專利名稱：一種實現低溫構筑高密度納米硅結構的方法
技術領域：
本發明涉及一種構筑納米硅結構的方法，尤其是一種低溫下實現高密度均勻分布 的納米硅結構的構筑方法，屬于納米光電子器件材料技術領域。
背景技術：
基于半導體硅基材料的光電子集成是21世紀新一代半導體器件的核心，也是現 代信息技術的硬件基礎。而硅基光源是實現Si單片光電集成最核心也是最基本的要素之 一，這不僅是當前材料科學和微電子學領域中的重大研究課題，也是該學科的國際研究前 沿，具有重要的基礎和應用研究意義。眾所周知，由于晶體硅是間接帶隙半導體材料，能帶窄，發光效率低，限制了其在 光電器件方面的應用，但是由于硅材料與目前成熟的微電子工藝的高度兼容性，科學家一 直不斷的對其進行探索。近十幾年來，許多實驗和理論研究工作表明，當Si材料的尺寸減 小到幾納米(與電子的德布羅意波長可相比擬)時，呈現出明顯的量子尺寸效應，極大的改 善其光學特性、發光效率。因此，基于這種物理特性的硅納米結構的構筑備受廣泛關注。目 前國際上制備硅納米結構主要通過等離子增強化學氣相沉積、熱絲化學氣相沉積、低壓化 學氣相沉積和離子注入等方法實現，這些方法具有高溫條件下生長或是需要高溫退火等特 點，不利于與當前微電子工藝相兼容。公告號為CN1688016A和CN1687482A的中國發明專利分別公開了納米硅基發 光復合薄膜的制備方法，這些方法利用等離子增強化學氣相沉積技術，通過低溫(小于50 ？ C)循環生長的方式獲取納米硅結構，其密度可達到1013/Cm2。然而，這種過低的生長溫 度易造成薄膜被氧化，不利于薄膜結構的穩定。最近國際上也有報道(Appl. Phys. Lett. 96，183105，2010年)，利用等離子增強化學氣相沉積技術，在生長溫度為370 ？ C，功率為 IOOOff條件下，通過提高反應氣壓可制備鑲嵌于SiNx介質的納米硅結構，但其密度最高僅 達 SXlOn/cm2。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提出一種低溫(小于300 ？ C)下構筑高密度均勻分 布的納米硅結構的方法，該方法利用等離子體增強化學氣相沉積技術，能夠制備出高密度 均勻分布的納米硅結構薄膜，并使得薄膜不易被氧化。為了解決以上技術問題，本發明一種實現低溫構筑高密度納米硅結構的方法，包 括以下步驟a)在平行板電容型射頻等離子體增強化學氣相沉積系統中，將已經過前期清 洗并烘干處理的襯底固定在電容極板的下極板的上表面，所述襯底為單晶硅片、石英片或 光學玻璃；b)調節電容極板的上、下極板之間的距離至2. 5-3cm,并將電容極板的下極板接 地，同時對其加熱，使襯底溫度達到220-280 C ；c)將硅烷、氫氣和氨氣的混合氣體通入反 應腔，使其從電容極板的上電極板的下表面勻速、緩慢進入兩極板之間，其中硅烷、氫氣和 氨氣的純度均為99. 9999% ；d)控制混合氣體中的硅烷、氫氣和氨氣流量比，其中固定硅烷
3和氨氣的流量比為5 :25sCCm，調節氫氣流量的大小，使其在60-110SCCm范圍，同時調制反 應室的抽氣口，使反應室氣壓保持在60 Pa不變；e)將射頻功率為15-40W的射頻信號加到 電容極板的上極板上，控制生長時間40分鐘。其中步驟d)中，調節氫氣流量的大小優選為90sCCm。本發明提供的一種實現低溫構筑高密度納米硅結構的方法，其優點可以歸納如 下(1)整個制備過程無需昂貴設備技術，工藝過程簡單，操作方便，成本低，并且與當前微 電子工藝相相兼容，易于實用化；(2)制備過程的工藝參數可精確調節，有很好的可控性和 重復性，可靠性高，能實現大面積生產；(3)納米硅結構的制備工藝是一個低溫過程，無需 高溫退火等后續處理，避免了高溫熱處理對薄膜微結構的改變導致的器件性能下降和成本 的提高；(4)通過調制氫氣流量，可在SiNx介質中實現高密度均勻分布的納米硅結構的調 控，由于納米硅結構表面為SiNx所鈍化，能有效地降低缺陷態密度，并且不易被氧化，非常 適用于構筑發光器件和光伏電池。
圖1是實施例1制備的鑲嵌于SiNx介質層的高密度均勻分布的納米硅結構在不 同放大倍數下的透射電鏡照片。圖2是圖1鑲嵌納米硅結構的SiNx薄膜的傅立葉變換紅外譜(FTIR)圖。圖3是圖1鑲嵌納米硅結構的SiNx薄膜的發光譜圖，插圖中的高亮度白光發光照 片為對應的薄膜發光圖片。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。制備前先對襯底進行清洗預處理先用去離子水對襯底進行沖洗，再用由HC1、 H2O2, H2O組成的配比為1 :2 5酸性清洗液沸煮5分鐘，之后用去離子水沖洗，最后用由 NH4OH, H2O2, H2O組成的配比為1 :2 6的堿性清洗液沸煮5分鐘，并用去離子水沖洗。沖洗 完畢對襯底進行烘干。實施例1
a)在平板電容型射頻等離子體增強化學汽相淀積設備(功率源頻率40.68MHz)中，將 經過預處理的單晶硅襯底放置在接地的下極板(陽極)上；
b)調節電容極板的上、下極板之間的距離至2.5 cm，加熱襯底溫度到250 ？ C，反應腔 壓力設置在60Pa ；
c)通入硅烷(SiH4)(含量100%)、氫氣(H2)和氨氣(NH3)的混合氣體作為反應氣體，其 中的SiH4、H2和NH3的純度均為99. 9999% ；
d)控制混合氣體中的SiH4、H2和NH3流量比，其中固定SiH4和NH3的流量比為5 25SCCm，調節H2流量的大小，使其為90sCCm ；
e)將射頻功率為30W，射頻頻率為40.68MHz的射頻信號加到上極板上，控制生長時間 40分鐘，制成本發明圖1所示的鑲嵌于SiNx介質層的高密度均勻分布硅納米結構。圖1中(a)和(b)顯示了制備得到的納米硅結構在不同放大倍數下的透射電鏡照 片，由圖1 (a)可看到，納米硅結構均勻分布于SiNx介質層中；由圖1 (b)可知納米硅顆粒平均尺寸為2.3 nm，顆粒密度為4.6X1012/cm2，納米硅顆粒為SiNx介質層所包圍，并且顆 粒與SiNx介質層之間邊界明銳。圖2是圖1鑲嵌納米硅結構的SiNx薄膜的傅立葉變換紅外譜(FTIR)圖。在 400-4000 cm—1范圍內，位于630 cm—1左右的吸收峰代表Si-H搖擺模(wagging mode)，位于 850 cnT1左右的吸收峰代表Si-N-Si伸縮模(stretching mode)，位于1170 cnT1左右的吸 收峰代表Si2N-H振動模(rocking mode)，位于2150 cnT1左右的吸收峰代表N2Si-H伸縮模 (stretching mode)，位于 3350 cnT1 左右的吸收峰代表 Si2N-H伸縮模(stretching mode)。 可以看到，譜中并沒有代表Si-O-Si伸縮模(stretching mode)的吸收峰(1050 cnT1)，說明 制備的薄膜沒有被氧化。圖3為圖1 SiNx薄膜的光致發光譜圖和發光照片，其中的光致發光譜是通過 Fluorolog-3熒光光譜儀在室溫下測量得到，激發波長為325nm。由圖可看到，發光峰主峰 位于600nm左右，譜峰半高寬較寬，達到1.05eV。插圖中的高亮度白光發光照片為對應的薄 膜發光圖片，為IOmW的He-Cd激光器325nm波長激發得到，這說明這種高密度的納米硅結 構薄膜發光強度強，具有較高的發光效率，從而可以切實應用于未來的光電器件。實施例2:
本實施例通過以下步驟低溫制備高密度均勻分布的納米硅結構
a)在平板電容型射頻等離子體增強化學汽相淀積設備(功率源頻率40.68MHz)中，將 清洗過的石英片放置在接地的下極板(陽極)上；
b)調節電容極板的上、下極板之間的距離至2.8 cm，加熱襯底溫度到280 ？ C，反應腔 壓力設置在60Pa;
c)通入硅烷(SiH4)(含量100%)、氫氣(H2)和氨氣(NH3)的混合氣體作為反應氣體，其 中的SiH4、H2和NH3的純度均為99. 9999% ；
d)控制混合氣體中的SiH4、H2和NH3流量比，其中固定SiH4和NH3的流量比為5 25SCCm，調節H2流量的大小，使其為60sCCm ；
e)將射頻功率15W，射頻頻率為40.68MHz的射頻信號加到上極板上，控制生長時間40 分鐘，制成本發明的鑲嵌于SiNx介質層的高密度均勻分布硅納米結構。實施例3:
本實施例通過以下步驟低溫制備高密度均勻分布的納米硅結構
a)在平板電容型射頻等離子體增強化學汽相淀積設備(功率源頻率40.68MHz)中，將 預處理過的光學玻璃放置在接地的下極板(陽極)上；
b)調節電容極板的上、下極板之間的距離至3cm，襯底溫度設置在220？ C，反應腔壓 力設置在60Pa;
c)通入硅烷(SiH4)(含量100%)、氫氣(H2)和氨氣(NH3)的混合氣體作為反應氣體，其 中的SiH4、H2和NH3的純度均為99. 9999% ；
d)控制混合氣體中的SiH4、H2和NH3流量比，其中固定SiH4和NH3的流量比為5 25SCCm，調節H2流量的大小，使其為IlOsccm ；
e)將射頻功率40W，射頻頻率為40.68MHz的射頻信號加到上極板上，控制生長時間40 分鐘，制成本發明的鑲嵌于SiNx介質層的高密度均勻分布硅納米結構。
權利要求
一種實現低溫構筑高密度納米硅結構的方法，其特征在于包括以下步驟a)在平行板電容型射頻等離子體增強化學氣相沉積系統中，將已經過前期清洗并烘干處理的襯底固定在電容極板的下極板的上表面，所述襯底為單晶硅片、石英片或光學玻璃；b)調節電容極板的上、下極板之間的距離至2.5 3cm，并將電容極板的下極板接地，同時對其加熱，使襯底溫度達到220 280 C；c)將硅烷、氫氣和氨氣的混合氣體通入反應腔，使其從電容極板的上電極板的下表面勻速、緩慢進入兩極板之間，其中硅烷、氫氣和氨氣的純度均為99.9999%；d)控制混合氣體中的硅烷、氫氣和氨氣流量比，其中固定硅烷和氨氣的流量比為525sccm，調節氫氣流量的大小，使其在60 110sccm范圍，同時調制反應室的抽氣口，使反應室氣壓保持在60Pa不變；e)將射頻功率為15 40W的射頻信號加到電容極板的上極板上，控制生長時間40分鐘。
2.根據權利要求1所述的一種實現低溫構筑高密度納米硅結構的方法，其特征在于 步驟d)中，調節氫氣流量的大小優選為90sCCm。
全文摘要
本發明公開了一種在低溫下實現構筑高密度納米硅結構的方法，屬于納米光電子器件材料技術領域。該方法包括以下步驟在平行板電容型射頻等離子體增強化學氣相沉積系統中，將襯底固定在電容極板的下極板的上表面；調節電容極板的上、下極板之間的距離，并將下極板接地，同時對其加熱；將硅烷、氫氣和氨氣的混合氣體通入反應腔，使其從電容極板的上電極板的下表面勻速、緩慢進入兩極板之間；控制混合氣體中的硅烷、氫氣和氨氣流量比，同時調制反應室的抽氣口，使反應室氣壓保持在60Pa不變；將射頻信號加到電容極板的上極板上，控制生長時間。本發明制備的高密度均勻分布的納米硅結構薄膜，能與當前微電子工藝相相兼容，易于實用化。
文檔編號C23C16/34GK101942649SQ20101051415
公開日2011年1月12日 申請日期2010年10月21日 優先權日2010年10月21日
發明者宋捷, 宋超, 張奕雄, 王祥, 郭艷青, 黃銳 申請人:韓山師范學院