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