的薄膜再进行激光辐照二次杂质激活工艺：退火温度为1000～1050℃，退火时间为20～40秒钟。本发明使立方相含量在40％以上的c－BN薄膜的电导率增大近十万倍。

Description

立方氮化硼薄膜的p型掺杂方法
技术领域
本发明涉及一种宽禁带、高硬度半导体材料—立方氮化硼(c-BN)的p型薄膜制备方法。该p型半导体薄膜将用于大功率、耐高压、高频电子器件，属于化合物半导体材料领域。
背景技术
氮化硼(BN)属于第三代半导体材料，是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表)和第二代半导体材料(以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表)之后发展起来的新型宽带隙半导体材料。在BN系统中，立方氮化硼(c-BN)具有非常出众的物理、化学，机械性能。因此，有关它的材料制备与特性研究，以及器件化的探索近年来一直是各国科研工作者，以及诸如美国G.E、IBM，英国DeBeers等知名半导体公司普遍关注的研究课题。c-BN的硬度、热导率仅次于金刚石；并且其抗化学腐蚀性和抗高温氧化性明显优于金刚石，尤其是它不像金刚石那样与铁族元素有亲合性，特别适合铁族金属材料加工；当今，c-BN的实用化主要集中利用它的机械与力学性能，广泛应用于磨具、刀具、工具的超硬涂层，精密窗口保护涂层，机床，航天，军工等领域。
c-BN具有现知最宽的禁带(颗粒Eg≈6.4eV；薄膜Eg≈6.0eV)，因此可以在很宽的光谱范围内有很高的光透过率。它还可实现n型与p型掺杂，因此c-BN可以制备在特种环境下透明、高温、高频、大功率、抗辐射短波光电子器件。
c-BN自然界中并不存在，需要人工合成。1957年，美国GE公司的Wentorf用高温高压法(HTHP)首次合成了c-BN粉末。然而，HTHP设备要求苛刻，且只能制备c-BN颗粒，颗粒尺度小(最大到mm量级)且形状不易改变，使应用受到限制。在1979年，Sokolowski首次报道使用低压气相沉积合成了更具应用前景的c-BN薄膜。从此，拉开了本征c-BN薄膜研究的序幕。
一种半导体材料实现器件化的基础是实现它的p型与n型导电，而要实现器件微型化就得实现它的薄膜化。1987年，Osamu Mishima等人在science上发表文章，报道在p型c-BN籽晶上采用HTHP法，原位掺杂外延出了n型c-BN颗粒。然而，低压气相沉积c-BN薄膜的成核、生长条件十分苛刻。若是直接移植HTHP法所使用的原位掺杂方法，在其制备过程中通入原位杂质，会抑制BN立方相的成核，很难同时制备出含立方相的BN薄膜。而且，掺杂剂在c-BN薄膜中的激活能在0.3～0.7eV(比硅高出十倍以上)，若是采用常规的半导体材料掺杂技术，杂质激活率很低，对电学性能改良不明显，即很难实现对c-BN薄膜有效的p型掺杂。
发明内容
本发明所要克服的问题是：c-BN薄膜很难实现有效的p型掺杂。
为了克服上述问题，本发明提供一套特定的工艺流程：包括c-BN本征薄膜气相生长，选用金属铍(Be)离子作为p型掺杂剂的离子注入掺杂，慢速与快速结合的热激活工艺，可获得p型c-BN薄膜，其电导率(～10-5Ω-1cm-1)较本征薄膜(～10-11Ω-1cm-1)增大十万倍。
本发明的目的可通过如下技术流程实现：
(1)使用低压气相薄膜生长设备(例如射频磁控溅射、离子束辅助沉积、电子回旋共振化学气相沉积等)在衬底上沉积一层本征c-BN薄膜。
所述的衬底材料可以是单晶抛光硅片(Si)，金刚石薄膜，镍片(Ni)，钛片(Ti)，铜片(Cu)，SiC，WC，TiN等。
这层本征BN薄膜：薄膜厚度为200～800nm；立方相含量在40～95％；电导率在10-11Ω-1cm-1的数量级上。
(2)本发明选用金属铍(Be)离子作为p型掺杂剂，对本征c-BN薄膜进行了离子注入掺杂。自由控制两个独立参量：注入铍离子的能量和剂量，从而精确控制掺杂的深度和浓度分布，且掺杂的均匀性好，重复性高，有利于薄膜微电子器件及集成电路的大规模生产。
本发明提供离子注入铍的能量范围为80～200千电子伏特(KeV)。此参数由薄膜的立方相含量和厚度确定。
本发明提供的离子注入铍的剂量范围为5×1015～1×1017ion/cm2。
(3)本发明提供一种管式炉慢速退火的杂质激活工艺。目的是：使注入到薄膜内杂质分布均匀化；使铍离子迁移到晶格中的空位缺陷处，并由间隙位占据替代位，实现p型杂质的部分激活；修复注入损伤，减小结构缺陷，提高载流子的迁移率；提高晶化程度，增大晶粒尺寸，进一步提高薄膜质量与电学性能；释放薄膜应力，增加薄膜与衬底的粘附性，有利于增加薄膜器件使用寿命。
本发明提供的慢速退火温度为600～900℃；恒温时间为40～60分钟。
慢速退火保护气体可使用高纯惰性气体(He，Ar等)(纯度99.999％)或者高纯氮气(N2)(纯度99.999％)。在将退火系统真空度抽到1Pa以下，通入保护性气体，开始升温，整个退火过程持续通气。
(4)将经过步骤(3)的薄膜再进行激光辐照二次杂质激活工艺。
激光辐照使薄膜表面温度迅速上升。退火温度为1000～1050℃，退火时间为20～40秒钟。
目的是：进一步提高了杂质激活效率，显著提升薄膜导电性。
与已有技术相比，本发明的特征在于：先采用气相薄膜生长工艺制备本征c-BN薄膜，后采用离子注入实现浓度与深度精确可控的掺杂；p型掺杂剂采用金属铍；采用了慢速退火与激光快速辐照二次杂质激活的两步工艺，使立方相含量在40％以上的c-BN薄膜的电导率增大近十万倍。
具体实施方式
用以下实例来进一步介绍本发明。
实例一
1.在射频(13.56Hz)溅射系统中制备本征c-BN薄膜。溅射系统采用直径100mm的高纯h-BN(99.99％)热压靶。我们以半导体行业最常用的单晶硅片为例，采用n型抛光硅片作为衬底(电阻率2～4Ωcm，厚度为0.3mm)。在沉积之前，衬底分别经过甲苯、丙酮、乙醇，25％氢氟酸溶液和去离子水超声清洗。系统预真空度在1.33×10-3Pa以下。本实例薄膜具体生长工艺参数列于表1中。
表1射频溅射系统制备立方氮化硼薄膜的参数
实施例 预溅射阶段     成膜阶段
    第一步     第二步
  时间(min)     10～20     15～30     45～90
  气氛     氩气     氩气/氮气     氩气/氮气
  工作气压(Pa)     1～2     1～2     1～2
  射频功率(W)     300     400     300
  衬底负偏压(V)     280     200～220     140～180
  衬底温度(℃)     室温～500     500     300
所制备的本征c-BN薄膜，其厚度约为900nm，立方相含量74％。电导率为1.8×10-11Ω-1cm-1。
2.将制备好的c-BN薄膜做离子注入前常规的表面清洗，放入离子注入机中做金属铍注入掺杂。注入能量为200KeV，注入剂量为1×1016ion/cm2。
3.将离子注入完毕的薄膜样品放入管式退火炉中进行氮气(N2)保护退火。用机械泵将管式炉于真空抽到1Pa以下，通入高纯氮气(99.999％)，开始升温，在温度800℃保温40分钟后，自然降温到室温，全程持续通于氮气。
4.通过激光辐照使薄膜温度迅速达到1000℃，保持30秒。
采用步骤1、2、3、4后，用真空蒸镀法在薄膜表面蒸镀了2mm×5mm的铝电极，然后做400℃合金化(使铝电极与c-BN薄膜产生更好的欧姆接触)。用KEITHLEY高阻测试仪测量薄膜的表面电阻，计算了薄膜的电导率为4.6×10-5Ω-1cm-1(较其本征薄膜的电阻率增加了约十万倍)。与n型硅衬底有明显的异质结整流特性，成功制备出p型c-BN薄膜。
实例二
1.利用气相沉积制备本征c-BN薄膜，其厚度约为450nm，立方相含量40％。电导率为2×10-11Ω-1cm-1。
2.将制备好的c-BN薄膜做常规表面清洗后，放入离子注入机中注入金属铍。注入能量为100KeV，注入剂量为5×1015ion/cm2。
3.慢速退火。在温度900℃保温60分钟后，自然降温到室温，全程持续通高纯氮气保护。
4.通过激光辐照使薄膜温度迅速达到1050℃，保持20秒。所得p型c-BN薄膜电导率为1.2×10-5Ω-1cm-1。
实例三
1.利用气相沉积制备本征c-BN薄膜，其厚度约为200nm，立方相含量95％。电导率为1.3×10-11Ω-1cm-1。
2.注入金属铍的注入能量为80KeV，注入剂量为1×1017ion/cm2。
3.慢速退火。在温度600℃保温45分钟后，自然降温到室温，全程持续通保护气体高纯氮气。
4.通过激光辐照使薄膜温度迅速达到1000℃，保持40秒。可得到电导率为8.5×10-5Ω-1cm-1的p型c-BN薄膜。

Claims (1)

1.一种立方氮化硼薄膜的p型掺杂方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用低压气相薄膜生长设备衬底上沉积一层本征c-BN薄膜，这层本征BN薄膜：薄膜厚度为200～800nm；立方相含量在40～95％；电导率在10-9～10-11Ω-1cm-1；
(2)选用金属铍离子作为p型掺杂剂，离子注入铍的能量范围为80～200千电子伏特；离子注入铍的剂量范围为5×1015～1×1017ion/cm2；
(3慢速退火：慢速退火温度为600～900℃；恒温时间为40～60分钟；
(4)将经过步骤(3)退火的薄膜再进行激光辐照二次杂质激活工艺：退火温度为1000～1050℃，退火时间为20～40秒钟。
CNB2007101786825A 2007-12-04 2007-12-04 立方氮化硼薄膜的p型掺杂方法 Expired - Fee Related CN100483626C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2007101786825A CN100483626C (zh) 2007-12-04 2007-12-04 立方氮化硼薄膜的p型掺杂方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2007101786825A CN100483626C (zh) 2007-12-04 2007-12-04 立方氮化硼薄膜的p型掺杂方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101174558A true CN101174558A (zh) 2008-05-07
CN100483626C CN100483626C (zh) 2009-04-29

Family

ID=39422960

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2007101786825A Expired - Fee Related CN100483626C (zh) 2007-12-04 2007-12-04 立方氮化硼薄膜的p型掺杂方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN100483626C (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101323982B (zh) * 2008-07-16 2011-03-30 上海大学 一种高质量立方氮化硼薄膜的制备方法
CN102903634A (zh) * 2012-11-01 2013-01-30 天津中环半导体股份有限公司 Igbt单晶片背面真空退火工艺
CN103904138A (zh) * 2012-12-27 2014-07-02 北京汉能创昱科技有限公司 一种全背面接触晶硅电池及其制备方法
CN105702712A (zh) * 2016-01-29 2016-06-22 大连理工大学 一种提高碳化硅半导体欧姆接触特性的方法
CN107164727A (zh) * 2017-06-05 2017-09-15 吉林大学 一种带隙可调的BN（Al）薄膜材料及其制备方法
CN108198917A (zh) * 2017-09-29 2018-06-22 北京中科优唯科技有限公司 Bn溅射模板、正装led元器件的制造方法
CN111986987A (zh) * 2020-09-02 2020-11-24 西安电子科技大学 基于p型掺杂的六方氮化硼外延薄膜制备方法
CN112103368A (zh) * 2019-05-31 2020-12-18 天合光能股份有限公司 一种用于多晶硅薄膜的激光掺杂方法

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101323982B (zh) * 2008-07-16 2011-03-30 上海大学 一种高质量立方氮化硼薄膜的制备方法
CN102903634A (zh) * 2012-11-01 2013-01-30 天津中环半导体股份有限公司 Igbt单晶片背面真空退火工艺
CN103904138A (zh) * 2012-12-27 2014-07-02 北京汉能创昱科技有限公司 一种全背面接触晶硅电池及其制备方法
CN105702712A (zh) * 2016-01-29 2016-06-22 大连理工大学 一种提高碳化硅半导体欧姆接触特性的方法
CN107164727A (zh) * 2017-06-05 2017-09-15 吉林大学 一种带隙可调的BN（Al）薄膜材料及其制备方法
CN107164727B (zh) * 2017-06-05 2024-03-15 吉林大学 一种带隙可调的BN（Al）薄膜材料及其制备方法
CN108198917A (zh) * 2017-09-29 2018-06-22 北京中科优唯科技有限公司 Bn溅射模板、正装led元器件的制造方法
CN112103368A (zh) * 2019-05-31 2020-12-18 天合光能股份有限公司 一种用于多晶硅薄膜的激光掺杂方法
CN111986987A (zh) * 2020-09-02 2020-11-24 西安电子科技大学 基于p型掺杂的六方氮化硼外延薄膜制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN100483626C (zh) 2009-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100483626C (zh) 立方氮化硼薄膜的p型掺杂方法
CN109671612B (zh) 一种氧化镓半导体结构及其制备方法
EP1832673B1 (en) Method for producing substrate for single crystal diamond growth
CN101896647A (zh) 碳化硅单晶锭、由该单晶锭得到的基板及外延片
JP2004523450A (ja) Ｍ’ｎベース物質の生成装置及び生成方法
CN100558933C (zh) 一种立方氮化硼薄膜的制备方法
CN111826714B (zh) 基于射频电源施加偏压以增强cvd金刚石异质外延形核的方法
CN111118471A (zh) 一种高质量多晶金刚石膜制备方法
CN101323982B (zh) 一种高质量立方氮化硼薄膜的制备方法
CN111733454B (zh) 基于掺硼过渡层的cvd同质外延金刚石大单晶的分离方法
CN115763221A (zh) 复合衬底及其制备方法、半导体器件
WO2007049402A1 (ja) 大気圧水素プラズマを用いた膜製造方法、精製膜製造方法及び装置
CN101671846A (zh) 降低立方氮化硼薄膜应力的方法
CN105970184A (zh) 一种具有优良场发射性能的金属纳米颗粒/金刚石复合膜及制备方法
CN110896024B (zh) 碳化硅外延氧化镓薄膜方法及碳化硅外延氧化镓薄膜结构
CN102212792A (zh) 以氮气为掺杂源一步法制备氮掺杂p型氧化锌薄膜的方法
CN102051576A (zh) 一种制备n型掺杂的立方氮化硼薄膜的方法
CN108330536B (zh) PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法
CN103938183B (zh) 一种制备高质量ZnO材料的方法
CN107230735A (zh) 具有缓冲层的CdZnTe薄膜光电探测器的制备方法
CN114188362A (zh) 一种特殊结构的soi及其制备方法
CN114525589A (zh) 利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法
CN109881248B (zh) 氮硫共掺杂n型半导体金刚石材料及其制备方法
CN105483617A (zh) 一种在非硅衬底上制备Mg2Si薄膜的方法
CN111146146A (zh) 一种基底可多次利用的高效散热半导体衬底的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090429

Termination date: 20100104