CN101942649A

CN101942649A - 一种实现低温构筑高密度纳米硅结构的方法

Info

Publication number: CN101942649A
Application number: CN 201010514157
Authority: CN
Inventors: 黄锐; 王祥; 宋捷; 郭艳青; 宋超; 张奕雄
Original assignee: Hanshan Normal University
Current assignee: Hanshan Normal University
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2011-01-12

Abstract

本发明公开了一种在低温下实现构筑高密度纳米硅结构的方法，属于纳米光电子器件材料技术领域。该方法包括以下步骤：在平行板电容型射频等离子体增强化学气相沉积系统中，将衬底固定在电容极板的下极板的上表面；调节电容极板的上、下极板之间的距离，并将下极板接地，同时对其加热；将硅烷、氢气和氨气的混合气体通入反应腔，使其从电容极板的上电极板的下表面匀速、缓慢进入两极板之间；控制混合气体中的硅烷、氢气和氨气流量比，同时调制反应室的抽气口，使反应室气压保持在60Pa不变；将射频信号加到电容极板的上极板上，控制生长时间。本发明制备的高密度均匀分布的纳米硅结构薄膜，能与当前微电子工艺相相兼容，易于实用化。

Description

一种实现低温构筑高密度纳米硅结构的方法

技术领域

本发明涉及一种构筑纳米硅结构的方法，尤其是一种低温下实现高密度均匀分布的纳米硅结构的构筑方法，属于纳米光电子器件材料技术领域。

背景技术

基于半导体硅基材料的光电子集成是21世纪新一代半导体器件的核心，也是现代信息技术的硬件基础。而硅基光源是实现Si单片光电集成最核心也是最基本的要素之一，这不仅是当前材料科学和微电子学领域中的重大研究课题，也是该学科的国际研究前沿，具有重要的基础和应用研究意义。

众所周知，由于晶体硅是间接带隙半导体材料，能带窄，发光效率低，限制了其在光电器件方面的应用，但是由于硅材料与目前成熟的微电子工艺的高度兼容性，科学家一直不断的对其进行探索。近十几年来，许多实验和理论研究工作表明，当Si材料的尺寸减小到几纳米(与电子的德布罗意波长可相比拟)时，呈现出明显的量子尺寸效应，极大的改善其光学特性、发光效率。因此，基于这种物理特性的硅纳米结构的构筑备受广泛关注。目前国际上制备硅纳米结构主要通过等离子增强化学气相沉积、热丝化学气相沉积、低压化学气相沉积和离子注入等方法实现，这些方法具有高温条件下生长或是需要高温退火等特点，不利于与当前微电子工艺相兼容。

公告号为CN1688016A和CN1687482A的中国发明专利分别公开了纳米硅基发光复合薄膜的制备方法，这些方法利用等离子增强化学气相沉积技术，通过低温（小于50 --C）循环生长的方式获取纳米硅结构，其密度可达到10¹³/cm²。然而，这种过低的生长温度易造成薄膜被氧化，不利于薄膜结构的稳定。最近国际上也有报道（Appl.Phys.Lett. 96，183105，2010年)，利用等离子增强化学气相沉积技术，在生长温度为370 --C，功率为1000W条件下，通过提高反应气压可制备镶嵌于SiNx介质的纳米硅结构，但其密度最高仅达8×10¹¹/cm²。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种低温（小于300 --C）下构筑高密度均匀分布的纳米硅结构的方法，该方法利用等离子体增强化学气相沉积技术，能够制备出高密度均匀分布的纳米硅结构薄膜，并使得薄膜不易被氧化。

为了解决以上技术问题，本发明一种实现低温构筑高密度纳米硅结构的方法，包括以下步骤：a)在平行板电容型射频等离子体增强化学气相沉积系统中，将已经过前期清洗并烘干处理的衬底固定在电容极板的下极板的上表面，所述衬底为单晶硅片、石英片或光学玻璃；b)调节电容极板的上、下极板之间的距离至2.5-3cm，并将电容极板的下极板接地，同时对其加热，使衬底温度达到220-280--C；c)将硅烷、氢气和氨气的混合气体通入反应腔，使其从电容极板的上电极板的下表面匀速、缓慢进入两极板之间，其中硅烷、氢气和氨气的纯度均为99.9999%；d)控制混合气体中的硅烷、氢气和氨气流量比，其中固定硅烷和氨气的流量比为5：25sccm，调节氢气流量的大小，使其在60-110sccm范围，同时调制反应室的抽气口，使反应室气压保持在60 Pa不变；e)将射频功率为15-40W的射频信号加到电容极板的上极板上，控制生长时间40分钟。

其中步骤d)中，调节氢气流量的大小优选为90sccm。

本发明提供的一种实现低温构筑高密度纳米硅结构的方法，其优点可以归纳如下：（1）整个制备过程无需昂贵设备技术，工艺过程简单，操作方便，成本低，并且与当前微电子工艺相相兼容，易于实用化；（2）制备过程的工艺参数可精确调节，有很好的可控性和重复性，可靠性高，能实现大面积生产；（3）纳米硅结构的制备工艺是一个低温过程，无需高温退火等后续处理，避免了高温热处理对薄膜微结构的改变导致的器件性能下降和成本的提高；（4）通过调制氢气流量，可在SiNx介质中实现高密度均匀分布的纳米硅结构的调控，由于纳米硅结构表面为SiNx所钝化，能有效地降低缺陷态密度，并且不易被氧化，非常适用于构筑发光器件和光伏电池。

附图说明

图1是实施例1制备的镶嵌于SiNx介质层的高密度均匀分布的纳米硅结构在不同放大倍数下的透射电镜照片。

图2是图1镶嵌纳米硅结构的SiNx薄膜的傅立叶变换红外谱（FTIR）图。

图3是图1镶嵌纳米硅结构的SiNx薄膜的发光谱图，插图中的高亮度白光发光照片为对应的薄膜发光图片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

制备前先对衬底进行清洗预处理：先用去离子水对衬底进行冲洗，再用由HCl、H₂O₂、H₂O组成的配比为1：2：5酸性清洗液沸煮5分钟，之后用去离子水冲洗，最后用由NH₄OH、H₂O₂、H₂O组成的配比为1：2：6的碱性清洗液沸煮5分钟，并用去离子水冲洗。冲洗完毕对衬底进行烘干。

实施例1：

a)在平板电容型射频等离子体增强化学汽相淀积设备（功率源频率40.68MHz）中，将经过预处理的单晶硅衬底放置在接地的下极板（阳极）上；

b)调节电容极板的上、下极板之间的距离至2.5 cm，加热衬底温度到250 --C，反应腔压力设置在60Pa；

c)通入硅烷（SiH₄）（含量100%）、氢气（H₂）和氨气（NH₃）的混合气体作为反应气体，其中的SiH₄、H₂和NH₃的纯度均为99.9999%；

d)控制混合气体中的SiH₄、H₂和NH₃流量比，其中固定SiH₄和NH₃的流量比为5：25sccm，调节H₂流量的大小，使其为90sccm；

e)将射频功率为30W，射频频率为40.68MHz的射频信号加到上极板上，控制生长时间40分钟，制成本发明图1所示的镶嵌于SiNx介质层的高密度均匀分布硅纳米结构。

图1中(a)和(b)显示了制备得到的纳米硅结构在不同放大倍数下的透射电镜照片，由图1（a）可看到，纳米硅结构均匀分布于SiNx介质层中；由图1（b）可知纳米硅颗粒平均尺寸为2.3 nm，颗粒密度为4.6×10¹²/cm², 纳米硅颗粒为SiNx介质层所包围，并且颗粒与SiNx介质层之间边界明锐。

图2是图1镶嵌纳米硅结构的SiNx薄膜的傅立叶变换红外谱（FTIR）图。在400-4000 cm^-1范围内，位于630 cm^-1左右的吸收峰代表Si-H摇摆模（wagging mode），位于850 cm^-1左右的吸收峰代表Si-N-Si伸缩模（stretching mode），位于1170 cm^-1左右的吸收峰代表Si₂N-H振动模（rocking mode），位于2150 cm^-1左右的吸收峰代表N₂Si-H伸缩模（stretching mode），位于3350 cm^-1左右的吸收峰代表Si₂N-H伸缩模（stretching mode）。可以看到，谱中并没有代表Si-O-Si伸缩模（stretching mode）的吸收峰（1050 cm^-1），说明制备的薄膜没有被氧化。

图3为图1 SiNx薄膜的光致发光谱图和发光照片，其中的光致发光谱是通过Fluorolog-3荧光光谱仪在室温下测量得到，激发波长为325nm。由图可看到，发光峰主峰位于600nm左右，谱峰半高宽较宽，达到1.05eV。插图中的高亮度白光发光照片为对应的薄膜发光图片，为10mW的He-Cd激光器325nm波长激发得到，这说明这种高密度的纳米硅结构薄膜发光强度强，具有较高的发光效率，从而可以切实应用于未来的光电器件。

实施例2：

本实施例通过以下步骤低温制备高密度均匀分布的纳米硅结构 :

a)在平板电容型射频等离子体增强化学汽相淀积设备（功率源频率40.68MHz）中，将清洗过的石英片放置在接地的下极板（阳极）上；

b)调节电容极板的上、下极板之间的距离至2.8 cm，加热衬底温度到280 --C，反应腔压力设置在60Pa；

d)控制混合气体中的SiH₄、H₂和NH₃流量比，其中固定SiH₄和NH₃的流量比为5：25sccm，调节H₂流量的大小，使其为60sccm；

e)将射频功率15W，射频频率为40.68MHz的射频信号加到上极板上，控制生长时间40分钟，制成本发明的镶嵌于SiNx介质层的高密度均匀分布硅纳米结构。

实施例3：

a)在平板电容型射频等离子体增强化学汽相淀积设备（功率源频率40.68MHz）中，将预处理过的光学玻璃放置在接地的下极板（阳极）上；

b)调节电容极板的上、下极板之间的距离至3cm，衬底温度设置在220 --C，反应腔压力设置在60Pa；

d)控制混合气体中的SiH₄、H₂和NH₃流量比，其中固定SiH₄和NH₃的流量比为5：25sccm，调节H₂流量的大小，使其为110sccm；

e)将射频功率40W，射频频率为40.68MHz的射频信号加到上极板上，控制生长时间40分钟，制成本发明的镶嵌于SiNx介质层的高密度均匀分布硅纳米结构。

Claims

1. 一种实现低温构筑高密度纳米硅结构的方法，其特征在于包括以下步骤：

a)在平行板电容型射频等离子体增强化学气相沉积系统中，将已经过前期清洗并烘干处理的衬底固定在电容极板的下极板的上表面，所述衬底为单晶硅片、石英片或光学玻璃；

b)调节电容极板的上、下极板之间的距离至2.5-3cm，并将电容极板的下极板接地，同时对其加热，使衬底温度达到220-280--C；

c)将硅烷、氢气和氨气的混合气体通入反应腔，使其从电容极板的上电极板的下表面匀速、缓慢进入两极板之间，其中硅烷、氢气和氨气的纯度均为99.9999%；

d)控制混合气体中的硅烷、氢气和氨气流量比，其中固定硅烷和氨气的流量比为5：25sccm，调节氢气流量的大小，使其在60-110sccm范围，同时调制反应室的抽气口，使反应室气压保持在60Pa不变；

e)将射频功率为15-40W的射频信号加到电容极板的上极板上，控制生长时间40分钟。

2. 根据权利要求1所述的一种实现低温构筑高密度纳米硅结构的方法，其特征在于步骤d)中，调节氢气流量的大小优选为90sccm。