CN102560400A - 一种通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法，属于薄膜硅材料的制备技术领域。首先在真空腔的腔体壁上设置一个热丝化学气相沉积系统和一个磁控溅射系统，将清洗后的衬底放入真空腔的样品座上，向真空腔中通入反应气体氩气、氢气和硅烷，对热丝加热，并对磁控溅射系统施加直流偏压，打开磁控溅射靶材和热丝前的挡板，制备硅基薄膜。本发明与已有技术相比，制备的薄膜掺杂元素的含量比较均匀，可实现突变掺杂。而且所需设备简单，掺杂量易于控制，可以实现高掺杂浓度，低离子损伤的薄膜制备，具有操作方便、重复可靠的特点，具有广阔的应用前景。

Description

一种通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法
技术领域
本发明涉及一种通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法，属于薄膜硅材料的制备技术领域。
背景技术
在硅半导体材料的研究中，对硅材料进行各种掺杂是非常重要的一道工艺。过渡金属掺杂的稀磁半导体，稀土掺杂的氢化非晶硅薄膜发光材料，以及深能级掺杂的中间带半导体材料都是近年来的研究热点，而且有些领域要求的掺杂浓度较高，远远超出掺杂元素在硅中的固溶度，从而不能通过传统的扩散工艺进行掺杂。目前对非晶硅和纳米晶硅薄膜进行金属掺杂，用的比较多的是离子注入，共溅射和金属有机化学气相沉积(以下称MOCVD)等方法。而这些方法各有局限性。例如，离子注入方法中，掺杂元素在样品中分布不均；共溅射法制备的薄膜缺陷较多；MOCVD法需要用到有剧毒的气体，对实验装置要求较高。
发明内容
本发明的目的是提出一种通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法，将已有的热丝化学气相沉积(以下称HWCVD)与磁控溅射技术相结合，用于制备金属掺杂的硅基薄膜，方便地实现不同浓度的掺杂，特别是实现过饱和浓度的掺入，而且不会引入其他不需要的杂质，还可通过氢化降低薄膜中的缺陷态密。
本发明提出的通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法，包括以下步骤：
(1)在真空腔的腔体壁上设置一个热丝化学气相沉积系统和一个磁控溅射系统，以高纯钨丝或钽丝作为热丝化学气相沉积系统的热丝源，使热丝源与所述的衬底之间的距离为5～15厘米，使样品座表面法线与热丝架平面的夹角为α，α＝75～85度，以待掺杂金属作为磁控溅射系统的溅射靶，样品座表面法线与溅射靶平面的夹角为β，β＝5～15度；
(2)将清洗后的衬底放入真空腔的样品座上，使真空腔的真空度高于1×10-3帕；
(3)向真空腔中通入反应气体氩气、氢气和硅烷，三种气体的流量比为：氢气∶氩气∶硅烷＝(6～20)∶6∶(2～12)，使腔体内反应气体的气压为1～6帕，对热丝加热，使热丝温度达到1600～2000℃，对磁控溅射系统施加直流偏压，直流溅射的功率为66～120瓦，并使衬底座相对样品台的旋转速度为1～30转/分；
(4)打开磁控溅射靶材和热丝前的挡板，制备硅基薄膜。
本发明提出的通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法，与目前常用的硅薄膜掺杂方法如MOCVD、共溅射、离子注入等方法相比具有以下优点：
1、本发明方法与已有的MOCVD技术相比，没有用到有毒的有机金属气体，较安全环保而且不需要昂贵的MOCVD设备。另外，因为磁控溅射靶材成份单一，减少了引入其他杂质的机会。而且，磁控溅射技术比较成熟，多数金属的靶材可以方便地买到。
2、本发明方法与已有的共溅射技术相比，本方法可以通过控制磁控溅射的功率和通入气体中硅烷和氢气相对氩气的比值，以及样品台相对于磁控溅射靶的角度等三个参数来调节掺杂的量，可以很方便的控制薄膜中掺杂元素的含量，并在生长过程中通入氢气来减少薄膜中的缺陷。
3、本发明方法与已有的离子注入技术相比，离子注入得到的薄膜，掺杂元素在薄膜中的含量随深度一般是高斯分布，具有低浓度的分布尾，而本发明方法制备的薄膜掺杂元素的含量比较均匀，可实现突变掺杂。
4、本发明方法所需设备简单，掺杂量易于控制，可以实现高掺杂浓度，低离子损伤的薄膜制备，而且具有操作方便、重复可靠的特点，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是实施本发明通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法所用的装置的结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是用本发明方法制备的含钛硅薄膜中钛含量随薄膜深度变化的关系图。测量手段为俄歇电子能谱。
图4是用本发明方法制备的含钛硅薄膜中钛平均含量随着溅射功率的变化关系图。测量手段为俄歇电子能谱。
图1和图2中，1为真空腔体，2为磁控溅射系统，3为热丝化学气相沉积系统，4为热丝，5为样品台，6为样品座，7为磁控溅射靶，8为热丝化学气相沉积系统的进气口，其中5为样品台，6为样品座，9为样品夹。
具体实施方式
本发明提出的通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法，所用的装置的结构如图1所示，本方法包括以下步骤：
(1)在真空腔1的腔体壁上设置一个热丝化学气相沉积系统3和一个磁控溅射系统2，以高纯钨丝或钽丝作为热丝化学气相沉积系统的热丝源4，使热丝源与样品座6之间的距离为5～15厘米，转动样品台5，使样品座表面法线与热丝源4平面的夹角为α，α＝75～85度，以待掺杂金属作为磁控溅射系统的溅射靶7，样品座表面法线与溅射靶平面的夹角为β，β＝5～15度。样品座6与热丝源4和溅射靶之间的位置关系如图2所示。如图2所示，样品座6可以绕Z轴转动而改变α、β角。生长薄膜时，样品座绕盘心O点匀速转动，以保证薄膜的均匀性。
(2)将清洗后的衬底放入真空腔的样品座6上，使真空腔的真空度高于1×10-3帕；
(3)向真空腔中通入反应气体氢气、氩气和硅烷，三种气体的流量比为：氢气∶氩气∶硅烷＝(6～20)∶6∶(2～12)，使腔体内反应气体的气压为1～6帕，对热丝加热，使热丝温度达到1600～2000℃，对磁控溅射系统施加直流偏压，直流溅射的功率为66～120瓦，并使衬底座相对样品台的旋转速度为1～30转/分；
(4)打开磁控溅射靶材和热丝前的挡板，制备硅基薄膜。
本发明提出的通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法，主要是通过调节直流溅射的功率来控制最终薄膜中的掺杂元素含量；减小β角可以减少溅射对薄膜的损伤；热丝温度在1600度以上，硅烷、氢气分解比较充分，但是超过2000℃容易烧断热丝；增加氢气的流量可以减少薄膜中的缺陷，增加硅烷的流量可以减少薄膜中掺杂元素的含量，但是如果腔体中氢气和硅烷的浓度过高，磁控溅射将无法起辉工作。
以下介绍本发明方法的实施例：
实施例一
(1)实验装置结构如图1所示，使热丝源与所述的衬底之间的距离为8cm，样品座表面法线与热丝架平面的夹角α＝75度，磁控溅射系统的溅射靶为纯度为99.995％钛靶；
(2)将清洗后的衬底放入真空腔的样品座上，使真空腔的真空度3×10-4帕；
(3)向真空腔中通入反应气体氩气、氢气和硅烷，三种气体的流量比为：氢气∶氩气∶硅烷＝12∶6∶6，使腔体内反应气体的气压为3帕，对热丝加热，使热丝温度达到1800℃，对磁控溅射系统施加直流偏压，直流溅射的功率为66瓦，并使衬底座相对样品台的旋转速度为5转/分；
(4)打开磁控溅射靶材和热丝前的挡板，制备硅基薄膜，在上述沉积条件下，沉积速率为13纳米/分，沉积一个小时，薄膜厚度为780纳米。
(5)使用不同的直流溅射的功率从而改变薄膜中钛的含量，所用功率分别为77，86，102瓦。
本实施例制备的样品，其含钛硅薄膜中钛含量随薄膜深度变化的关系图如图3和图4所示，薄膜中钛的含量为1％～8％。由此可以看出钛在硅基薄膜中含量基本不随薄膜的深度变化，可以实现均匀掺杂；改变溅射的功率可以改变钛的含量，可以很方便的调节掺杂的浓度，可以根据要求改变生长时间来改变薄膜的厚度。
实施例二
(1)实验装置结构如图1所示，热丝源与所述的衬底之间的距离为8cm，样品座表面法线与热丝架平面的夹角α＝85度，磁控溅射系统的溅射靶为纯度为99.995％钛靶；
(2)将清洗后的衬底放入真空腔的样品座上，使真空腔的真空度为5×10-4帕；
(3)向真空腔中通入反应气体氩气、氢气和硅烷，三种气体的流量比为：氩气∶氢气∶硅烷＝16∶6∶9，使腔体内反应气体的气压为4帕，对热丝加热，使热丝温度达到1700℃，对磁控溅射系统施加直流偏压，直流溅射的功率为105瓦，并使衬底座相对样品台的旋转速度为10转/分；
(4)打开磁控溅射靶材和热丝前的挡板，制备硅基薄膜。
最终薄膜中钛的含量为6％，测试手段为饿歇电子能谱，本实施例相对于实施例一增加了氢气流量，减小了β角，也就是增加了氢稀释度，减小了磁控溅射的掠角，二者都有利于减少薄膜中的缺陷。
实施例三
(1)实验装置结构如图1所示，热丝源与所述的衬底之间的距离为8cm，样品座表面法线与热丝架平面的夹角α＝75度，磁控溅射系统的溅射靶为纯度为99.99％银靶；
(2)将清洗后的衬底放入真空腔的样品座上，使真空腔的真空度为5×10-4帕；
(3)向真空腔中通入反应气体氩气、氢气和硅烷，三种气体的流量比为：氩气∶氢气∶硅烷＝8∶6∶6，使腔体内反应气体的气压为2帕，对热丝加热，使热丝温度达到1700℃，对磁控溅射系统施加直流偏压，直流溅射的功率为76瓦，并使衬底座相对样品台的旋转速度为5转/分；
(4)打开磁控溅射靶材和热丝前的挡板，制备硅基薄膜。
最终薄膜中银的含量为9％，测试手段为饿歇电子能谱，和实施例一相比，本实施例主要是改变了磁控溅射靶材料，比较二者结果可以看出银的溅射速率较钛要高。

Claims (1)

1.一种通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)在真空腔的腔体壁上设置一个热丝化学气相沉积系统和一个磁控溅射系统，以高纯钨丝或钽丝作为热丝化学气相沉积系统的热丝源，使热丝源与所述的衬底之间的距离为5～15厘米，使样品座表面法线与热丝架平面的夹角为α，α＝75～85度，以待掺杂金属作为磁控溅射系统的溅射靶，样品座表面法线与溅射靶平面的夹角为β，β＝5～15度；
(2)将清洗后的衬底放入真空腔的样品座上，使真空腔的真空度高于1×10-3帕；
(3)向真空腔中通入反应气体氩气、氢气和硅烷，三种气体的流量比为：氩气∶氢气∶硅烷＝(6～20)∶6∶(2～12)，使腔体内反应气体的气压为1～6帕，对热丝加热，使热丝温度达到1600～2000℃，对磁控溅射系统施加直流偏压，直流溅射的功率为66～120瓦，并使衬底座相对样品台的旋转速度为1～30转/分；
(4)打开磁控溅射靶材和热丝前的挡板，制备硅基薄膜。
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