專利名稱:n型CVD共摻雜金剛石薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種材料技術(shù)領(lǐng)域的制備方法,具體是一種n型CVD共摻雜金剛石薄膜的制備方法。
背景技術(shù):
金剛石是一種寬禁帶材料(Eg=5.5eV),它的電子和空穴遷移率十分高,室溫下分別為2000cm2/V.S和1600cm2/V.S,加之其優(yōu)異的力、熱、光學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性,金剛石是理想的半導(dǎo)體材料。p型金剛石半導(dǎo)體薄膜的技術(shù)比較成熟,其電導(dǎo)率可達(dá)103/Ωcm,空穴遷移率達(dá)1500cm2/V.S,并已用于制備肖特基二極管及場效應(yīng)管等半導(dǎo)體器件。但化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石n型摻雜并不成功,而高電導(dǎo)率的n型摻雜膜對于CVD金剛石在半導(dǎo)體方面的應(yīng)用至關(guān)重要。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn),Okano等人在《《Apply Physics A》(《應(yīng)用物理A)》1990,51344-346上發(fā)表的《Synthesis of n-Type Semiconducting DiamondFilm Using Diphosphorous Pentaoxide As the Doping Source》(以五氧化二磷為摻雜源制備n型金剛石薄膜)中,以P2O5為摻雜劑,用熱絲化學(xué)氣相沉積法(HFCVD)合成n型金剛石薄膜,磷的摻雜濃度達(dá)到1015cm-3,但其電導(dǎo)率卻很低,約10-4/Ωcm。Nakazawa等人在《Appl.Phys.Lett》(《應(yīng)用物理快報》)2003,822074-2077上發(fā)表的《Cathodoluminescence and Hall-effect measurements in sulfur-dopedchemical-vapor-deposited diamond》(硫摻雜CVD金剛石的陰極發(fā)光和Hall效應(yīng)測試)的試驗表明,硫摻雜的金剛石薄膜導(dǎo)電類型在大多數(shù)時候為n型,載流子濃度隨溫度的變化較大,但有時呈現(xiàn)p型導(dǎo)電,沒有理想的結(jié)果。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足,提出一種n型CVD共摻雜金剛石薄膜的制備方法。本發(fā)明利用化學(xué)氣相沉積技術(shù),采用共摻雜(p型摻雜原子和n型摻雜原子同時摻雜)的方法,實現(xiàn)在CVD金剛石中的n型摻雜,在現(xiàn)有n型摻雜的水平上綜合提高摻雜薄膜的電導(dǎo)率、電子遷移率和載流子濃度,得到高電導(dǎo)率的n型金剛石薄膜。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的,本發(fā)明是用液態(tài)丙酮為碳源,以固態(tài)三氧化二硼和液態(tài)二甲基二硫分別為硼原子(p型)和硫原子(n型)的摻雜源,用微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)工藝在硅襯底上制備n型共摻雜CVD金剛石薄膜。首先對硅襯底進(jìn)行預(yù)處理,然后置于微波加熱裝置反應(yīng)室中,反應(yīng)室抽真空后充入氫氣,用于產(chǎn)生加熱等離子體轟擊硅襯底表面,硅襯底溫度通過調(diào)節(jié)微波功率和硅襯底的位置來控制,溫度通過位于襯底基座背面的熱電偶測量。由反應(yīng)室的頂部饋入碳源氣體和摻雜源氣體(p型和n型摻雜原子),在微波的作用下產(chǎn)生活性氫原子和含碳活性基團(tuán),通過調(diào)節(jié)氣體流量來控制反應(yīng)氣氛的壓力和摻雜源的濃度,制備具有高電導(dǎo)率的共摻雜n型金剛石薄膜。
本發(fā)明適用于金剛石薄膜制備,其膜的厚度為1.0-3.0微米。
本發(fā)明在裝置中的反應(yīng)室抽真空后,充入一定量的氫氣,反應(yīng)室本底真空度高于1×10-3Pa,充入氫氣的壓強(qiáng)為1-3kPa。其作用在于產(chǎn)生的氫等離子體對硅襯底表面進(jìn)行轟擊清洗,活性氫原子是金剛石生長的促進(jìn)劑。
所述的通過調(diào)節(jié)氣體流量來控制反應(yīng)氣氛的壓力和摻雜原子的濃度,具體參數(shù)為氣體流量控制在100-120毫升/分之間,反應(yīng)氣氛的氣壓為1-3kPa,丙酮/氫氣為1-4%,硫/碳為1000-4000ppm,硼/硫為0.02-0.5ppm。
所述的微波作用,其功率為700W-1000W之間。
所述的n型CVD共摻雜金剛石薄膜,其電導(dǎo)率在1-10/Ωcm范圍內(nèi)。
磷和硫是兩種較有希望的施主雜質(zhì),它們均具有較小的活化能,其缺點是摻磷后金剛石晶格畸變較大,引起遷移率的較大減退,而硫在金剛石晶格中溶解度較小,不能提供較多的載流子。這些缺憾可以通過共摻雜的方法加以一定的補(bǔ)償。
本發(fā)明首次提出用共摻雜的方法實現(xiàn)CVD金剛石高電導(dǎo)率n型外延薄膜,選擇合適的共摻雜對進(jìn)行研究。金剛石晶格中合適的共摻雜對會降低因單一摻雜原子和基質(zhì)碳原子半徑之間的差別而引起的晶格畸變,從而提高晶格的完整性,有利于遷移率的提高;合適的共摻雜對將提高施主雜質(zhì)在金剛石中的溶解度;合適的共摻雜對如是施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時,它們之間由于庫侖作用可能會復(fù)合在一起進(jìn)入晶格,改變施主能級在禁帶中的位置,降低電離的活化能。這一方案的實現(xiàn)大大促進(jìn)CVD金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用。
在本發(fā)明中,p型和n型摻雜劑溶解于丙酮中,用氫氣鼓泡法將其攜帶進(jìn)入反應(yīng)室。與單一元素?fù)诫s相比,采用該技術(shù)制備的n型CVD金剛石薄膜其載流子濃度提高了2個數(shù)量級,載流子遷移率增大3-10倍。
具體實施例方式
結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供以下實施例實施例1將硅襯底用金剛石研磨膏研磨20分鐘,然后置于含有0.5μm金剛石砂的丙酮溶液中超聲波振動五分鐘,用離子水清洗吹干后放入反應(yīng)室,微波反應(yīng)室抽真空至1×10-3Pa,充入3kPa壓力的氫氣。開啟功率為700W的微波源,氫等離子體起輝后,在10秒內(nèi)溫度升到750℃,恒溫3分鐘。通入反應(yīng)氣體(氫氣、丙酮、硼源和硫源),調(diào)整反應(yīng)室壓力后開始CVD沉積金剛石薄膜,工藝參數(shù)為反應(yīng)氣氛壓力1kPa,氣體總流量100毫升/分,丙酮/氫氣為2%(體積比),硫/碳為1000ppm(原子數(shù)比),硼/硫為0.02(原子個數(shù)比)。薄膜的導(dǎo)電類型為n型,導(dǎo)電激活能為0.30eV,霍耳遷移率為8.2cm2V-1s-1,載流子濃度為5.3×1016cm-3。
實施例2將硅襯底用金剛石研磨膏和0.5μm的金剛砂混合研磨15分鐘,然后在丙酮溶液中超聲清洗,吹干后放入反應(yīng)室,微波反應(yīng)室抽真空至1×10-3Pa,充入3kPa壓力的氫氣。開啟功率為850W的微波源,氫等離子體起輝后,在10秒內(nèi)溫度升到750℃,恒溫3分鐘。通入反應(yīng)氣體(氫氣、丙酮、硼源和硫源),調(diào)整反應(yīng)室壓力后開始CVD沉積金剛石薄膜,工藝參數(shù)為反應(yīng)氣氛壓力2kPa,氣體總流量110毫升/分,丙酮/氫氣為2%(體積比),硫/碳為2000ppm(原子個數(shù)比),硼/硫為0.2ppm(原子數(shù)比)。薄膜的導(dǎo)電類型為n型,導(dǎo)電激活能為0.31eV,霍耳遷移率為70.1cm2V-1s-1,載流子濃度為2.92×1018cm-3。
實施例3
將硅襯底用0.5μm的金剛砂研磨15分鐘,然后在丙酮溶液中超聲清洗,吹干后放入反應(yīng)室,微波反應(yīng)室抽真空至1×10-3Pa,充入3kPa壓力的氫氣。開啟功率為1000W的微波源,氫等離子體起輝后,在10秒內(nèi)溫度升到750℃,恒溫3分鐘。通入反應(yīng)氣體(氫氣、丙酮、硼源和硫源),調(diào)整反應(yīng)室壓力后開始CVD沉積金剛石薄膜,工藝參數(shù)為反應(yīng)氣氛壓力3kPa,氣體總流量120毫升/分,丙酮/氫氣為3%(體積比),硫/碳為4000ppm(原子數(shù)比)硼/硫為0.5ppm(原子個數(shù)比)。薄膜的導(dǎo)電類型為n型,導(dǎo)電激活能為0.33eV,霍耳遷移率為29.1cm2V-1s-1,載流子濃度為3.6×1014cm-3。
權(quán)利要求
1.一種n型CVD共摻雜金剛石薄膜的制備方法,其特征在于,以液態(tài)丙酮為碳源,固態(tài)三氧化二硼和液態(tài)二甲基二硫分別為p型硼原子和n型硫原子的摻雜源,采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)將p型硼原子和n型硫原子兩種摻雜原子同時摻入到金剛石晶體中獲得共摻雜n型CVD金剛石薄膜首先對硅襯底進(jìn)行預(yù)處理,然后置于微波加熱裝置中的反應(yīng)室中,反應(yīng)室抽真空后充入氫氣,由反應(yīng)室的頂部饋入碳源氣體以及p型和n型摻雜源氣體,在微波作用下產(chǎn)生氫等離子體、活性氫原子和含碳、硼、硫的活性基團(tuán),通過調(diào)節(jié)氣體流量來控制反應(yīng)氣氛的壓力和摻雜原子的濃度,制備得到n型CVD共摻雜金剛石薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的n型CVD共摻雜金剛石薄膜的制備方法,其特征是,所述的反應(yīng)室抽真空后充入氫氣,具體為反應(yīng)室本底真空度高于或者等于1×10-3Pa,充入氫氣的壓強(qiáng)為1-3KPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的n型CVD共摻雜金剛石薄膜的制備方法,其特征是,所述的通過調(diào)節(jié)氣體流量來控制反應(yīng)氣氛的壓力和摻雜原子的濃度,具體參數(shù)為氣體流量控制在100-120毫升/分之間,反應(yīng)氣氛的氣壓為1-3kPa,丙酮/氫氣為1-4%,硫/碳為1000-4000ppm,硼/硫為0.02-0.5ppm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的n型CVD共摻雜金剛石薄膜的制備方法,其特征是,所述的微波作用,其功率為700W-1000W之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的n型CVD共摻雜金剛石薄膜的制備方法,其特征是,所述的n型CVD共摻雜金剛石薄膜,其電導(dǎo)率在1-10/Ωcm范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的n型CVD共摻雜金剛石薄膜的制備方法,其特征是,所述的n型CVD共摻雜金剛石薄膜,其膜的厚度為1.0-3.0微米。
全文摘要
一種材料技術(shù)領(lǐng)域的n型CVD共摻雜金剛石薄膜的制備方法。本發(fā)明以液態(tài)丙酮為碳源,固態(tài)三氧化二硼和液態(tài)二甲基二硫分別為p型硼原子和n型硫原子的摻雜源,采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)將p型硼原子和n型硫原子兩種摻雜原子同時摻入到金剛石晶體中獲得共摻雜n型CVD金剛石薄膜首先對硅襯底進(jìn)行預(yù)處理,然后置于微波加熱裝置中的反應(yīng)室中,反應(yīng)室抽真空后充入氫氣,由反應(yīng)室的頂部饋入碳源氣體以及p型和n型摻雜源氣體,在微波作用下產(chǎn)生氫等離子體、活性氫原子和含碳、硼、硫的活性基團(tuán),通過調(diào)節(jié)氣體流量來控制反應(yīng)氣氛的壓力和摻雜原子的濃度,得到薄膜。本發(fā)明綜合提高摻雜薄膜的電導(dǎo)率、電子遷移率和載流子濃度。
文檔編號C23C16/52GK1804115SQ20061002344
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月19日
發(fā)明者李榮斌, 徐建輝 申請人:上海電機(jī)學(xué)院