CN109378269B - 一种对半导体表面过饱和掺杂且保持其晶格结构的制备方法 - Google Patents
一种对半导体表面过饱和掺杂且保持其晶格结构的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种对半导体表面过饱和掺杂且保持其晶格结构的制备方法。其是利用飞秒激光辐照半导体，在表面形成过饱和掺杂层。飞秒激光作用时间极短，瞬时功率极高，作用材料后降温速率极快，能通过与掺杂原子和半导体晶格的瞬时作用，将大量掺杂原子锁定在晶格中。对半导体加热，较高的衬底温度减缓飞秒激光作用后的瞬时超快降温速率，使缺陷不容易生成，从而保持其良好的晶格结构。本发明还具有工艺简单、易加工和易保存等优点，并且掺杂速度快，灵活性高，可以大面积加工也可以单点或沿预设路径加工。制备出的过饱和掺杂层在距表面0‑2000nm的深度范围内，掺杂浓度为1022‑1016Atoms/cm3，实现过饱和掺杂的同时保持晶格结构和掺杂原子活性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工领域，具体涉及一种半导体掺杂的方法，其为一种对半导体表面过饱和掺杂且保持其晶格结构的制备方法。
背景技术
无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今天人们使用的大部分的电子产品，如电脑、手机或数字录音机当中的核心单元，都和半导体有着极为密切的关连。但是常温下本征半导体中载流子浓度很低，电导率较小，载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体的特性进行控制。因此，掺杂方法成为提高半导体电学特性的重要方法。其中，掺杂浓度超过固溶度的过饱和掺杂半导体，在光电探测器、太阳能电池等方面具有优异的特性，甚至在太赫兹波段也表现出应用潜力。
传统的半导体掺杂方法主要包括高温扩散和离子注入。高温扩散的掺杂浓度会受到杂质原子在半导体中的固溶度的限制，并且对于尺寸越来越小的集成电路器件已很难满足生产要求。离子注入的掺杂浓度虽然能超过固溶度，但杂质原子并不会进入晶格，而是在晶格的间隙产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进，而高温又会使杂质进一步扩散，失活。因而都限制了半导体器件的应用范围。
发明内容
为了解决上述问题，本发明人经过长期试验和研究，提出一种对半导体表面过饱和掺杂且保持其晶格结构的制备方法。其改进了传统半导体掺杂方法存在的破坏晶格结构和掺杂浓度有限的不足。
依据本发明的技术方案，提供一种对半导体表面过饱和掺杂且保持其晶格结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：选取半导体晶片，并用RCA工艺清洗；
步骤2：在半导体晶片表面制备一定厚度的掺杂物质膜；
步骤3：在一定气压下或真空下，加热半导体晶片，并用飞秒激光辐照加热的半导体晶片表面的掺杂物质膜区域，制备过饱和掺杂层。
其中，步骤1中选取片状半导体，半导体类型既可以是n型也可以是p型，半导体晶片的晶向、电阻率和大小不限；半导体材料要求表面平整，表面平整度即材料表面最高点和最低点的差值小于或等于10μm。
进一步地，步骤2中所描述的掺杂物质膜的制备方法可以为但不限于：电阻热蒸发法、磁控溅射法或电子束蒸发法；掺杂物质膜是由掺杂元素组成的薄膜，例如硒、碲、磷、砷、锑、硼、铟、金或银等掺杂元素中的一种或几种；掺杂物质膜覆盖整个半导体晶片的表面，厚度为5nm-500nm。
进一步地，步骤3中所描述的用飞秒激光辐照加热的半导体表面制备过饱和掺杂层的具体步骤如下：
(1)将覆盖有掺杂物质膜的半导体晶片，放入真空腔中，并固定在加热台前端；
(2)抽真空，真空度为10-0.00001Pa；
(3)加热半导体晶片，加热速率为1℃/min-50℃/min(摄氏度/分钟)，之后保持目标温度不变，目标温度设定在20-2000℃之间，且不超过半导体表面掺杂物质的熔点；
(4)飞秒激光辐照加热的半导体表面的掺杂物质膜制备过饱和掺杂层，控制样品与飞秒激光的相对运动：既可以通过平移台驱动加热台和样品运动，又可以通过一个振镜和场镜组成的光学系统，使入射激光的光斑在样品表面移动；控制加工面积和移动速度来控制设定的面积和速度扫描；辐照到半导体表面的飞秒激光通量为0.01kJ/m2-50kJ/m2，并通过控制相对运动速度，使单位面积上接收到的脉冲数为1-10000个，由此来控制掺杂浓度；既可以逐行扫描加工大面积的过饱和掺杂层，也可以设定扫描图案或路径或间隔点来制备微区过饱和掺杂层；
(5)扫描结束后，控制加热台使半导体晶片匀速降温至250℃以下，降温速率为1-30℃/min；之后关闭加热台，自然降温至室温；
(6)充入对人体无毒的气体，例如氮气或者氩气等，打开真空腔盖，取出样品半导体晶片，检测加工过的半导体晶片区域(即半导体表面过饱和掺杂层)呈黑色或灰色；经过上述步骤处理的半导体表面掺入了大量的掺杂原子，且保持其晶格结构。
有益效果：
1、本发明提供的对半导体表面过饱和掺杂且保持其晶格结构的制备方法，具有工艺简单、掺杂速度快、易加工和易保存等优点。
2、本发明采用飞秒激光进行掺杂，作用时间极短，瞬时功率极高，作用后材料降温速率极快，能通过与掺杂原子和半导体晶格的瞬时作用，将大量掺杂原子锁定在半导体的晶格中。掺杂速度快，灵活性高，可以大面积加工也可以单点或沿预设路径加工。
3、本发明采用采用加温的半导体晶片进行掺杂，半导体晶片温度高于室温，减缓飞秒激光作用后作用区域的超快降温速率，使缺陷不容易生成，从而保持晶格结构。在一定程度上避免了一般的后续退火工艺所引起的晶格重构，掺杂原子失活，和表面掺杂原子扩散进入晶格内部以及在晶界处聚集。
4、本发明提供的过饱和掺杂半导体，在半导体表面的掺杂浓度超过固溶度，距表面0-2000nm的深度范围内，掺杂浓度为1022-1016Atoms/cm3，且可保持晶格结构与掺杂原子活性，克服了普通掺杂方法无法同时满足以上两点的缺点。
附图说明
附图1是依据本发明的对半导体表面过饱和掺杂且保持其晶格结构的制备方法流程示意图。
附图2是依据本发明的过饱和掺杂半导体的剖面结构图。
附图3是依据本发明的使用加热台控制样品的温度与时间的关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。
为了更详细的阐述本发明的技术手段和功效，下面结合实例对本发明提出的对半导体表面过饱和掺杂且保持其晶格结构的制备进行详细说明。
本发明利用飞秒激光辐照处于真空中的高温半导体晶片，在半导体表面形成过饱和掺杂层。过饱和掺杂半导体表面有准周期排列的微米尺寸锥结构，且表面掺杂层具有浓度超过固溶度的掺杂元素，过饱和掺杂半导体在距表面0-2000nm的深度范围内，最大掺杂浓度为1022-1016Atoms/cm3，远远超过了掺杂元素在半导体中的固溶度。本发明使用飞秒激光辐照高温半导体进行掺杂。飞秒激光作用时间极短，瞬时功率极高，作用材料后降温速率极快，能通过与掺杂原子和半导体晶格的瞬时作用，将大量掺杂原子锁定在半导体晶格中。对半导体晶片加热，使半导体温度高于室温，减缓飞秒激光作用后作用区域的降温速率，使缺陷不容易生成，从而保持晶格结构。在一定程度上避免了一般的后续退火工艺所引起的晶格重构，掺杂原子失活，和表面掺杂原子扩散进入晶格内部以及在晶界处聚集。
下面结合附图，对本发明的制备方法进一步说明。
附图1是本发明提供的对半导体表面过饱和掺杂且保持其晶格结构的制备方法流程示意图。
附图2是本发明提供的过饱和掺杂半导体的剖面结构图，其中，1-1是只在表面制备了掺杂物质膜，未经过飞秒激光过饱和掺杂的区域，1-2是经过飞秒激光过饱和掺杂的区域，1-3是半导体晶片衬底，1-4是在半导体晶片表面制备的掺杂物质膜，1-5是掺杂浓度超过固溶度的过饱和掺杂层。
附图3是本发明中使用加热台控制样品的温度与时间的关系图，其中，T1是目标温度，应设定在100-1000℃范围内且不超过表面掺杂物质的熔点的温度，3-1是升温过程，3-2是恒温过程，其中标注点的部分为飞秒激光辐照过程，3-3是均匀降温过程，3-4是自然降温过程。
结合并参阅附图1，说明本发明提供的更详细的半导体表面过饱和掺杂的制备方法，其包括如下步骤：
步骤1：选取片状半导体，半导体类型既可以是n型也可以是p型，半导体晶片的晶向、电阻率和大小不限；半导体材料要求表面平整，表面平整度即材料表面最高点和最低点的差值小于或等于10μm；
步骤2：用RCA工艺清洗已选取的半导体晶片；
步骤3：在清洗干净的半导体表面制备一定厚度的掺杂物质膜，覆盖整个半导体晶片的表面，厚度为5nm-500nm；掺杂物质膜是由掺杂元素组成的薄膜，例如硒、碲、磷、砷、锑、硼、铟、金或银等掺杂元素中的一种或几种；掺杂物质膜制备方法可以为但不限于：电阻热蒸发法、磁控溅射法或电子束蒸发法等；
步骤4：将覆盖有掺杂物质膜的半导体晶片，放入真空腔中，并固定在加热台前端；
步骤5：抽真空至
步骤6：设置加热台的温控程序：第一段升温，以1-50℃/min的速率对半导体晶片进行加热至目标温度；第二段恒温，温度保持在目标温度，时间长度设定为比飞秒激光掺杂程序时间长0-10min；第三段降温，以1-30℃/min的速率从目标温度降温至250℃；其中，目标温度设定为在20-2000℃范围内且不超过表面掺杂物质的熔点的温度；
(7)步骤7：温控程序进入第二段恒温程序段之后，飞秒激光辐照半导体表面掺杂物质膜制备过饱和掺杂层，控制样品与飞秒激光的相对运动：既可以通过平移台驱动加热台和样品运动，又可以通过一个振镜和场镜组成的光学系统，使入射激光的光斑在样品表面移动；控制加工面积和移动速度来控制设定的面积和速度扫描；可以通过一个格兰-泰勒棱镜和一个半波片调节辐照到半导体表面的飞秒激光通量为0.01kJ/m2-50kJ/m2，并通过控制相对运动速度，使单位面积上接收到的脉冲数为1-10000个，由此来控制掺杂浓度；既可以逐行扫描加工大面积的过饱和掺杂层，也可以设定扫描图案或路径或间隔点来制备微区过饱和掺杂层；
步骤8：加工完成后，加热台经过第三段降温程序，程序结束，之后样品自然降温至室温；
步骤9：降至室温后，充入对人体无毒的气体，例如氮气或者氩气，打开腔盖，取出样品，肉眼观察可见加工过的区域颜色为黑色或深灰色，即半导体表面过饱和掺杂层，该层中掺入了浓度超过固溶度的掺杂元素且晶格结构保持不变，仍为很好的单晶性质，浓度约为1022cm-3-1016cm-3，掺杂层的厚度一般为100nm-2μm；掺杂制备完成。
实施示例1：
对硅表面过饱和掺杂碲元素的制备方法的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：选取2英寸n(100)区熔单晶硅片，其电阻率为3000-5000Ω·cm，厚度为430±15μm；
步骤2：用RCA工艺清洗已选取的单晶硅片，清洗步骤为：(a)、先把硅片放入体积比为5∶1的浓硫酸和双氧水混合溶液，加热至100-130℃，保持10分钟；(b)、取出后在5％的氢氟酸溶液中清洗硅片；(c)、取出后再浸入体积比为1∶2∶5说我氨水、双氧水和去离子水混合液中，80℃水浴5分钟；(d)、最后再把硅片浸入体积比为1∶2∶7的浓盐酸、双氧水和去离子水的混合溶液中，80℃水浴5分钟；取出后用氮气流吹干；a、b、c、d每步之间都先用去离子水冲洗硅片，再在去离子水中超声清洗3分钟；
步骤3：采用电阻热蒸发的方法在清洗干净的硅片表面镀碲作为掺杂物质膜，覆盖整个单晶硅片的表面，具体方法如下：将样品光滑的一面朝下固定在蒸发镀膜机的钼舟正上方，在钼舟中放入适量的碲粉，抽真空至2.3×10-3Pa后蒸发镀碲膜；
步骤4：将覆盖有碲膜的硅片放入加工腔中，固定在加热台上，使入射激光垂直照到硅片表面的碲膜上，加热台与一个二维平移台相连，在平移台的驱动下，样品可以在垂直于入射激光的平面上作二维运动；
步骤5：抽真空至5Pa；
步骤6：设置加热台温控程序：第一段升温，在20min内均匀升温至400℃；第二段恒温，温度保持为400℃，时间为40min；第三段降温，在20min内均匀降温至250℃；
步骤7：加热台进入第二段恒温程序后，开始飞秒激光辐照硅片：入射飞秒激光的中心波长为800nm，脉宽为120fs，辐照到硅片表面的激光通量为4kJ/m2，样品在二维平移台的驱动下作二维扫描运动，逐行扫描，扫描一片面积为9mm×9mm的方形区域，横向每步移动9mm，纵向每步移动50μm，共扫描180行，设定硅片的移动速度为1mm/s，扫描程序供需时约32min(＜40min)，因此可以在加热台的第二段恒温程序内扫描加工完成，即在扫描整个过程中加热台均保持在400℃，这样，辐照到硅表面单位面积上的脉冲数为250个，这里的单位面积是指飞秒激光辐照硅样品表面时，单个脉冲投影到样品表面上的面积；
步骤8：加工完成后，加热台经过第三段降温程序，程序结束，而后样品自然降温至室温；
步骤9：充入氮气，打开腔盖，取出样品，肉眼观察可见加工过的区域颜色为黑色或深灰色，即硅表面过饱和掺杂层；掺杂制备完成。
经过以上步骤所制备的过饱和掺杂层，距表面0-2000nm的深度范围内，掺杂浓度为1.65×1020-9.12×1016Atoms/cm3；其中表面浅层(0-200nm)掺杂浓度为1.65×1020-1.00×1019Atoms/cm3，深层(200nm-2000nm)掺杂浓度为1.00×1019-9.12×1016Atoms/cm3。且样品表面晶格结构完整，保持了单晶性，且没有气泡和坑洼，在保持晶格结构的前提下实现了过饱和掺杂。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。
Claims (4)
1.一种对半导体表面过饱和掺杂且保持其晶格结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：选取半导体晶片，并用RCA工艺清洗；
步骤2：在半导体晶片表面制备一定厚度的掺杂物质膜；
步骤3：在一定气压下或真空下，加热半导体晶片，且所述加热不超过半导体表面掺杂物质的熔点，并用飞秒激光辐照加热的半导体晶片表面的掺杂物质膜区域，制备过饱和掺杂层；
经过上述步骤处理后的半导体，其晶体表面为过饱和掺杂，掺杂浓度为1016Atoms/cm3-1022Atoms/cm3，同时达到单晶结构。
2.根据权利要求1所述半导体表面过饱和掺杂的制备方法，步骤1中所述半导体应选取片状半导体，半导体类型是n型或p型，半导体晶片的晶向、电阻率和大小不限；半导体材料要求表面平整，表面平整度即材料表面最高点和最低点的差值小于或等于10μm。
3.根据权利要求1所述半导体表面过饱和掺杂的制备方法，步骤2中所描述的掺杂物质膜的制备方法为：电阻热蒸发法、磁控溅射法或电子束蒸发法；掺杂物质膜是由掺杂元素组成的薄膜，所述掺杂元素包括硒、碲、磷、砷、锑、硼、铟、金或银的一种或几种；掺杂物质膜覆盖整个半导体晶片的表面，厚度为5nm-500nm。
4.根据权利要求1所述半导体表面过饱和掺杂的制备方法，所述步骤3中所描述的用飞秒激光辐照加热的半导体表面制备过饱和掺杂层的具体步骤如下：
(1)将覆盖有掺杂物质膜的半导体晶片，放入真空腔中，并固定在加热台前端；
(2)抽真空，真空度为101Pa-10-5Pa；
(3)加热半导体晶片，加热速率为1℃/min-50℃/min，之后保持目标温度不变，目标温度设定在20℃-2000℃之间，且不超过半导体表面掺杂物质的熔点；
(4)飞秒激光辐照加热的半导体表面的掺杂物质膜制备过饱和掺杂层，控制样品与飞秒激光的相对运动：通过平移台驱动加热台和样品运动，或通过一个振镜和场镜组成的光学系统，使入射激光的光斑在样品表面移动；控制加工面积和移动速度来控制设定的面积和速度扫描；辐照到半导体表面的飞秒激光通量为0.01kJ/m2-50kJ/m2，并通过控制相对运动速度，使单位面积上接收到的脉冲数为1-10000个，由此来控制掺杂浓度；通过逐行扫描，或设定扫描图案或路径或间隔点，来制备过饱和掺杂层；
(5)扫描结束后，控制加热台使半导体晶片匀速降温至250℃以下，降温速率为1℃/min-30℃/min；之后关闭加热台，自然降温至室温；
(6)充入对人体无毒的气体，打开真空腔盖，取出样品半导体晶片，检测加工过的半导体晶片区域呈黑色或灰色；经过上述步骤处理的半导体表面掺入了大量的掺杂原子，且保持其晶格结构。
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