一種立方氮化硼薄膜n型摻雜的方法

專利名稱：一種立方氮化硼薄膜n型摻雜的方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，特別是涉及一種實現立方氮化硼薄膜n 型摻雜的方法。
背景技術：
立方氮化硼(c-BN)是一種超硬、寬帶隙、高熱導率、高電阻率、高 熱穩定性和化學穩定性的III-V族化合物半導體材料。它與金剛石、碳化 硅和氮化鎵一起被稱為是繼硅、鍺及砷化鎵之后的第三代半導體材料，這 其中又以c-BN的綜合性能最為優異，在高溫、高頻、大功率電子器件方 面有著廣泛的應用前景。純凈的c-BN薄膜屬于絕緣體，存在著電阻率高， 載流子濃度低等缺點，限制了其在微電子器件領域的應用。只有通過摻雜 的手段，降低其電阻率，提高載流子濃度才能實現其在高溫、高頻、大功 率器件領域的應用。因此，展開對c-BN薄膜的有效摻雜的研究是實現c-BN 作為高溫電子材料的基礎，有著極其重要的意義。
利用高能離子注入、雜質擴散以及同步生長摻雜等方法，人們已經實 現了對多種半導體薄膜材料的摻雜，并推動了微電子及光電子器件的發 展。但是由于c-BN薄膜在材料制備上的困難，目前人們對c-BN薄膜材料 的摻雜以及電學性質等方面的研究還處于初級階段，具體體現為摻雜的 手段有限，多數采取同步生長摻雜，這對薄膜生長設備提出更高的要求； 慘雜元素單一，僅限于常見的Be、 Mg、 C、 Si等元素。利用離子注入S 離子的方法實現對c-BN薄膜摻雜的研究，目前還未見報道。常見對c-BN 薄膜摻雜S的方法為同步生長摻雜，相對于離子注入S而言，同步生長摻 雜對設備提出更高的要求，同時，S的摻雜劑量也不太容易控制。離子注 入進行半導體摻雜的方法對c-BN薄膜的生長設備沒有特殊要求，其摻雜 劑量和摻雜的深度可以精確控制，由離子注入而引起的損傷也可以通過熱 退火來消除。因此，利用離子注入S的方法實現對c-BN薄膜的n型摻雜相對于現有的同步生長摻雜有著不可比擬的優越性。

發明內容
針對當前對c-BN薄膜材料摻雜研究的現狀，本發明的目的在于提供 一種實現c-BN薄膜n型摻雜的方法。首先利用離子束輔助沉積實現高質 量c-BN薄膜的沉積，然后采用高能離子注入的方式將S離子注入到c-BN 薄膜內部，通過熱退火來消除損傷并激活雜質，實現對c-BN薄膜的n型 摻雜。通常單能量的離子在靶材料中呈高斯分布，本發明中分三步將不同 能量的S離子注入到c-BN薄膜中，從而實現雜質S在c-BN薄膜中的均 勻分布。該方法在不改變現有鍍膜設備的基礎之上，利用半導體生產線上 常用的高能離子注入設備，實現了 c-BN的n型摻雜，具有成本低、方法 簡便、使用廣泛、可移植性好等優點。
本發明解決技術問題所采用的技術方案是
1) 采用離子束輔助沉積在襯底上沉積制備c-BN薄膜；
2) 采用高能離子注入的方式將S離子注入到c-BN薄膜內部；
3) 采用熱退火來消除損傷并激活雜質，從而實現對c-BN薄膜的n型 摻雜。
其中，以晶向為001的硅單晶作為所述襯底，用B靶作為所述c-BN薄 膜沉積的濺射靶
進一步，沉積c-BN薄膜的裝置為雙離子束輔助沉積系統，其背景真空 度為lxl(T5Pa，系統配備的一個考夫曼主離子源和一個考夫曼輔離子源， 兩個離子源能夠獨立調節離子束的能量及束流密度。
進一步，沉積c-BN薄膜時的襯底溫度為200~600 °C，工作氣體壓強 為1.0 5.0X10—2pa。
進一步，考夫曼主離子源采用Ar+離子，其離子能量為1200 1500 eV， 束流密度分別為200 400 ^A/cm2。考夫曼輔離子源采用Ar+和Nz+混合離 子，其離子能量為300~500 eV，束流密度分別為60~90 /cm2， Ar+: N2 的束流比為1:1。
進一步，S注入c-BN薄膜時的離子能量為50 100keV，離子劑量為5進一步，其中熱退火是真空退火，退火溫度為700 900 °C，退火時間 為30 90分鐘。
進一步，離子注入是分三步將不同能量的S離子注入到c-BN薄膜中， 從而實現雜質S在c-BN薄膜中的均勻分布。
利用對離子束輔助沉積制備的c-BN薄膜進行S離子注入的方法，實現 了 c-BN薄膜的n型摻雜。由于不同能量離子注入深度不同，本發明采用 的不同能量離子依次注入的方法能夠實現雜質S在c-BN薄膜中的均勻分 布。與以前c-BN薄膜的同步生長摻雜以及雜質擴散摻雜相比，該方法對 c-BN薄膜的生長設備沒有特殊要求，具有摻雜劑量和摻雜的深度可以精 確控制、成本低、方法簡便、使用廣泛、可移植性好等優點。S離子注入 后c-BN薄膜的室溫電阻率明顯降低(電阻率下降4個量級)，為實現c-BN 基高溫、高頻、大功率電子器件奠定了基礎。
為進一步說明本發明的特征和技術方案，以下結合應用實例對本發明 作一詳細的描述


圖1為依照本發明實施例利用TRIM模擬的三種能量S離子注入c-BN 薄膜后，雜質S在c-BN薄膜中的濃度分布曲線；
圖2為依照本發明實施例制備的S注入c-BN薄膜后的俄歇電子能譜 (AES)圖3為依照本發明實施例制備的S離子注入Si襯底上c-BN薄膜前后
的傅立葉變換紅外光譜；
圖4為依照本發明實施例制備的S摻雜c-BN薄膜的電阻隨溫度的變化關系。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。生長工藝
1) 生長所用的設備是離子束輔助沉積系統，包括沉積室、真空系統、襯 底加熱及控溫系統、樣品旋轉系統、離子源控制系統等；
2) 用高純B靶作為濺射靶；
3) 樣品室背景真空度為lxlO—5Pa;
4) 首先沉積c-BN薄膜，主離子源(Ar+離子束)的工藝條件為束流密 度J,為360 nA/cm2，離子能量U!為1500 eV;輔助離子源(Ar++N2' 混合離子束)的工藝條件為束流密度J2為80 )iA/cm2，離子能量U，. 為300 eV， Ar+: N2+的束流比為1: 1，沉積期間的工作壓強為2.0x]0—2 Pa，薄膜厚度h為120 nm;
5) 然后將c-BN薄膜樣品取出，移至高能離子注入機工藝室中進行多步離 子注入，其工藝條件為工作壓強為4xl()4pa，注入s離子的能量r: 分別為50， 80和—100 keV，與之對應的離子劑量Q分別為1.3x1014， 0,8x1014， 2.9xl014ck2;
6) 為消除注入引起的損傷，對離子注入的樣品進行真空退火，退火溫度 TA為900 °C ，退火時間tA為60 min;
7) 退火結束后，待爐溫降至室溫時，取出樣品。
生長結果
按照上述工藝條件，在Si(OOl)襯底上沉積了 c-BN薄膜，并通過離子 注入不同能量的S離子，實現了 c-BN薄膜的n型摻雜。圖1給出了利用 TRIM模擬的在本實施例中雜質S在c-BN薄膜中的濃度分布曲線，結果 表明采用不同能量離子(50， 80及100keV)依次注入的方法能夠實現雜 質S在c-BN薄膜中的均勻分布。S離子注入后c-BN薄膜的俄歇電子能譜
(圖2)也確實顯示出雜質S元素的存在。離子注入前c-BN薄膜的傅立 葉變換紅外光譜(圖3)顯示，該樣品的立方相含量為92%，注入S離子 后，c-BN薄膜的FTIR光譜沒有明顯變化，表明離子注入后c-BN薄膜的 組分與結構仍然保持不變，即離子注入對薄膜的損傷較小。霍爾效應及電 阻率的測量結果表明S摻雜后c-BN薄膜呈n型，其室溫電阻率從5x106
Q cm下降到3x102 Q cm，即其室溫電阻率下降4個量級。S摻雜c-薄膜電阻隨溫度的變化關系(圖4)揭示出該樣品的半導體雜質導電特性，
并得到S的雜質激活能為0.32 eV。
至此已經結合優選實施例對本發明進行了描述。應該理解，本領域技 術人員在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，可以進行各種其它的改 變、替換和添加。因此，本發明的范圍不局限于上述特定實施例，而應由 所附權利要求所限定。
權利要求
1. 一種立方氮化硼薄膜n型摻雜的方法，其特征在于，材料的制備方法包括1)采用離子束輔助沉積在襯底上沉積制備立方氮化硼薄膜；2)采用高能離子注入的方式將硫離子注入到立方氮化硼薄膜內部；3)采用熱退火來消除損傷并激活雜質，從而實現對立方氮化硼薄膜的n型摻雜。
2. 根據權利要求l所述的立方氮化硼薄膜n型摻雜的方法，其特征在于， 以晶向為001的硅單晶作為所述襯底，用硼耙作為所述立方氮化硼薄膜 沉積的濺射耙。
3. 根據權利要求l所述的立方氮化硼薄膜n型摻雜的方法，其特征在于， 所述沉積立方氮化硼薄膜的裝置為雙離子束輔助沉積系統，其背景真空 度為1^<10—5帕斯卡，系統配備的一個考夫曼主離子源和一個考夫曼輔 離子源，兩個離子源能夠獨立調節離子束的能量及束流密度。
4. 根據權利要求l所述的立方氮化硼薄膜n型摻雜的方法，其特征在于， 所述沉積立方氮化硼薄膜時的襯底溫度為200 600 °C，工作氣體壓強 為1.0 5.0xl()J帕斯卡。
5. 根據權利要求3所述的立方氮化硼薄膜n型摻雜的方法，其特征在于， 所述考夫曼主離子源采用Ar+離子，其離子能量為1200 1500 eV，束流 密度分別為200~400 |aA/cm2。
6. 根據權利要求3所述的立方氮化硼薄膜n型摻雜的方法，其特征在于， 所述考夫曼輔離子源采用Ar+禾卩N2+混合離子，其離子能量為300 500 eV，束流密度分別為60 90)aA/cm2， Ar+: N/的束流比為l: 1。
7. 根據權利要求l所述的立方氮化硼薄膜n型摻雜的方法，其特征在于， 所述硫離子注入立方氮化硼薄膜時的離子能量為50 100 keV，離子劑 量為5xl0"cm—2。
8. 根據權利要求1所述的立方氮化硼薄膜n型摻雜的方法，其特征在于， 所述熱退火是真空退火，退火溫度為700 900°C，退火時間為30 90分鐘。
全文摘要
本發明是一種立方氮化硼(c-BN)薄膜n型摻雜的方法，該方法具體包括首先利用離子束輔助沉積(Ion Beam Assisted Depostion，IBAD)方法制備高質量的c-BN薄膜，然后依次注入不同能量(50，80及100keV)的硫(S)離子(總劑量為5×10¹⁴cm^-2)進入c-BN薄膜，最終實現c-BN薄膜的n型摻雜。該方法對c-BN薄膜的生長設備沒有特殊要求，具有摻雜劑量和摻雜的深度可以精確控制、成本低、方法簡便、使用廣泛、可移植性好等優點。
文檔編號H01L21/203GK101441997SQ20071017778
公開日2009年5月27日 申請日期2007年11月21日 優先權日2007年11月21日
發明者張興旺, 范亞明, 陳諾夫 申請人:中國科學院半導體研究所