專利名稱：一種制備n型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種制備η型摻雜的立方氮化硼(c-BN) 薄膜的方法。
背景技術(shù)：
立方氮化硼(c-BN)因?yàn)樗某病拵?、高熱?dǎo)率、高電阻率、高熱穩(wěn)定性和化 學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)被稱為綜合性能最為優(yōu)異的第三代半導(dǎo)體材料，在高溫、高頻、大功率電子 器件方面有著廣泛的應(yīng)用前景。但是由于本征的c-BN薄膜屬于絕緣體，存在載流子濃度 低，電阻率高等缺點(diǎn)，阻礙了其在微電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)其在高溫、高頻、大功率 器件領(lǐng)域的應(yīng)用，必須通過摻雜的手段，提高載流子濃度，降低其電阻率。因此，實(shí)現(xiàn)c-BN 薄膜的有效摻雜是使其成為高溫電子材料的基礎(chǔ)，有著極其重要的意義。目前人們主要采用同步生長摻雜、高能離子注入以及雜質(zhì)擴(kuò)散摻雜等方法對半導(dǎo) 體薄膜材料摻雜。對于Si和GaAs等材料，上述摻雜方法都取得很好的摻雜效果，然而由 于c-BN薄膜本身在制備上的困難，禁帶寬度大等原因?qū)е耤-BN薄膜摻雜困難，目前人們對 c-BN薄膜的摻雜及電學(xué)性質(zhì)方面的研究還很少。特別是，由于c-BN薄膜在制備過程中普遍 要求荷能離子轟擊，造成沉積薄膜中存在很高的內(nèi)應(yīng)力，容易自動從襯底剝落，這就為沉積 達(dá)到微電子器件要求的c-BN厚膜造成了困難。另一方面，我們發(fā)現(xiàn)通過Si同步摻雜生長可以有效的減少c-BN薄膜的應(yīng)力，為制 備符合器件要求的c-BN厚膜創(chuàng)造了必要條件。另外，與離子注入相比，同步生長摻雜的方 法簡單，可以容易控制摻雜元素的濃度，還具有使雜質(zhì)原子均勻分布在薄膜內(nèi)的優(yōu)點(diǎn)。因此，同步生長摻雜制備η型c-BN薄膜對實(shí)現(xiàn)c_BN薄膜在高溫、高頻、大功率電 子器件方面的應(yīng)用有著重大的意義。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題針對當(dāng)前對C-BN薄膜材料摻雜研究的現(xiàn)狀，本發(fā)明的主要目的在于提供一種制 備η型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種制備η型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法，該 方法包括；選用Si (001)單晶作為襯底；用B靶作為立方氮化硼薄膜沉積的濺射靶，在該B靶上覆蓋有一位置可調(diào)的Si靶 作為Si摻雜立方氮化硼薄膜生長的摻雜源；采用兩個(gè)考夫曼寬束離子源沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜，主離子源采用Ar+離子 轟擊B靶和Si靶，同時(shí)以Ar+及N2+的混合離子束作為輔助離子源轟擊薄膜；對制備的Si摻雜立方氮化硼薄膜在隊(duì)保護(hù)下進(jìn)行高溫快速熱退火。3
上述方案中，所述B靶為高純B靶，不同Si的摻雜濃度nSi可通過調(diào)整Si靶覆蓋 B靶的面積來實(shí)現(xiàn)，即通過調(diào)整Si靶伸入到主離子源轟擊范圍內(nèi)所占靶材面積的大小來實(shí) 現(xiàn)。上述方案中，所述兩個(gè)考夫曼寬束離子源構(gòu)成雙離子束輔助沉積系統(tǒng)，該系統(tǒng)的 背景真空度為1.0Xl(T5Pa，且兩個(gè)考夫曼離子源能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)離子束的能量及束流大小。上述方案中，所述采用兩個(gè)考夫曼寬束離子源沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜的步 驟中，沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜時(shí)的襯底溫度Ts為460 500°C，工作氣體壓強(qiáng)Pd為 2. 0Χ1(Γ2 3. OXlO-2Pa0上述方案中，所述采用兩個(gè)考夫曼寬束離子源沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜的步 驟中，主離子源的離子能量及束流大小分別為U1 = 1200 1500eV，J1 = 45 55mA。上述方案中，所述采用兩個(gè)考夫曼寬束離子源沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜的步 驟中，輔助離子源的離子能量及束流大小分別為U2 = 300 350eV，J2 = 8. 0 9. 0mA，且 Ar+與N2+的束流比m為1 1。上述方案中，所述采用兩個(gè)考夫曼寬束離子源沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜的步 驟中，Si的摻雜濃度在0 2. 6at. %之間時(shí)保持立方氮化硼薄膜的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。上述方案中，所述對制備的Si摻雜立方氮化硼薄膜在N2保護(hù)下進(jìn)行高溫快速熱 退火的步驟中，退火溫度Ta為800 1000°C，退火時(shí)間tA為3 10分鐘。(三)有益效果本發(fā)明提供的這種制備η型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法，首先利用離子束輔助 沉積法制備高質(zhì)量Si摻雜c-BN薄膜，然后采用在隊(duì)保護(hù)下高溫快速熱退火來激活雜質(zhì)原 子，實(shí)現(xiàn)對c-BN薄膜的η型摻雜。通過調(diào)整Si靶伸入到主離子源轟擊范圍內(nèi)所占靶材面 積的大小來實(shí)現(xiàn)不同的Si摻雜濃度。該方法過程簡單、成本低，容易精確控制摻雜元素濃 度，還具有使雜質(zhì)原子均勻分布在薄膜內(nèi)的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明提供的制備η型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法流程圖；圖2為依照本發(fā)明實(shí)施例利用離子束輔助沉積系統(tǒng)制備Si摻雜c-BN薄膜的結(jié)構(gòu) 示意圖；圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例制備的Si摻雜c-BN薄膜的XPS光電子能譜圖；圖4為依照本發(fā)明實(shí)施例制備的不同Si摻雜濃度c-BN薄膜的傅立葉變換紅外光 譜；圖5為依照本發(fā)明實(shí)施例制備的Si摻雜濃度為2. 6at. %的c_BN薄膜的電阻隨溫 度的變化關(guān)系。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明提供的這種制備η型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法，采用離子束輔助沉積 (Ion Beam Assisted Deposition, IBAD)方法在制備高質(zhì)量的c_BN薄膜過程中同時(shí)摻入不4同含量的Si元素，然后通過在氮?dú)獗Ｗo(hù)下高溫快速熱退火處理，最終實(shí)現(xiàn)c-BN薄膜的η型 摻雜。通過對摻雜c-BN薄膜的傅立葉紅外光譜分析，表明當(dāng)Si摻雜含量不超過2. 6at. % 時(shí)，c-BN薄膜的組分與結(jié)構(gòu)基本保持不變，即Si摻雜不會影響薄膜相結(jié)構(gòu)。c-BN薄膜的 XPS光電子能譜及電學(xué)特性的測量結(jié)果表明，Si摻雜后c-BN薄膜呈η型，其室溫電阻率下 降4個(gè)量級，為實(shí)現(xiàn)c-BN薄膜作為高溫電子材料奠定了基礎(chǔ)。如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的制備η型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法流程圖， 該方法包括；步驟1 選用Si (001)單晶作為襯底；步驟2 用B靶作為立方氮化硼薄膜沉積的濺射靶，在該B靶上覆蓋有一位置可調(diào) 的Si靶作為Si摻雜立方氮化硼薄膜生長的摻雜源；步驟3 采用兩個(gè)考夫曼寬束離子源沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜，主離子源采用 Ar+離子轟擊B靶和Si靶，同時(shí)以Ar+及N2+的混合離子束作為輔助離子源轟擊薄膜；步驟4 對制備的Si摻雜立方氮化硼薄膜在隊(duì)保護(hù)下進(jìn)行高溫快速熱退火。在步驟2中，所述B靶為高純B靶，不同Si的摻雜濃度nSi可通過調(diào)整Si靶覆蓋 B靶的面積來實(shí)現(xiàn)，即通過調(diào)整Si靶伸入到主離子源轟擊范圍內(nèi)所占靶材面積的大小來實(shí) 現(xiàn)。在步驟3中，所述兩個(gè)考夫曼寬束離子源構(gòu)成雙離子束輔助沉積系統(tǒng)，該系統(tǒng)的 背景真空度為1.0Xl(T5Pa，且兩個(gè)考夫曼離子源能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)離子束的能量及束流大小。在步驟3中，沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜時(shí)的襯底溫度Ts為460 500°C，工作氣 體壓強(qiáng)Pd為2. 0 X 10_2 3. 0 X IO-2Pa0主離子源的離子能量及束流大小分別為U1 = 1200 1500eV，J1 = 45 55mA。所述采用兩個(gè)考夫曼寬束離子源沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜的 步驟中，輔助離子源的離子能量及束流大小分別為U2 = 300 350eV，J2 = 8. 0 9. OmA, 且Ar+與N2+的束流比m為1 1。Si的摻雜濃度在0 2. 6at. %之間時(shí)保持立方氮化硼 薄膜的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。在步驟4中，所述對制備的Si摻雜立方氮化硼薄膜在N2保護(hù)下進(jìn)行高溫快速熱 退火的步驟中，退火溫度Ta為800 1000°C，退火時(shí)間tA為3 10分鐘。實(shí)施例1)、生長所用的設(shè)備是離子束輔助沉積系統(tǒng)，包括沉積室、真空系統(tǒng)、襯底加熱及 控溫系統(tǒng)、樣品旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、離子源控制系統(tǒng)等；2)、用高純B靶作為濺射靶，在B靶上覆蓋有一位置可調(diào)的Si靶作為Si摻雜c-BN 薄膜生長的摻雜源；3)、樣品室背景真空度為1. OX KT5Pa ；4)、沉積Si摻雜c-BN薄膜，主離子源(Ar+離子束)的工藝條件為束流大小J1為 55mA，離子能量U1SlSOOeV;輔助離子源(Ar++N2+混合離子束)的工藝條件為束流大小J2 為8. 8mA,離子能量U2為300eV，Ar+ N2+的束流比為1 1 ；襯底溫度Ts為470°C，沉積期 間的工作壓強(qiáng)為2. OX 10 ,薄膜厚度h為120nm ；5)、控制Si靶伸入到主離子源轟擊面積的大小實(shí)現(xiàn)不同濃度的Si摻雜，Si摻雜 濃度nSi在 2. 6at. %之間;6)、為了激活雜質(zhì)原子，對樣品進(jìn)行氮?dú)獗Ｗo(hù)下高溫快速熱退火，退火溫度Ta為51000°C，退火時(shí)間、為5分鐘；7)、退火結(jié)束后，待爐溫降至室溫時(shí)，取出樣品。生長結(jié)果按照上述工藝條件，在Si (001)襯底上沉積了不同Si摻雜濃度的c-BN薄膜。圖 2為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明采用的離子束輔助沉積系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明通過控制Si靶在主離 子源轟擊區(qū)域所占面積的大小來實(shí)現(xiàn)不同濃度的Si摻雜。Si摻雜c-BN薄膜的XPS光電 子能譜(圖幻也確實(shí)顯示出雜質(zhì)Si元素的存在。圖4為利用上述工藝過程制備的不同 Si摻雜濃度c-BN薄膜的傅立葉變換紅外光譜圖。從圖4中可以看出，當(dāng)Si的摻雜濃度不 大于2. 6at. %時(shí)，c-BN薄膜的立方相含量保持在80% 85%之間，而當(dāng)Si摻雜濃度大于 2. 6at. %時(shí)，傅立葉紅外光譜上立方相吸收峰迅速下降，六方相的吸收方峰迅速上升，立方 相的生長受到明顯抑制，六方相含量迅速上升。另外從圖4還可以看出，隨著Si摻雜濃度的 增加，c-BN薄膜的立方相吸收峰的峰位逐漸向低波數(shù)方向移動，說明薄膜中的應(yīng)力得到了 相應(yīng)的釋放?；魻栃?yīng)及電阻率的測量結(jié)果表明Si摻雜c-BN薄膜呈η型，其室溫電阻率 從2Χ IO7 Ω · cm下降到2X IO3 Ω · cm, Si摻雜的c_BN薄膜電阻率隨溫度的變化關(guān)系(圖 5)表明該摻雜樣品具有半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，從圖4的斜率得到c-BN薄膜中Si的雜質(zhì)激活 能為 0. 29eV。本發(fā)明發(fā)明與背景技術(shù)相比所具有的有意義的結(jié)果本發(fā)明利用離子束輔助沉積技術(shù)成功制備出Si摻雜的C-BN薄膜，并且成功實(shí)現(xiàn) 了 c-BN薄膜的η型摻雜。由于Si摻雜會抑制薄膜中立方相的生成，所以Si摻雜的濃度不 能大于2.6at. %。與離子注入相比，該方法具有操作簡單、成本低，容易精確控制摻雜元素 濃度，且能使雜質(zhì)原子在薄膜中均勻分布等優(yōu)點(diǎn)。此外，Si摻雜還有效降低了 c-BN薄膜的 內(nèi)應(yīng)力，使得c-BN薄膜更為穩(wěn)定。通過Si同步生長摻雜制備的c-BN薄膜，其室溫電阻率 有效降低(電阻率下降4個(gè)量級)，為實(shí)現(xiàn)c-BN薄膜應(yīng)用于高溫、高頻、大功率微電子器件 領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求
1.一種制備η型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法，其特征在于，該方法包括；選用Si(OOl)單晶作為襯底；用B靶作為立方氮化硼薄膜沉積的濺射靶，在該B靶上覆蓋有一位置可調(diào)的Si靶作為 Si摻雜立方氮化硼薄膜生長的摻雜源；采用兩個(gè)考夫曼寬束離子源沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜，主離子源采用Ar+離子轟擊 B靶和Si靶，同時(shí)以Ar+及N2+的混合離子束作為輔助離子源轟擊薄膜；對制備的Si摻雜立方氮化硼薄膜在隊(duì)保護(hù)下進(jìn)行高溫快速熱退火。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備η型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法，其特征在于，所述B 靶為高純B靶，不同Si的摻雜濃度nSi可通過調(diào)整Si靶覆蓋B靶的面積來實(shí)現(xiàn)，即通過調(diào) 整Si靶伸入到主離子源轟擊范圍內(nèi)所占靶材面積的大小來實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備η型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法，其特征在于，所述兩 個(gè)考夫曼寬束離子源構(gòu)成雙離子束輔助沉積系統(tǒng)，該系統(tǒng)的背景真空度為1.0X10_5Pa，且 兩個(gè)考夫曼離子源能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)離子束的能量及束流大小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備η型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法，其特征在于，所述采 用兩個(gè)考夫曼寬束離子源沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜的步驟中，沉積Si摻雜立方氮化硼 薄膜時(shí)的襯底溫度Ts為460 500°C，工作氣體壓強(qiáng)Pd為2. OX 10_2 3. OX 10_2Pa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備η型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法，其特征在于，所述采 用兩個(gè)考夫曼寬束離子源沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜的步驟中，主離子源的離子能量及 束流大小分別為U1 = 1200 1500eV，J1 = 45 55mA。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備η型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法，其特征在于，所述采 用兩個(gè)考夫曼寬束離子源沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜的步驟中，輔助離子源的離子能量 及束流大小分別為U2 = 300 ;350eV，J2 = 8.0 9. 0mA，且Ar+與N2+的束流比m為1 1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備η型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法，其特征在于，所述 采用兩個(gè)考夫曼寬束離子源沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜的步驟中，Si的摻雜濃度在0 2. 6at. %之間時(shí)保持立方氮化硼薄膜的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備η型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法，其特征在于，所述對 制備的Si摻雜立方氮化硼薄膜在隊(duì)保護(hù)下進(jìn)行高溫快速熱退火的步驟中，退火溫度Ta為 800 1000°C，退火時(shí)間tA為3 10分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備n型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法，該方法包括；選用Si(001)單晶作為襯底；用B靶作為立方氮化硼薄膜沉積的濺射靶，在該B靶上覆蓋有一位置可調(diào)的Si靶作為Si摻雜立方氮化硼薄膜生長的摻雜源；采用兩個(gè)考夫曼寬束離子源沉積Si摻雜立方氮化硼薄膜，主離子源采用Ar+離子轟擊B靶和Si靶，同時(shí)以Ar+及N2+的混合離子束作為輔助離子源轟擊薄膜；對制備的Si摻雜立方氮化硼薄膜在N2保護(hù)下進(jìn)行高溫快速熱退火。本發(fā)明提供的這種制備n型摻雜的立方氮化硼薄膜的方法，過程簡單、成本低，容易精確控制摻雜元素濃度，還具有使雜質(zhì)原子均勻分布在薄膜內(nèi)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C23C14/34GK102051576SQ20091023708
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月4日
發(fā)明者應(yīng)杰, 張興旺, 范亞明 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所