CN113667962A - 复合膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种复合膜及其制作方法，所述复合膜由依次层叠设置的第一膜层和第二膜层组成，所述复合膜用于设置于基底上；其中，所述第一膜层所带固定电荷的极性和所述第二膜层所带固定电荷的极性相反；所述第一膜层的厚度、所述第二膜层的厚度、所述第一膜层的面电荷密度和所述第二膜层的面电荷密度与所述基底的电荷密度相关。本申请提供的复合膜及其制备方法，能够根据半导体器件的需要调整复合膜的固定电荷密度，从而提高半导体器件的性能。

Description

复合膜及其制备方法
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别是涉及一种复合膜及其制备方法。
背景技术
半导体器件是导电性介于良导电体与绝缘体之间，利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的电子器件，可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。半导体器件的半导体材料是硅、锗或砷化镓，可用作整流器、振荡器、发光器、放大器、测光器等器材。
在半导体器件使用过程中，由于目前半导体器件使用的膜层存在着固定电荷，它们会影响晶体管和集成电路的性能。
发明内容
本申请主要解决的技术问题是提供一种复合膜及其制备方法，能够根据半导体器件的需要调整复合膜的固定电荷密度，从而提高半导体器件的性能。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种复合膜，所述复合膜由依次层叠设置的第一膜层和第二膜层组成，所述复合膜用于设置于基底上；
其中，所述第一膜层所带固定电荷的极性和所述第二膜层所带固定电荷的极性相反；所述第一膜层的厚度、所述第二膜层的厚度、所述第一膜层的面电荷密度和所述第二膜层的面电荷密度与所述基底的电荷密度相关。
进一步地，所述第一膜层与所述基底的界面贴合，所述第二膜层位于所述第一膜层背对所述界面的一侧；所述复合膜的固定电荷密度与所述第一膜层的厚度、所述第一膜层和第二膜层的厚度之和、所述第一膜层的固定面电荷密度、以及所述第二膜层的固定面电荷密度相关。
进一步地，所述复合膜的固定电荷密度的计算公式如下：
Figure BDA0003207138340000021
其中，Q表示所述复合膜的固定电荷密度；Q1表示所述第一膜层的固定面电荷密度；t1表示所述第一膜层的厚度；Q2表示所述第二膜层的固定面电荷密度；t2表示所述第二膜层的厚度；t表示所述复合膜各处的厚度；所述Q1和Q2其中之一为负数，另一为正数。
进一步地，所述第一膜层的厚度为0.1nm～10nm。
进一步地，所述第二膜层的厚度为0.1nm～10nm。
进一步地，所述第一膜层的材料为氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一个。
进一步地，所述第二膜层的材料为氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一个，且所述第二膜层的材料与所述第一膜层的材料不同。
进一步地，材料为氧化铝的膜层所带的固定电荷为负电荷，其固定负电荷密度量级为1012～1013/cm2。
进一步地，材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅的膜层所带的固定电荷为正电荷，材料为氮化硅的膜层的固定正电荷密度量级为1012/cm2，材料为氧化硅或氮氧化硅的膜层的固定正电荷密度量级为1010～1011/cm2。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种复合膜的制备方法，所述复合膜为上述任一种实施方式所述的复合膜，所述制备方法包括：
确定所述基底所需的复合膜的固定电荷密度的范围值；
选择所述第一膜层的材料和厚度、以及所述第二膜层的材料和厚度，使由所述第一膜层和第二膜层组成的复合膜的固定电荷密度在所述范围值内；
采用原子层沉积方法制备由所述第一膜层和第二膜层组成的复合膜。
区别于现有技术的情况，本申请的有益效果是：本申请提供的复合膜为可调节固定电荷密度的场效应钝化复合膜，设置于半导体器件的基底上。该复合膜由第一膜层和第二膜层组成，且二者所带固定电荷的极性相反。第一膜层的厚度、第二膜层的厚度、第一膜层的面电荷密度和第二膜层的面电荷密度均与基底的电荷密度相关，从而能够根据半导体器件的需要选择合适的第一膜层的厚度、第二膜层的厚度、第一膜层的面电荷密度和第二膜层的面电荷密度，从而使复合膜的固定电荷密度可调节，能调节复合膜对界面的场效应钝化效应，从而能提高半导体器件的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本实施方式中所提供的一种复合膜的结构示意图；
图2为本实施方式中所提供的一种复合膜的制备方法的流程示意图。
附图标记说明：
1、第一膜层；2、第二膜层；3、基底；4、界面。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1。本申请实施方式提供的复合膜由依次层叠设置的第一膜层1和第二膜层2组成，该复合膜用于设置于基底3上。
其中，第一膜层1所带固定电荷的极性和第二膜层2所带固定电荷的极性相反。第一膜层1的厚度、第二膜层2的厚度、第一膜层1的面电荷密度和第二膜层2的面电荷密度与基底3的电荷密度相关。
本申请提供的复合膜为可调节固定电荷密度的场效应钝化复合膜，设置于半导体器件的基底3上。该复合膜由第一膜层1和第二膜层2组成，且二者所带固定电荷的极性相反。第一膜层1的厚度、第二膜层2的厚度、第一膜层1的面电荷密度和第二膜层2的面电荷密度均与基底3的电荷密度相关，从而能够根据半导体器件的需要选择合适的第一膜层1的厚度、第二膜层2的厚度、第一膜层1的面电荷密度和第二膜层2的面电荷密度，从而使复合膜的固定电荷密度可调节，能调节复合膜对界面4的场效应钝化效应，从而能提高半导体器件的性能。
在本实施方式中，第一膜层1与基底3的界面4贴合，第二膜层2位于第一膜层1背对界面4的一侧。复合膜的固定电荷密度与第一膜层1的厚度、第一膜层1和第二膜层2的厚度之和、第一膜层1的固定面电荷密度、以及第二膜层2的固定面电荷密度相关。
其中，第一膜层1的厚度可以理解为第一膜层1到基底3(界面4)的距离，第一膜层1和第二膜层2的厚度之和可以理解为第二膜层2到基底3(界面4)的距离。在本实施方式中，第一膜层1对基底3的影响因素为第一膜层1所带的固定电荷与第一膜层1至基底3的距离，第二膜层2对基底3的影响因素为第二膜层2所带的固定电荷与第二膜层2至基底3的距离。
具体的，复合膜的固定电荷密度的计算公式如下：
Figure BDA0003207138340000051
其中，Q表示复合膜的固定电荷密度；Q1表示第一膜层1的固定面电荷密度；t1表示第一膜层1的厚度；Q2表示第二膜层2的固定面电荷密度；t2表示第二膜层2的厚度；t表示所述复合膜各处的厚度，也即复合膜各处到基底3(界面4)的距离；Q1和Q2其中之一为负数，另一为正数。复合膜的固定电荷密度的精确值可以通过计算机计算得到。
在本实施方式中，第一膜层1的厚度为0.1nm～10nm。例如，第一膜层1的厚度可以为0.1nm、1nm、5nm、8nm、10nm，或者其他数值。第二膜层2的厚度为0.1nm～10nm。例如，第二膜层2的厚度可以为0.1nm、1nm、4nm、8nm、10nm，或者其他数值。
在本实施方式中，第一膜层1的材料为氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一个，第二膜层2的材料也为氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一个，且第二膜层2的材料与第一膜层1的材料不同。
具体的，材料为氧化铝的膜层所带的固定电荷为负电荷，其固定负电荷密度量级为1012～1013/cm2。材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅的膜层所带的固定电荷为正电荷。材料为氮化硅的膜层的固定正电荷密度量级为1012/cm2，材料为氧化硅或氮氧化硅的膜层的固定正电荷密度量级为1010～1011/cm2。
本申请实施方式提供的复合膜对基底3的影响因素包括：第一膜层1所带的固定电荷种类和密度、第二膜层2所带的固定电荷种类和密度、第一膜层1与基底3之间的距离、第二膜层2与基底3之间的距离。而膜层所带的固定电荷种类和密度与膜层的材料相关。通过对第一膜层1、第二膜层2进行材料的选择和厚度的调整，可以实现复合膜的固定电荷密度可调。
在一些具体的应用场景中，可以根据基体的不同，调节复合膜内固定电荷的密度、复合膜的厚度，即调节第一膜层1和第二膜层2的材料、厚度，从而能够调节复合膜对界面4的场效应钝化效应，提高半导体器件的性能。
例如，在一个实施例中，基底3为硅材料，若复合膜有电荷密度，会影响具有该基底3的半导体器件的性能，则需要使复合膜的固定电荷密度为0。选择第一膜层1的材料为氮化硅，通过C-V测量技术，测得其固定电荷密度为2×1012/cm2；选择第二膜层2的材料为氧化铝，通过C-V测量技术，测得其固定电荷密度为-5×1012/cm2。第一膜层1的厚度为1nm，第二膜层2的厚度为1.5nm。则第一膜层1到界面4的距离为1nm，第二膜层2到界面4的距离为2.5nm。此时复合膜的固定电荷密度约为0，满足要求。
在另一个实施例中，基底3为硅材料，需要复合膜呈现弱负电荷状态。选择第一膜层1的材料为氧化硅，通过C-V测量技术，测得其固定电荷密度为3×1011/cm2；选择第二膜层2的材料为氧化铝，通过C-V测量技术，测得其固定电荷密度为-5×1012/cm2。第一膜层1的厚度为1nm，第二膜层2的厚度为4nm。则第一膜层1到界面4的距离为1nm，第二膜层2到界面4的距离为5nm。此时复合膜的固定电荷密度约为-7×1011/cm2，满足要求。
本申请实施方式提供的复合膜可用于半导体器件相关领域，其中半导体相关器件包括：光伏太阳能电池、MOS场效应晶体管、薄膜晶体管(TFT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、三-五族化合物半导体功率器件、Ge(Germanium，锗)平面器件等。
对于太阳能电池，若复合膜带固定正电荷，可以将复合膜用作吸引电子、排斥空穴的屏障；若复合膜带固定负电荷，可以将复合膜用作吸引空穴、排斥电子的屏障。通过调节复合膜层内固定电荷的密度、复合膜层的厚度，增强膜层对界面4的场效应钝化效应，可大大提高光伏太阳能电池的转换效率。
对于MOS场效应晶体管，从硅晶体到非晶体的SiO2之间有个过渡层，Si-SiO2界面4的电学性能影响着晶体管的整体性能。因为SiO2薄膜固定电荷是正电荷，通过设置合适的复合膜，可降低SiO2薄膜中的固定电荷对器件的性能影响。
对于薄膜晶体管(TFT)，传统的栅绝缘层二氧化硅薄膜存在着固定电荷，极大影响着TFT工作的稳定性，通过设置合适的复合膜，调节膜层对界面4的场效应钝化效应，提高阻挡其他杂质粒子扩散的能力，从而提高器件稳定性。
对于高电子迁移率晶体管(HEMT)、三-五族化合物半导体功率器件、Ge平面器件，都可通过设置合适的复合膜，调节膜层对界面4的场效应，使其作为掩蔽杂质扩散的介质，从而提高器件性能。
请参阅图2。本申请实施方式还提供一种复合膜的制备方法，该复合膜可以是如上任一种实施方式提供的复合膜。该制备方法包括以下步骤：
步骤S100：确定基底3所需的复合膜的固定电荷密度的范围值；
步骤S200：选择第一膜层1的材料和厚度、以及第二膜层2的材料和厚度，使由第一膜层1和第二膜层2组成的复合膜的固定电荷密度在范围值内；
步骤S300：采用原子层沉积方法制备由第一膜层1和第二膜层2组成的复合膜。
在本实施方式中，该制备方法实施方式与复合膜的实施方式相对应，其能够实现复合膜的实施方式所解决的技术问题，相应的达到复合膜的实施方式的技术效果，具体的本申请在此不再赘述。
在上述步骤S300中，原子层沉积方法可以包括ALD原子层沉积技术和PEALD等离子体原子层沉积技术。通过原子层沉积薄膜技术可以实现对膜层厚度进行纳米级的精确控制，以制备高质量的致密薄膜。
在本实施方式中，通过对膜层材料的选择和膜层厚度的精确控制，从而使复合膜的固定电荷密度可调节。通过对膜层内固定电荷密度和膜层厚度的调节，从而增加膜层对界面4的场效应钝化效应，提高了半导体器件的电性能和稳定性。
需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本说明书的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本文引用的任何数值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合膜，其特征在于，所述复合膜由依次层叠设置的第一膜层和第二膜层组成，所述复合膜用于设置于基底上；
其中，所述第一膜层所带固定电荷的极性和所述第二膜层所带固定电荷的极性相反；所述第一膜层的厚度、所述第二膜层的厚度、所述第一膜层的面电荷密度和所述第二膜层的面电荷密度与所述基底的电荷密度相关。
2.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述第一膜层与所述基底的界面贴合，所述第二膜层位于所述第一膜层背对所述界面的一侧；所述复合膜的固定电荷密度与所述第一膜层的厚度、所述第一膜层和第二膜层的厚度之和、所述第一膜层的固定面电荷密度、以及所述第二膜层的固定面电荷密度相关。
3.根据权利要求2所述的复合膜，其特征在于，所述复合膜的固定电荷密度的计算公式如下：
Figure FDA0003207138330000011
其中，Q表示所述复合膜的固定电荷密度；Q1表示所述第一膜层的固定面电荷密度；t1表示所述第一膜层的厚度；Q2表示所述第二膜层的固定面电荷密度；t2表示所述第二膜层的厚度；t表示所述复合膜各处的厚度；所述Q1和Q2其中之一为负数，另一为正数。
4.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述第一膜层的厚度为0.1nm～10nm。
5.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述第二膜层的厚度为0.1nm～10nm。
6.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述第一膜层的材料为氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一个。
7.根据权利要求6所述的复合膜，其特征在于，所述第二膜层的材料为氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一个，且所述第二膜层的材料与所述第一膜层的材料不同。
8.根据权利要求7所述的复合膜，其特征在于，材料为氧化铝的膜层所带的固定电荷为负电荷，其固定负电荷密度量级为1012～1013/cm2。
9.根据权利要求7所述的复合膜，其特征在于，材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅的膜层所带的固定电荷为正电荷，材料为氮化硅的膜层的固定正电荷密度量级为1012/cm2，材料为氧化硅或氮氧化硅的膜层的固定正电荷密度量级为1010～1011/cm2。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的复合膜的制备方法，其特征在于，包括：
确定所述基底所需的复合膜的固定电荷密度的范围值；
选择所述第一膜层的材料和厚度、以及所述第二膜层的材料和厚度，使由所述第一膜层和第二膜层组成的复合膜的固定电荷密度在所述范围值内；
采用原子层沉积方法制备由所述第一膜层和第二膜层组成的复合膜。
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