CN1295759C - 氧气氛下等离子体氧化制备二氧化硅薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氧气氛下等离子氧化制备二氧化硅薄膜的方法。其步骤如下：先清洗硅片衬底去除表面自然氧化层，然后将硅片放入等离子体增强化学气相沉积装置的反应腔，反应腔抽真空至0.1～10Pa，将硅片加热至200℃～500℃，按流量100sccm～300sccm充入氧气，将等离子体增强化学气相沉积装置的射频电源功率调节至50W～100W，使射频电源电极间的气体发生辉光放电，进行等离子体氧化，氧化时间0.5h～2h，得二氧化硅薄膜。本发明方法仅用一种氧气气源，成本低、对环境无污染，且在低温下进行，操作安全。制得的二氧化硅薄膜厚度低于10nm，可用于晶体硅太阳能电池的双层减反射层或甚大规模集成电路的绝缘层。
Description
技术领域
本发明涉及氧气氛下等离子氧化制备二氧化硅薄膜的方法。
背景技术
二氧化硅薄膜是一种良好的表面钝化薄膜，在硅太阳电池和硅微电子器件中广泛应用。在硅太阳电池的表面，二氧化硅薄膜能够降低表面态密度和表面复合速率，从而提高了硅太阳电池的光电转换效率。同时，作为硅太阳电池表面减反射膜，能够改善电池的短波长光电响应。此外，在超薄(小于10nm)二氧化硅薄膜上淀积氮化硅(Si3N4)薄膜构成双层减反射膜以及直接氮化二氧化硅薄膜制备氮氧化硅(SiON)薄膜都有了一定研究。在微电子工艺方面，由于二氧化硅薄膜具有稳定的化学性质和电绝缘性质，在集成器件中作为表面钝化膜和多层布线层间介质膜。
在硅衬底上制备二氧化硅薄膜的常规方法主要有热氧化法和热分解淀积法。目前，等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced ChemicalVapoured Deposition，PECVD)制备二氧化硅薄膜引起广泛关注。
在热氧化法中，常用的氧化气氛包括：水蒸气、干燥氧气和潮湿氧气。它们在高温下与硅反应是：
氧化生长的特点是，生长出的SiO2中的硅来源于硅片表面。当硅表面形成一定厚度的SiO2层后，氧化剂必须以扩散的形式运动到Si-SiO2界面，再与硅反应生成SiO2。随着SiO2层的增厚，薄膜的生长速率将逐渐下降。用这种方法所生长二氧化硅薄膜的设备简单，容易操作，但是很难制备控制氧化速率，特别是难以制备出极薄的氧化层，如10nm以下的氧化层，而且极容易导致过渡族金属沾污。
热分解淀积氧化法是利用含硅的化合物经过热分解反应，在硅衬底表面淀积一层二氧化硅薄膜。作为热分解淀积二氧化硅薄膜常用的硅化合物有烷氧基硅烷和硅烷(SiH4)，其反应过程分别为：
与热氧化相比，热分解淀积法所需温度较低(600～800℃)，且可以淀积较厚的二氧化硅薄膜，也很难制备出超薄的二氧化硅薄膜。
等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法是采用硅烷和一氧化二氮气体作为源气体，通过源气体的互相作用，在硅衬底上制备二氧化硅薄膜。PECVD制备SiO2薄膜的过程很复杂，是一种无机聚合反应，其化学反应式为：
这种方法的特点是可以低温成膜(300～600℃)，生长速率快，可避免普通CVD由于水蒸气造成的针孔等缺陷。但是硅烷气体属于高爆、有毒性气体。
以上方法所生长二氧化硅薄膜在红外吸收谱的1070cm-1左右有强烈的吸收峰，不同于1106cm-1左右的间隙氧吸收峰。
发明内容
本发明的目的是提供一种能获得超薄的二氧化硅薄膜、操作安全、成本低、没有环境污染的氧气氛下等离子氧化制备二氧化硅薄膜的方法。
氧气氛下等离子氧化制备二氧化硅薄膜的方法，其步骤如下：
先清洗硅片衬底去除表面自然氧化层，然后将硅片放入等离子体增强化学气相沉积装置的反应腔，反应腔抽真空至0.1～10Pa，将硅片加热至200℃～500℃，按流量100sccm～300sccm充入氧气，将等离子体增强化学气相沉积装置的射频电源功率调节至50W～100W，使射频电源电极间的气体发生辉光放电，进行等离子体氧化，氧化时间0.5h～2h，得二氧化硅薄膜。
本发明中，所用的等离子体增强化学气相沉积装置为中国科学院沈阳科学仪器研制中心设计制造的PECVD-400型。
本发明采用在等离子体增强化学气相沉积装置中，通入氧气氛，在等离子作用下，通过激发氧分子得到氧等离子体，然后氧等离子体氧化硅衬底，在硅衬底上制备二氧化硅薄膜。
其制备原理是：
本发明方法仅用一种氧气气源，成本低、对环境无污染，且在低温下进行，操作安全，通过控制硅片的温度、氧气的流量、射频功率和氧化时间可以获得厚度低于10nm的超薄二氧化硅薄膜，这种超薄二氧化硅薄膜可用于晶体硅太阳能电池的双层减反射层或甚大规模集成电路的绝缘层。
附图说明
图1是本发明方法所采用的等离子体增强化学气相沉积装置示意图；
图中：1为反应腔；2为放置硅片衬底的样品架；3为附带加热装置的上电极；4为下电极；5为与真空泵连接的接口；6为气源进气口；
图2是实施例1制备的二氧化硅薄膜的红外吸收光谱。
图3是实施例1制备的二氧化硅薄膜的X光电子能谱(XPS)。
图4是实施例2制备的二氧化硅薄膜的红外吸收光谱。
具体实施方式
实施例1.
先清洗硅片衬底去除表面自然氧化层，然后将硅片放入等离子体增强化学气相沉积装置反应腔1的样品架2上，反应腔抽真空至1Pa，调节上电极附属加热装置将硅片加热至450℃，从气源进气口6充入氧气，控制氧气流量100sccm，调节射频电源功率为50W，使上电极3和下电极4间的氧气发生辉光放电产生等离子体，等离子体氧化硅衬底1h，得到厚度为3.5nm的二氧化硅薄膜。
所得二氧化硅薄膜的傅立叶红外吸收光谱和X光电子能谱(XPS)分别见图2和图3，从该样品的红外吸收光谱可以看到，波数为1065cm-1强吸收峰对应于二氧化硅的横向光学声子振动模式的非对称伸展模式。从XPS分析结果表明，99.8eV对应于单晶硅中Si-Si建的束缚能，我们认为这个信号来源于硅衬底，而104.2eV与SiO2中的Si+4(103.9eV，文献值)的束缚能比较符合。上面的图谱表明，采用该方法能够在硅片表面制备出一层很薄的二氧化硅薄膜。而用椭圆偏振仪测试出二氧化硅薄膜的厚度为3.5nm。
实施例2
操作步骤同实施例1，硅片加热至200℃，控制氧气流量300sccm，射频功率为100W，等离子体氧化0.5h，得到厚度为2.7nm的二氧化硅薄膜。
图4是实施例2得到的样品的红外吸收光谱图。对这个样品用椭圆偏振仪测量到的厚度为2.7nm。
Claims (1)
1.氧气氛下等离子体氧化制备二氧化硅薄膜的方法，其步骤如下：
先清洗硅片衬底去除表面自然氧化层，然后将硅片放入等离子体增强化学气相沉积装置的反应腔，反应腔抽真空至0.1～10帕斯卡，将硅片加热至200℃～500℃，按流量100～300标准立方厘米/分钟充入氧气，将等离子体增强化学气相沉积装置的射频电源功率调节至50～100瓦特，使射频电源电极间的气体发生辉光放电，进行等离子体氧化，氧化时间0.5～2小时，得二氧化硅薄膜。
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