专利名称：一种立方氮化硼薄膜n型掺杂的方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种实现立方氮化硼薄膜n 型掺杂的方法。
背景技术：
立方氮化硼(c-BN)是一种超硬、宽带隙、高热导率、高电阻率、高 热稳定性和化学稳定性的III-V族化合物半导体材料。它与金刚石、碳化 硅和氮化镓一起被称为是继硅、锗及砷化镓之后的第三代半导体材料，这 其中又以c-BN的综合性能最为优异，在高温、高频、大功率电子器件方 面有着广泛的应用前景。纯净的c-BN薄膜属于绝缘体，存在着电阻率高， 载流子浓度低等缺点，限制了其在微电子器件领域的应用。只有通过掺杂 的手段，降低其电阻率，提高载流子浓度才能实现其在高温、高频、大功 率器件领域的应用。因此，展开对c-BN薄膜的有效掺杂的研究是实现c-BN 作为高温电子材料的基础，有着极其重要的意义。
利用高能离子注入、杂质扩散以及同步生长掺杂等方法，人们已经实 现了对多种半导体薄膜材料的掺杂，并推动了微电子及光电子器件的发 展。但是由于c-BN薄膜在材料制备上的困难，目前人们对c-BN薄膜材料 的掺杂以及电学性质等方面的研究还处于初级阶段，具体体现为掺杂的 手段有限，多数采取同步生长掺杂，这对薄膜生长设备提出更高的要求； 惨杂元素单一，仅限于常见的Be、 Mg、 C、 Si等元素。利用离子注入S 离子的方法实现对c-BN薄膜掺杂的研究，目前还未见报道。常见对c-BN 薄膜掺杂S的方法为同步生长掺杂，相对于离子注入S而言，同步生长掺 杂对设备提出更高的要求，同时，S的掺杂剂量也不太容易控制。离子注 入进行半导体掺杂的方法对c-BN薄膜的生长设备没有特殊要求，其掺杂 剂量和掺杂的深度可以精确控制，由离子注入而引起的损伤也可以通过热 退火来消除。因此，利用离子注入S的方法实现对c-BN薄膜的n型掺杂相对于现有的同步生长掺杂有着不可比拟的优越性。
发明内容
针对当前对c-BN薄膜材料掺杂研究的现状，本发明的目的在于提供 一种实现c-BN薄膜n型掺杂的方法。首先利用离子束辅助沉积实现高质 量c-BN薄膜的沉积，然后采用高能离子注入的方式将S离子注入到c-BN 薄膜内部，通过热退火来消除损伤并激活杂质，实现对c-BN薄膜的n型 掺杂。通常单能量的离子在靶材料中呈高斯分布，本发明中分三步将不同 能量的S离子注入到c-BN薄膜中，从而实现杂质S在c-BN薄膜中的均 匀分布。该方法在不改变现有镀膜设备的基础之上，利用半导体生产线上 常用的高能离子注入设备，实现了 c-BN的n型掺杂，具有成本低、方法 简便、使用广泛、可移植性好等优点。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是
1) 采用离子束辅助沉积在衬底上沉积制备c-BN薄膜；
2) 采用高能离子注入的方式将S离子注入到c-BN薄膜内部；
3) 采用热退火来消除损伤并激活杂质，从而实现对c-BN薄膜的n型 掺杂。
其中，以晶向为001的硅单晶作为所述衬底，用B靶作为所述c-BN薄 膜沉积的溅射靶
进一步，沉积c-BN薄膜的装置为双离子束辅助沉积系统，其背景真空 度为lxl(T5Pa，系统配备的一个考夫曼主离子源和一个考夫曼辅离子源， 两个离子源能够独立调节离子束的能量及束流密度。
进一步，沉积c-BN薄膜时的衬底温度为200~600 °C，工作气体压强 为1.0 5.0X10—2pa。
进一步，考夫曼主离子源采用Ar+离子，其离子能量为1200 1500 eV， 束流密度分别为200 400 ^A/cm2。考夫曼辅离子源采用Ar+和Nz+混合离 子，其离子能量为300~500 eV，束流密度分别为60~90 /cm2， Ar+: N2 的束流比为1:1。
进一步，S注入c-BN薄膜时的离子能量为50 100keV，离子剂量为5进一步，其中热退火是真空退火，退火温度为700 900 °C，退火时间 为30 90分钟。
进一步，离子注入是分三步将不同能量的S离子注入到c-BN薄膜中， 从而实现杂质S在c-BN薄膜中的均匀分布。
利用对离子束辅助沉积制备的c-BN薄膜进行S离子注入的方法，实现 了 c-BN薄膜的n型掺杂。由于不同能量离子注入深度不同，本发明采用 的不同能量离子依次注入的方法能够实现杂质S在c-BN薄膜中的均匀分 布。与以前c-BN薄膜的同步生长掺杂以及杂质扩散掺杂相比，该方法对 c-BN薄膜的生长设备没有特殊要求，具有掺杂剂量和掺杂的深度可以精 确控制、成本低、方法简便、使用广泛、可移植性好等优点。S离子注入 后c-BN薄膜的室温电阻率明显降低(电阻率下降4个量级)，为实现c-BN 基高温、高频、大功率电子器件奠定了基础。
为进一步说明本发明的特征和技术方案，以下结合应用实例对本发明 作一详细的描述
图1为依照本发明实施例利用TRIM模拟的三种能量S离子注入c-BN 薄膜后，杂质S在c-BN薄膜中的浓度分布曲线；
图2为依照本发明实施例制备的S注入c-BN薄膜后的俄歇电子能谱 (AES)图3为依照本发明实施例制备的S离子注入Si衬底上c-BN薄膜前后
的傅立叶变换红外光谱；
图4为依照本发明实施例制备的S掺杂c-BN薄膜的电阻随温度的变化关系。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。生长工艺
1) 生长所用的设备是离子束辅助沉积系统，包括沉积室、真空系统、衬 底加热及控温系统、样品旋转系统、离子源控制系统等；
2) 用高纯B靶作为溅射靶；
3) 样品室背景真空度为lxlO—5Pa;
4) 首先沉积c-BN薄膜，主离子源(Ar+离子束)的工艺条件为束流密 度J,为360 nA/cm2，离子能量U!为1500 eV;辅助离子源(Ar++N2' 混合离子束)的工艺条件为束流密度J2为80 )iA/cm2，离子能量U，. 为300 eV， Ar+: N2+的束流比为1: 1，沉积期间的工作压强为2.0x]0—2 Pa，薄膜厚度h为120 nm;
5) 然后将c-BN薄膜样品取出，移至高能离子注入机工艺室中进行多步离 子注入，其工艺条件为工作压强为4xl()4pa，注入s离子的能量r: 分别为50， 80和—100 keV，与之对应的离子剂量Q分别为1.3x1014， 0,8x1014， 2.9xl014ck2;
6) 为消除注入引起的损伤，对离子注入的样品进行真空退火，退火温度 TA为900 °C ，退火时间tA为60 min;
7) 退火结束后，待炉温降至室温时，取出样品。
生长结果
按照上述工艺条件，在Si(OOl)衬底上沉积了 c-BN薄膜，并通过离子 注入不同能量的S离子，实现了 c-BN薄膜的n型掺杂。图1给出了利用 TRIM模拟的在本实施例中杂质S在c-BN薄膜中的浓度分布曲线，结果 表明采用不同能量离子(50， 80及100keV)依次注入的方法能够实现杂 质S在c-BN薄膜中的均匀分布。S离子注入后c-BN薄膜的俄歇电子能谱
(图2)也确实显示出杂质S元素的存在。离子注入前c-BN薄膜的傅立 叶变换红外光谱(图3)显示，该样品的立方相含量为92%，注入S离子 后，c-BN薄膜的FTIR光谱没有明显变化，表明离子注入后c-BN薄膜的 组分与结构仍然保持不变，即离子注入对薄膜的损伤较小。霍尔效应及电 阻率的测量结果表明S掺杂后c-BN薄膜呈n型，其室温电阻率从5x106
Q cm下降到3x102 Q cm，即其室温电阻率下降4个量级。S掺杂c-薄膜电阻随温度的变化关系(图4)揭示出该样品的半导体杂质导电特性，
并得到S的杂质激活能为0.32 eV。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技 术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改 变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由 所附权利要求所限定。
权利要求
1. 一种立方氮化硼薄膜n型掺杂的方法，其特征在于，材料的制备方法包括1)采用离子束辅助沉积在衬底上沉积制备立方氮化硼薄膜；2)采用高能离子注入的方式将硫离子注入到立方氮化硼薄膜内部；3)采用热退火来消除损伤并激活杂质，从而实现对立方氮化硼薄膜的n型掺杂。
2. 根据权利要求l所述的立方氮化硼薄膜n型掺杂的方法，其特征在于， 以晶向为001的硅单晶作为所述衬底，用硼耙作为所述立方氮化硼薄膜 沉积的溅射耙。
3. 根据权利要求l所述的立方氮化硼薄膜n型掺杂的方法，其特征在于， 所述沉积立方氮化硼薄膜的装置为双离子束辅助沉积系统，其背景真空 度为1^<10—5帕斯卡，系统配备的一个考夫曼主离子源和一个考夫曼辅 离子源，两个离子源能够独立调节离子束的能量及束流密度。
4. 根据权利要求l所述的立方氮化硼薄膜n型掺杂的方法，其特征在于， 所述沉积立方氮化硼薄膜时的衬底温度为200 600 °C，工作气体压强 为1.0 5.0xl()J帕斯卡。
5. 根据权利要求3所述的立方氮化硼薄膜n型掺杂的方法，其特征在于， 所述考夫曼主离子源采用Ar+离子，其离子能量为1200 1500 eV，束流 密度分别为200~400 |aA/cm2。
6. 根据权利要求3所述的立方氮化硼薄膜n型掺杂的方法，其特征在于， 所述考夫曼辅离子源采用Ar+禾卩N2+混合离子，其离子能量为300 500 eV，束流密度分别为60 90)aA/cm2， Ar+: N/的束流比为l: 1。
7. 根据权利要求l所述的立方氮化硼薄膜n型掺杂的方法，其特征在于， 所述硫离子注入立方氮化硼薄膜时的离子能量为50 100 keV，离子剂 量为5xl0"cm—2。
8. 根据权利要求1所述的立方氮化硼薄膜n型掺杂的方法，其特征在于， 所述热退火是真空退火，退火温度为700 900°C，退火时间为30 90分钟。
全文摘要
本发明是一种立方氮化硼(c-BN)薄膜n型掺杂的方法，该方法具体包括首先利用离子束辅助沉积(Ion Beam Assisted Depostion，IBAD)方法制备高质量的c-BN薄膜，然后依次注入不同能量(50，80及100keV)的硫(S)离子(总剂量为5×10<sup>14</sup>cm<sup>-2</sup>)进入c-BN薄膜，最终实现c-BN薄膜的n型掺杂。该方法对c-BN薄膜的生长设备没有特殊要求，具有掺杂剂量和掺杂的深度可以精确控制、成本低、方法简便、使用广泛、可移植性好等优点。
文档编号H01L21/203GK101441997SQ20071017778
公开日2009年5月27日 申请日期2007年11月21日 优先权日2007年11月21日
发明者张兴旺, 范亚明, 陈诺夫 申请人:中国科学院半导体研究所