一种制造宽波段高吸收黑硅材料的方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种制造宽波段高吸收黑硅材料的方法，包括：获取P型重掺杂硅衬底；使用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀法（ICP-RIE）对硅衬底进行刻蚀，在硅衬底表面上形成黑硅层；在黑硅层表面沉积钝化层。本发明的实施例的方法中，采用的是P型重掺杂硅衬底，并且选用ICP-RIE对硅表面进行刻蚀，由于ICP刻蚀选择比高，均匀性好，刻蚀的垂直度和光洁度较高，因此可以获得更好的截面形貌且污染较少。刻蚀之后获得的黑硅材料再通过原子层沉积(ALD)在黑硅层表面沉积一层Al2O3钝化层，可以降低反射，减少表面电荷复合率。
【专利说明】一种制造宽波段高吸收黑硅材料的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电敏感材料【技术领域】，尤其是涉及一种制造宽波段高吸收黑硅材料 的方法。
[0002]
【背景技术】
[0003] 在半导体行业中，晶体硅材料由于其资源丰富、易获取、易提纯、易掺杂、耐高温等 诸多优点，在微电子、光伏产业、通信等领域有着非常广泛的应用。但同时晶体硅本身也有 其固有的缺陷：首先，晶体硅表面对可见光至红外光的反射很高，如果晶体硅的表面不做任 何处理，它对可见光至红外光的反射率在30%以上，对紫外光的反射高达50%以上；其次，晶 体硅材料禁带宽度在室温（300K)下为1. 124电子伏（eV)，这导致它对波长大于1100纳米 (nm)的近红外光的吸收率大大降低。因此在探测这些波段时，需要采用锗、铟镓砷等红外敏 感的材料来替代。但这些材料价格昂贵、热力学性能和晶体质量较差而且不能与现有的成 熟硅工艺兼容的缺点限制了其在硅基器件方面的应用。
[0004] 黑硅材料作为一种对普通晶体硅材料微结构化后得到的新型功能材料，其对近紫 外至近红外波段（250-2500nm)的光的吸收率比普通晶体硅材料高出很多。由于其超高的 光电导增益，黑硅材料产生的光电流是传统硅材料的几百倍，而且由于其与现有成熟的硅 工艺兼容性很好等优点，吸引了国内外众多的研究人员进行研究。
[0005] 前面提到，普通硅材料的禁带宽度为1. 124eV。采用湿法(酸法或者碱法）对硅表 面进行微结构处理之后，得到的黑硅材料在可见光区域到l〇〇〇nm左右都有很高的吸收率， 但是到llOOnm之后的吸收率仍然不是很高。采用单纯的反应离子刻蚀（RIE)硅材料得到 的黑硅材料吸收率在llOOnm之后的吸收率一样不是很理想。
[0006] 采用飞秒激光器照射的方法也可以得到黑硅材料，但是这样获得的黑硅材料由于 引入了杂质离子的掺杂，且对硅表面进行了为结构化处理，导致其对近紫外一近红外光的 吸收率可以达到90%以上的高吸收率。可见，飞秒激光照射法制备的黑硅材料不仅吸收波 段范围宽，而且在整个宽波段都保持这很高的吸收率。但是，飞秒激光器设备较昂贵，而且 不适合大面积制备黑硅材料。因此，探索更简易且有效的方法是必要的。
[0007] 黑硅材料是在硅材料基础上进行处理，处理之后得到的黑硅材料，其表面是森林 状的尖锥、金字塔或者针状，这使得黑硅具有很大的表面缺陷，而且引入了掺杂之后更是降 低了材料的光电转换性能。
[0008]
【发明内容】
[0009] 本发明的目的之一是提供一种制造黑硅材料的方法，其中根据该方法制造的黑硅 材料在宽波段上均具有高的吸收率。
[0010] 本发明公开的技术方案包括： 提供了一种制造宽波段高吸收黑硅材料的方法，其特征在于，包括：获取P型重掺杂硅 衬底；使用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀法对所述硅衬底进行刻蚀，在所述硅衬底表 面上形成黑硅层；在所述黑硅层表面沉积钝化层。
[0011] 本发明的一个实施例中，所述使用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀方法对所述 硅衬底进行刻蚀的步骤包括：清洗所述硅衬底；将清洗后的所述硅衬底置于刻蚀腔中，抽 真空至第一压强，并将温度保持在第一温度；向所述刻蚀腔中以第一流量通入六氟化硫气 体，以第二流量通入氧气；加射频对所述硅衬底进行刻蚀第一时间。
[0012] 本发明的一个实施例中，所述第一压强为ΚΓ8至1帕斯卡。
[0013] 本发明的一个实施例中，所述第一温度为-30至-50摄氏度。
[0014] 本发明的一个实施例中，所述第一流量为500至1200毫升/分钟。
[0015] 本发明的一个实施例中，所述第二流量为800至2000毫升/分钟。
[0016] 本发明的一个实施例中，所述第一时间为7至12分钟。
[0017] 本发明的一个实施例中，使用原子层沉积法在所述黑硅层表面沉积钝化层。
[0018] 本发明的一个实施例中，所述钝化层为氧化铝钝化层、二氧化硅钝化层或者氮化 娃钝化层。
[0019] 本发明的实施例的方法中，采用的是P型重掺杂硅衬底，并且选用ICP-RIE对硅表 面进行刻蚀，由于ICP刻蚀选择比高，均匀性好，刻蚀的垂直度和光洁度较高，因此可以获 得更好的截面形貌且污染较少。刻蚀之后获得的黑硅材料再通过ALD在黑硅层表面沉积一 层钝化层A1 203，可以降低反射，减少表面电荷复合率。
[0020]
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是本发明一个实施例的制造宽波段高吸收黑硅材料的方法的流程示意图。
[0022] 图2是根据本发明的一个实施例的方法制造的黑硅材料的截面示意图。
[0023] 图3是根据本发明的一个实施例的方法制造的黑硅材料的横截面扫描电子显微 镜图。
[0024] 图4是本发明一个实施例的在黑硅表面沉积钝化层之后的黑硅材料的截面示意 图。
【具体实施方式】
[0025] 下面将结合附图详细说明本发明的实施例的制造宽波段高吸收黑硅材料的方法 的具体步骤。
[0026] 图1是本发明一个实施例的制造宽波段高吸收黑硅材料的方法的流程示意图，下 面详细说明图1中的各个步骤。
[0027] 如图1所示，在步骤10中，首先获取P型重掺杂硅衬底。
[0028] 本发明的实施例中，黑硅材料是基于重掺杂硅衬底制备的，因此，首先在步骤10 中获取重掺杂娃衬底材料。一个实施例中，该重掺杂娃衬底材料可以为P型重掺杂娃衬底 材料。这里，P型重掺杂硅衬底材料是空穴导电的硅材料，例如，其可以是其中掺杂了硼的 硅材料，也可以是掺杂其他元素的P型硅。
[0029] 然后，在步骤12中，用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀法（ICP-RIE)对该P型 重掺杂硅衬底进行刻蚀，从而在该P型重掺杂硅衬底表面上形成黑硅层。
[0030] 一个实施例中，用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀法（ICP-RIE)对该P型重掺 杂硅衬底进行刻蚀的步骤可以进一步包括下述步骤： 清洗该P型重掺杂硅衬底； 将清洗后的所述硅衬底置于刻蚀腔中，抽真空至第一压强，并将温度保持在第一温 度； 向所述刻蚀腔中以第一流量通入六氟化硫气体，以第二流量通入氧气； 加射频对所述硅衬底进行刻蚀第一时间。
[0031] 本发明的一个实施例中，前述的第一压强可以为ΚΓ8至1帕斯卡（Pa)。
[0032] 本发明的一个实施例中，前述的第一温度可以为-30至-50摄氏度。
[0033] 本发明的一个实施例中，前述的第一流量可以为500至1200毫升/分钟（ml/ min)。
[0034] 本发明的一个实施例中，前述的第二流量可以为800至2000毫升/分钟（ml/ min)。
[0035] 本发明的一个实施例中，前述的第一时间可以为7至12分钟（min)。
[0036] 本发明的一个实施例中，清洗该P型重掺杂硅衬底的步骤可以包括：将所述P型重 掺杂硅衬底依次通过三氯乙烯、丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗。
[0037] 例如，本发明的一个实施例中，用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀法（ICP-RIE) 对该P型重掺杂硅衬底进行刻蚀的步骤的一个具体实例如下： 将P型重掺杂硅衬底依次通过三氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗干净； 然后，将洗干净的P型重掺杂硅衬底放入刻蚀腔中，抽真空至压强范围1〇_8?IPa，对 硅衬底降温并一直保持在_40°C，然后以500?1200ml/min的流量通入SF6气体，以800? 2000ml/min通入0 2，等腔体内的压力稳定后，加射频刻蚀7?12min，之后停止通入气体，再 次抽真空至1〇_8?IPa，然后通入氮气至1个标准大气压，之后打开腔室，把P型重掺杂硅 衬底取出。
[0038] 这样，可以得到高度从300纳米（nm)?5000nm、间距从200nm?500nm的尖锥或 者针状结构层，该结构层即为黑硅层。如图2至图3所示，其中图2为获得的黑硅材料（P 型重掺杂硅衬底及其上的黑硅层)的截面示意图，图3为黑硅材料的横截面扫描电子显微镜 (SEM)图。图2中，1为硅衬底，2为黑硅层。
[0039] 然后，在步骤14中，在该黑硅层上沉积形成钝化层。
[0040] 本发明的一个实施例中，该钝化层可以是氧化铝（A1203)钝化层。本发明的其他的 实施例中，该钝化层也可以是二氧化硅钝化层或者氮化硅钝化层。
[0041] 本发明的一个实施例中，可以使用原子层沉积（ALD)法在黑硅层上沉积形成钝化 层。
[0042] 图4示出了本发明一个实施例的沉积了钝化层的黑硅材料的截面示意图，其中1 为硅衬底，2为黑硅层，3为钝化层。
[0043] 例如，本发明的一个实施例中，使用原子层沉积法在黑硅层上沉积形成氧化铝钝 化层的具体过程如下： 首先，给ALD沉积室和承载室抽真空至0. 02托（Torr)以下； 然后，转动拉出样品杆，将上述刻蚀过后的P型重掺杂硅衬底放入样品台，之后给 loadlock抽真空，抽完之后打开ALD沉积室腔门，推送样品杆送入样品台，之后继续抽真空 10?20分钟（min)，同时上对ALD的具体运行参数进行设置，例如，载体气体（Carrier gas) 设置为6至10标况毫升每分钟（seem),晶片加热器（wafer heater)为150至300°C，腔壁加 热器（CW heater)为50至80°C，前驱体进入反应室的管道温度（Prcomp)设置为50至80°C， 循环次数（cycle)为200?400 ;前驱体TMA (trimethylaluminum)相关时间参数设置为： 冲剂量时间（Dose time)=0. 5秒（s)?5s，反应时间（Reaction time)= 10?20 s，净化时间 (Purge time)= 5 ?20s ;氧气相关时间参数设置为：Dose time=0. 3s ?3s, Reaction time= 10?20 s，Purge time= 15?25s。参数设置完成之后，打开前驱体瓶和氧气源阀，开始原 子层沉积。
[0044] 最后，待ALD运转结束之后，关闭前驱体瓶和氧气源阀，转动拉出样品杆，将沉积 了 A1203的P型重掺杂硅衬底拿出。
[0045] 这样，即获得了表面被修饰钝化了的黑硅材料。
[0046] 本发明的实施例的方法中，采用的是P型重掺杂硅衬底，并且选用ICP-RIE对硅表 面进行刻蚀，由于ICP刻蚀选择比高，均匀性好，刻蚀的垂直度和光洁度较高，因此可以获 得更好的截面形貌且污染较少。刻蚀之后获得的黑硅材料再通过ALD在黑硅层表面沉积一 层A1 203，可以降低反射，减少表面电荷复合率。
[0047] 经过测试，通过步骤12刻蚀之后得到的黑硅材料，在250-25000nm整个波段的光 吸收率高于95% ;经过ALD沉积AL203之后的黑硅材料在250- 25000nm整个波段的光吸收 率则高于98%，可见根据本发明的实施例的方法制造的黑硅材料在宽波段上具有相当高的 吸收率，而且本发明实施例的方法操作简便，成本可控。
[0048] 以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施 例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换 只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的"一个实 施例"表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。
【权利要求】
1. 一种制造宽波段高吸收黑硅材料的方法，其特征在于，包括： 获取p型重掺杂硅衬底； 使用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀法对所述硅衬底进行刻蚀，在所述硅衬底表面 上形成黑硅层； 在所述黑硅层表面沉积钝化层。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀 方法对所述硅衬底进行刻蚀的步骤包括： 清洗所述硅衬底； 将清洗后的所述硅衬底置于刻蚀腔中，抽真空至第一压强，并将温度保持在第一温 度； 向所述刻蚀腔中以第一流量通入六氟化硫气体，以第二流量通入氧气； 加射频对所述硅衬底进行刻蚀第一时间。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述第一压强为ΚΓ8至1帕斯卡。
4. 如权利要求2或者3所述的方法，其特征在于：所述第一温度为-30至-50摄氏度。
5. 如权利要求2或者3所述的方法，其特征在于：所述第一流量为500至1200毫升/ 分钟。
6. 如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述第二流量为800至2000毫升/分钟。
7. 如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述第一时间为7至12分钟。
8. 如权利要求1至7中任意一项所述的方法，其特征在于：使用原子层沉积法在所述 黑娃层表面沉积钝化层。
9. 如权利要求1或者8所述的方法，其特征在于：所述钝化层为氧化铝钝化层、二氧化 硅钝化层或者氮化硅钝化层。
【文档编号】H01L31/0236GK104064627SQ201410296521
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】李世彬, 王健波, 余宏萍, 张鹏, 吴志明 申请人:电子科技大学