CN110223915B - 一种具有厚度梯度可变的氮化硅薄膜的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有厚度梯度可变的氮化硅薄膜的制作方法,属于半导体技术领域的薄膜制备领域。所述具有厚度梯度的氮化硅薄膜为中间薄、边缘厚的凹形结构，其厚度从中间区域向边缘区域逐渐增加。本发明提供的一种具有厚度梯度的氮化硅薄膜的制备方法，通过在样品台上放置石英绝缘板，电隔绝等离子体增强化学气相沉积系统的阳极和阴极，使得半导体芯片中心位置处的射频偏压降低，从而显著降低中间区域的生长速率；而对于半导体芯片边缘区域，沉积的金属电极对电场的感应降低电位，相比中心位置增加了偏压，使得氮化硅薄膜的沉积速率明显高于中间区域的沉积速率，最终形成了中间薄、四周厚，具有厚度梯度的氮化硅薄膜。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域的薄膜制备领域，具体涉及一种具有厚度梯度可变的氮化硅薄膜的制作方法。
背景技术
氮化硅薄膜被广泛应用于微电子、微机械以及光电子器件的制备工艺中，它具有高的介电常数、高绝缘强度、漏电低、高致密、对Na和水汽具有良好的阻挡能力等优良物理性能，可作为微电子器件的钝化层、隔离层和电容介质层等。氮化硅薄膜还具有可靠的耐热抗腐蚀性能和优异的机械性能，在新兴的微机械加工工艺中的应用也越来越广泛。另外，氮化硅具有良好的光学性能，其折射率为2.0左右，优于传统的SiO2薄膜折射率。作为增透膜与钝化膜，氮化硅薄膜在光电器件领域也备受青睐。通过沉积氮化硅薄膜，可大幅提高太阳能电池的转换效率和LED的发光效率。同时，氮化硅薄膜还可以作为波导器件的纤芯材料。
传统的氮化硅薄膜用于太阳能电池或光探测器等光电器件的增透膜时，厚度为均匀变化的，而如果能够将氮化硅薄膜的厚度控制在中间薄、四周厚，具有厚度在一定范围可变的状态，可进一步有效增加光的吸收，从而极大改善所制备光电器件的性能。如对于太阳能电池器件，目前大部分光伏器件都是基于太阳光的可见光部分进行研究，而占太阳光总辐射能量52％的近红外光780nm<λ<2500nm并没有被有效利用。光垂直照射时，要使氮化硅薄膜增透效果达到最佳，必须满足以下条件：1)薄膜光学厚度满足:n2×d＝λ/4(d为氮化硅薄膜几何厚度，n2为薄膜的折射率)；2)n2满足：n1<n2<n3或n1>n2>n3以及(n1和n3分别为覆盖层和衬底的折射率)；较优的增透膜折射率在2左右。3)尽可能减少薄膜的厚度，以减少对光的吸收。如果同一太阳能电池芯片上氮化硅增透膜的厚度可在一定厚度范围内变化(如60nm-500nm)，则太阳能电池不仅可吸收可见光部分，也可以充分吸收近红外光部分，从而充分利用太阳光谱的能量，大幅提高太阳能电池的转换效率。
半导体工艺中，可采用溅射法、化学气相沉积法(CVD)等技术制备氮化硅薄膜。溅射法所制备的氮化硅薄膜虽然具有密度高、针孔少、附着性好等优点，但是，也存在沉积速率低、设备昂贵、衬底温度较高等缺点。相比较而言，CVD法具有许多优点：沉积温度低、薄膜均匀性好、台阶覆盖好、沉积速率大，所制备薄膜的针孔少、缺陷少、纯度高、致密光滑，以及沉积过程中受到的辐射损伤小等。现有技术通常采用等离子体化学气相沉积(PECVD)来制备氮化硅薄膜，PECVD技术，是利用辉光放电的物理作用形成等离子体和化学反应相结合的技术。在PECVD的反应腔室中通入一定浓度的硅烷以及氨气或者氮气，在射频源产生的电场的激发下，气体产生高能电子和等离子体；高能电子可断裂相关的化学键，经重新结合后氮化硅薄膜被沉积在衬底表面上。PECVD借助等离子体的电激活作用实现了较低的温度下沉积优质氮化硅薄膜，其操作方法灵活、工艺重复性好、且台阶覆盖优良，另根据不同的需求，可调节工艺参数制备不同折射率、不同应力的薄膜。因此，PECVD氮化硅薄膜技术在微电子以及光电子领域得到了广泛应用。在用PECVD沉积氮化硅薄膜时，传统的方式是将衬底直接放在作为阴极的样品台上，所沉积的氮化硅薄膜的厚度均匀性好，通常为90％以上，且为中间厚度稍厚于样品边缘。为了尽可能利用台阶型氮化硅薄膜，迫切需要一种可得到中间薄、边缘厚、具有厚度梯度可调的氮化硅薄膜沉积技术。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，提供一种可提高太阳能电池光电转换效率的、中间薄周围厚的、具有厚度梯度的氮化硅薄膜的制备方法。
本发明解决上述问题采用的技术方案如下：
一种具有厚度梯度可变的氮化硅薄膜的制作方法，具体包括以下步骤：
步骤1、提供半导体芯片，并采用丝网印刷技术在半导体芯片边缘区域形成金属电极；
步骤2、依次在样品台上放置石英绝缘板和步骤1带金属电极的半导体芯片，所述石英绝缘板的尺寸大于或等于所述半导体芯片的尺寸；然后，采用等离子体增强化学气相沉积法在半导体芯片上沉积氮化硅薄膜，即可得到中间薄周围厚的具有厚度梯度的氮化硅薄膜。
进一步地，步骤2所述石英绝缘板和半导体芯片之间还可以添加导电金属板，所述导电金属板的尺寸大于或等于半导体芯片的尺寸，导电金属板的尺寸大于石英绝缘板的尺寸；所述导电金属板为铜板、铝板等。
进一步地，步骤1所述半导体芯片的衬底为Si、Ge、GaAs、SiC中的任意一种。
进一步地，步骤1所述金属电极可以为圆环、方形环等，以增大半导体芯片边缘的沉积速率，得到边缘较厚的氮化硅薄膜。
进一步地，步骤1所述金属电极为Al、Ni、Ag等导电金属中的任意一种。
进一步地，当所述半导体芯片为圆形时，步骤1所述金属电极为半导体芯片的内接四边形环，如图2b所示。
进一步地，所述石英绝缘板的厚度为1mm，导电金属板的厚度为1mm。
进一步地，步骤2所述采用等离子体增强化学气相沉积法在半导体芯片上沉积氮化硅薄膜时，气体气氛为SiH4、N2和NH3的混合气体，其中，SiH4流量为150sccm～250sccm，N2流量为120sccm～200sccm，NH3流量为20sccm～40sccm；气压为600mT，半导体衬底温度为180℃～300℃，射频功率为60W～80W。
进一步地，步骤2得到的具有厚度梯度的氮化硅薄膜中，H含量高于2*1018/cm2。
进一步地，步骤2中，在样品台上依次放置石英绝缘板和半导体芯片时，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积得到的氮化硅薄膜，其厚度范围为60nm～500nm的大台阶变化；其中，中间区域(占芯片总面积的20％～50％)厚度为60nm～90nm，边缘区域(占芯片总面积的5％～10％)厚度为300nm～500nm。其中，氮化硅薄膜从中间到边缘区域台阶厚度的变化可通过沉积时间控制，沉积时间为12～20min；中间区域占芯片面积的百分比取决于芯片尺寸、时间、气体流量等参数，为20％～50％。
进一步地，步骤2中，在样品台上依次放置石英绝缘板、导电金属板和半导体芯片时，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积得到的氮化硅薄膜，其厚度范围为60nm～150nm的中等台阶变化；其中，中间区域(占芯片总面积的20％～50％)厚度为60nm～90nm，边缘区域(占芯片总面积的5％～10％)厚度为100nm～180nm。其中，氮化硅薄膜从中间到边缘区域台阶厚度的变化可通过沉积时间控制，沉积时间为1～3min；中间区域占芯片面积的百分比取决于芯片尺寸、时间、气体流量等参数，为20％～50％。
需要说明的是，若直接将半导体芯片放置于样品台上，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积得到的氮化硅薄膜，其厚度是较均匀的。
本发明的原理如下：
采用等离子体增强化学气相沉积技术沉积氮化硅薄膜时，如果将半导体芯片直接放置于样品台上，沉积得到的氮化硅薄膜中间稍厚、四周稍薄，厚度均匀性约为90％以上。本发明方法沉积氮化硅薄膜时，在半导体芯片下方放置石英绝缘板，降低了半导体芯片中间区域的射频偏压，使得中间位置处氮化硅薄膜的沉积速率显著降低。而对于半导体芯片边缘区域，沉积的金属电极对电场的感应具有低的电位，使得氮化硅薄膜的沉积速率明显高于中间区域的沉积速率，最终形成了中间薄、四周厚，具有厚度梯度的氮化硅薄膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种具有厚度梯度的氮化硅薄膜的制备方法，通过在样品台上放置石英绝缘板，电隔绝等离子体增强化学气相沉积系统的阳极和阴极，使得半导体芯片中心位置处的射频偏压降低，从而显著降低中间区域的生长速率；而对于半导体芯片边缘区域，沉积的金属电极对电场的感应降低电位，相比中心位置增加了偏压，使得氮化硅薄膜的沉积速率明显高于中间区域的沉积速率，最终形成了中间薄、四周厚，具有厚度梯度的氮化硅薄膜。
2、本发明提供的一种具有厚度梯度的氮化硅薄膜的制备方法，得到的氮化硅薄膜的厚度从中间区域60nm～90nm增厚至边缘区域500nm左右，不仅可以充分利用可见光部分，还可利用780nm～2500nm的近红外波段，极大地提高了光电器件的转换效率。
3、本发明提供的一种具有厚度梯度的氮化硅薄膜及其制备方法，在太阳能电池、光探测器件等光电器件领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有厚度梯度的氮化硅薄膜的制备方法流程图；
图2a-2d为本发明提供的一种具有厚度梯度的氮化硅薄膜形成过程的示意图；其中，1为半导体芯片，2为金属电极，3为带金属电极的半导体芯片，4为石英绝缘板，5为PECVD阴极样品台，6为金属导电板，7为SiN薄膜；
图2a为提供半导体芯片，图2b为得到带金属电极的半导体芯片，图2c为等离子体增强化学气相沉积技术沉积氮化硅薄膜时样品台、石英板与半导体芯片的放置位置示意图，图2d为等离子体增强化学气相沉积技术沉积氮化硅薄膜时样品台、石英板、金属导电板与半导体芯片的放置位置示意图，图2e为沉积得到的SiN薄膜的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为本发明提供的一种具有厚度梯度的氮化硅薄膜的制备方法流程图；具体包括以下步骤：
S1、提供半导体芯片1，如图2a所示；所述半导体芯片的衬底为Si、Ge、GaAs、SiC中的任意一种；
S2、提供石英绝缘板4，所述石英绝缘板的尺寸大于或等于所述半导体芯片的尺寸；
S3、采用丝网印刷技术在半导体芯片边缘区域形成金属电极，如图2b所示；
S4、采用等离子体增强化学气相沉积法在半导体芯片上沉积氮化硅薄膜，得到中间薄周围厚的具有厚度梯度的氮化硅薄膜；其中，气体气氛为SiH4、N2和NH3的混合气体，SiH4流量为150sccm～250sccm，N2流量为120sccm～200sccm，NH3流量为20sccm～40sccm；气压为600mT，半导体衬底温度为180℃～300℃，射频功率为60W～80W。
实施例1
本实施例提供大台阶变化率氮化硅薄膜的制作方法，具体包括以下步骤：
S1、提供半导体芯片1，所述半导体芯片为多晶硅太阳能电池片；
S2、提供石英绝缘板4，所述石英绝缘板的尺寸大于或等于所述半导体芯片的尺寸；
S3、采用丝网印刷技术在半导体芯片边缘区域形成金属电极2，如图2b所示，所述金属电极为Ag；
S4、如图2c所示，在等离子体增强化学气相沉积腔室的阴极样品台5上依次放置石英绝缘板4、带金属电极的半导体芯片3；向反应腔内通入SiH4、N2和NH3的混合气体，SiH4流量为250sccm，N2流量为200sccm，NH3流量为40sccm；在气压为600mT、半导体衬底温度为200℃、射频功率为70W的条件下，沉积20min，得到中间薄周围厚、具有厚度梯度的氮化硅薄膜。得到的具有厚度梯度的氮化硅薄膜的结构示意图如图2e所示，其中间区域(占芯片总面积的20％～30％)厚度为80nm～90nm，边缘区域(金属电极位置处)厚度约为500nm。其厚度可根据工艺要求进行选择，沉积时间越长，厚度越厚，同时由于边缘的生长速率远大于中心位置处的生长速率，因而可得到台阶变化率大的氮化硅薄膜。
实施例2
本实施例提供中等变化台阶的氮化硅薄膜的制作方法，具体包括以下步骤：
S1、提供半导体芯片1，所述半导体芯片为多晶硅太阳能电池片；
S2、提供石英绝缘板4，所述石英绝缘板的尺寸大于或等于所述半导体芯片的尺寸；
S3、提供导电金属板6，所述导电金属板为铜板，尺寸大于或等于半导体芯片的尺寸；
S4、采用丝网印刷技术在半导体芯片边缘区域形成金属电极2，如图2b所示，所述金属电极为Ag；
S5、如图2d所示，在等离子体增强化学气相沉积腔室的阴极样品台5上依次放置石英绝缘板4、金属导电铜板6、带金属电极的半导体芯片3；向反应腔内通入SiH4、N2和NH3的混合气体，SiH4流量为250sccm，N2流量为200sccm，NH3流量为40sccm；在气压为600mT、半导体衬底温度为200℃、射频功率为70W的条件下，沉积2min，得到中间薄周围厚、具有厚度梯度的氮化硅薄膜。得到的具有厚度梯度的氮化硅薄膜的结构示意图如图2e所示，其中间区域(占芯片总面积的20％～30％)厚度为80nm～90nm，边缘区域(金属电极位置处)厚度约为150nm，所述方法得到的是台阶中等变化的氮化硅薄膜。
本发明实施例得到的具有厚度梯度的氮化硅薄膜可充分利用太阳能谱的波长为500nm以上的可见光和近红外光。而传统均匀生长的氮化硅薄膜，仅仅只能利用可见光部分。因此，本发明得到的具有厚度梯度的氮化硅薄膜可以显著改善光电器件的性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有厚度梯度可变的氮化硅薄膜的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、提供半导体芯片，并采用丝网印刷技术在半导体芯片边缘区域形成金属电极；
步骤2、依次在样品台上放置石英绝缘板和步骤1带金属电极的半导体芯片，所述石英绝缘板的尺寸大于或等于所述半导体芯片的尺寸；然后，采用等离子体增强化学气相沉积法在半导体芯片上沉积氮化硅薄膜，即可得到所述具有厚度梯度可变的氮化硅薄膜。
2.根据权利要求1所述的具有厚度梯度可变的氮化硅薄膜的制作方法，其特征在于，步骤2所述石英绝缘板和半导体芯片之间添加导电金属板，所述导电金属板的尺寸大于或等于半导体芯片的尺寸。
3.根据权利要求1所述的具有厚度梯度可变的氮化硅薄膜的制作方法，其特征在于，步骤2中，在样品台上依次放置石英绝缘板和半导体芯片时，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积得到的氮化硅薄膜，其厚度范围为60nm～500nm；其中，中间区域厚度为60nm～90nm，边缘区域厚度为300nm～500nm。
4.根据权利要求2所述的具有厚度梯度可变的氮化硅薄膜的制作方法，其特征在于，步骤2中，在样品台上依次放置石英绝缘板、导电金属板和半导体芯片时，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积得到的氮化硅薄膜，其厚度范围为60nm～150nm；其中，中间区域厚度为60nm～90nm，边缘区域厚度为100nm～150nm。
5.根据权利要求1或2所述的具有厚度梯度可变的氮化硅薄膜的制作方法，其特征在于，步骤2所述采用等离子体增强化学气相沉积法在半导体芯片上沉积氮化硅薄膜时，气体气氛为SiH4、N2和NH3的混合气体，其中，SiH4流量为150sccm～250sccm，N2流量为120sccm～200sccm，NH3流量为20sccm～40sccm；气压为600mT，半导体衬底温度为180℃～300℃，射频功率为60W～80W。
6.根据权利要求1所述的具有厚度梯度可变的氮化硅薄膜的制作方法，其特征在于，步骤1所述半导体芯片的衬底为Si、Ge、GaAs、SiC中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的具有厚度梯度可变的氮化硅薄膜的制作方法，其特征在于，步骤1所述金属电极为圆环或方形环。
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