专利名称：运用晶格应变制备高电子迁移率氢化纳米硅薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种半导体材料技术领域的制备方法，特别是一种运用晶格应变制备高电子迁移率氢化纳米硅半导体薄膜的方法。
背景技术：
硅晶体材料是当前半导体电子工业的支柱，因此硅材料光电性质的研究对半导体器件性能的改善具有非常重要的现实意义。对硅材料物理性质的研究一直是全世界应用物理科学技术研究工作的重点和热点，硅材料半导体器件的性能也因此得到不断的提升。材料尺寸的纳米化是获得新型结构材料和物理性能的一种可行方法，当体材料的尺寸在减小至纳米量级(若干个原子层)时，其内部的原子分布结构也呈现出多种变化的可能，同时也会带来其物理性质的显著改变。氢化纳米硅薄膜是一种新型的纳米结构半导体材料，其中包含大量纳米尺寸的硅晶粒，晶粒周围有许多氢原子，起到钝化表面缺陷等作用。电子迁移率的大小是决定半导体器件性能好坏的一个重要参数，可以利用材料内部结构晶格常数的差异，通过半导体异质材料的表面接触在界面上自然形成准二维的晶格应变薄层来提高器件结构的电子迁移率。
经对现有技术的文献检索发现，M.L.Lee等在杂志《J.Appl.Phys.》(应用物理杂志)第97卷(2005)011101页，“应变硅、锗硅、锗沟道在高电子迁移率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)上的应用”文章中详细报道了这种晶格应变技术的发展历史和当前进展，以及在商业化锗硅半导体电子器件中的运用情况，从中明显看出晶格应变技术可以极大地提高硅半导体中的电子迁移速度。到目前为止，氢化纳米硅薄膜的电子迁移率普遍较低，一般小于10cm2/Vs。即使是在利用单晶硅衬底晶格匹配和有序结构诱导作用下优化生长出的氢化纳米硅薄膜，其电子迁移率只达到102cm2/Vs量级，但是这些氢化纳米硅薄膜的内部几乎没有晶格应变。迄今为止还没有运用晶格应变技术来进一步提高氢化纳米硅薄膜电子迁移率的相关报道。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种运用晶格应变制备高电子迁移率氢化纳米硅薄膜的方法，使氢化纳米硅薄膜的电子迁移率高达103cm2/Vs量级，可与单晶硅相比拟，将能极大提高纳米硅薄膜器件的性能和应用效率。
本发明是根据以下的技术方案实现的，本发明用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法生长氢化纳米硅(nc-Si:H)薄膜，采用硅烷、氢气为生长源气体和单晶硅材料作为衬底；通过优化并固定磷烷掺杂浓度，改变调节射频溅射功率这一生长条件，调控硅晶粒的尺寸以及晶粒周围氢原子配置环境，实现晶粒内部的晶格结构应变，从而提高氢化纳米硅薄膜的电子迁移率。
所述的用等离子体增强化学气相沉积方法生长氢化纳米硅薄膜，射频溅射功率从30W变化到90W，并且在生长源气体中加入一定的磷烷(PH3)进行优化掺杂，本发明中掺杂比例固定为1.0％，衬底温度250℃，生长气压为1.0Torr，生长过程中硅烷流量只占总气流量的百分之一。
生长条件对氢化纳米硅薄膜中硅晶粒的形成，晶界结构，晶粒尺寸和分布具有决定性的作用，可以通过对生长条件的调控使得纳米尺寸硅晶粒的内部结构完全不同于体单晶硅材料，从而在氢化纳米硅晶粒内部引入晶格应变。实验发现等离子体增强化学气相沉积生长过程中调控生长条件如射频溅射功率可以在一定程度上抑制硅晶粒的尺寸，当硅晶粒尺寸减小到小于5-6nm时，在晶粒周围氢原子的作用下，晶粒内部晶格应变程度非常大，达到1-2％左右。如果此时晶界尺寸也仅有几个原子层且晶格有序，硅晶粒内部的晶格应变可以大大改变电子同晶格的相互作用，从而改善电子在氢化纳米硅薄膜中的输运特性。
本发明所制备的氢化纳米硅薄膜具有很好的电学性能，并具有高电子迁移率(达到103cm2/Vs量级)和高电导率(电导率在5.7-109.8Ω-1cm-1范围内)等优点。同时在单晶硅衬底上生长的氢化纳米硅薄膜与传统的硅半导体工业具有非常优越的兼容性，加工工艺成熟，有利于制作大规模集成电路。
具体实施例方式
以下结合实例进一步说明本发明的内容
氢化纳米硅薄膜优良电学性能(迁移率、载流子浓度和导电性能等)取决于半导体薄膜本身的内部结构和性质，而氢化纳米硅薄膜的生长和形成强烈地依赖于具体的生长条件。用等离子体增强化学气相沉积方法生长有序氢化纳米硅薄膜要求使用单晶硅作为衬底，衬底温度为250℃，且与靶之间距离固定为25mm，生长室的气压为1.0Torr。薄膜厚度通过溅射时间来控制，可以达到μm量级，薄膜的生长速度、晶粒平均尺寸、薄膜的微观结构、以及晶格应变等由改变射频溅射功率来调控。在一系列不同射频溅射功率条件下生长具有一定晶格应变的有序氢化纳米硅薄膜，便可以实现上述目标。
由于单晶硅衬底材料的使用，该类氢化纳米硅薄膜中的载流子输运参数的测量需要通过特定的变磁场霍耳效应检测方法，可以区分出氢化纳米硅薄膜中的迁移率、载流子浓度和电导率。对于生长条件为衬底温度250℃，生长气压1.0Torr，磷烷掺杂比例1.0％，沉积时间10小时，射频溅射功率分别为90，75，45和30W的四个实例，氢化纳米硅薄膜的晶格应变程度(负号表示压应变，正号表示拉应变)和室温下的输运参数分别如下表所示
可以清楚地看到，在合适的生长条件下，等离子体增强化学气相沉积方法可以在单晶硅衬底上生长出质量优良的具有一定晶格应变的氢化纳米硅薄膜，其电子迁移率得到提高，高达103cm2/Vs量级，电子浓度在1017cm-3量级，电导率在5.7-109.8Ω-1cm-1范围内可控。当然，晶格应变过大会影响晶体的有序程度，导致迁移率的降低。
权利要求
1.一种运用晶格应变制备高电子迁移率氢化纳米硅薄膜的方法，其特征在于，用等离子体增强化学气相沉积方法生长氢化纳米硅薄膜，采用硅烷、氢气为生长源气体和单晶硅材料作为衬底，通过优化并固定磷烷掺杂浓度，改变调节射频溅射功率这一生长条件，调控硅晶粒的尺寸以及晶粒周围氢原子配置环境，实现晶粒内部的晶格结构应变，从而使高密度有序纳米硅晶粒薄膜的电子迁移率提高到103cm2/Vs量级。
2.根据权利要求1所述的运用晶格应变制备高电子迁移率氢化纳米硅薄膜的方法，其特征是，所述的等离子体增强化学气相沉积方法，工艺参数为射频功率在30-90W范围内变化，磷烷掺杂比例固定为1.0％，衬底温度250℃，生长气压为1.0Torr，生长过程中硅烷流量只占总气流量的百分之一。
3.根据权利要求2所述的运用晶格应变制备高电子迁移率氢化纳米硅薄膜的方法，其特征是，通过在等离子体增强化学气相沉积生长过程中调控射频溅射功率来控制氢化纳米硅薄膜中电学性能迁移率、电子浓度和电导率。
4.根据权利要求3所述的运用晶格应变制备高电子迁移率氢化纳米硅薄膜的方法，其特征是，所述的电子迁移率最高达103cm2/Vs量级。
5.根据权利要求3所述的运用晶格应变制备高电子迁移率氢化纳米硅薄膜的方法，其特征是，所述的电子浓度在1017cm-3量级。
6.根据权利要求3所述的运用晶格应变制备高电子迁移率氢化纳米硅薄膜的方法，其特征是，所述的电导率在5.7-109.8Ω-1cm-1范围内。
全文摘要
一种半导体材料领域的运用晶格应变制备高电子迁移率氢化纳米硅薄膜的方法，用等离子体增强化学气相沉积方法生长氢化纳米硅薄膜，采用硅烷、氢气为生长源气体和单晶硅材料作为衬底，通过优化并固定磷烷掺杂浓度，改变调节射频溅射功率这一生长条件，调控硅晶粒的尺寸以及晶粒周围氢原子配置环境，实现晶粒内部的晶格结构应变，从而使高密度有序纳米硅晶粒薄膜的电子迁移率提高到10
文档编号C23C16/24GK1737999SQ200510029498
公开日2006年2月22日 申请日期2005年9月8日 优先权日2005年9月8日
发明者沈文忠, 陈新义, 陈红 申请人:上海交通大学