立方氮化硼薄膜的p型掺杂方法

专利名称：：立方氮化硼薄膜的p型掺杂方法
技术领域：
：本发明涉及一种宽禁带、高硬度半导体材料一立方氮化硼(c-BN)的p型薄膜制备方法。该p型半导体薄膜将用于大功率、耐高压、高频电子器件，属于化合物半导体材料领域。
背景技术：
：氮化硼(BN)属于第三代半导体材料，是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表)和第二代半导体材料(以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表)之后发展起来的新型宽带隙半导体材料。在BN系统中，立方氮化硼(c-BN)具有非常出众的物理、化学，机械性能。因此，有关它的材料制备与特性研究，以及器件化的探索近年来一直是各国科研工作者，以及诸如美国G.E、IBM,英国DeBeers等知名半导体公司普遍关注的研究课题。c-BN的硬度、热导率仅次于金刚石；并且其抗化学腐蚀性和抗高温氧化性明显优于金刚石，尤其是它不像金刚石那样与铁族元素有亲合性，特别适合铁族金属材料加工；当今，c-BN的实用化主要集中利用它的机械与力学性能，广泛应用于磨具、刀具、工具的超硬涂层，精密窗口保护涂层，机床，航天，军工等领域。c-BN具有现知最宽的禁带(颗粒Eg^6.4eV;薄膜E^6.0eV),因此可以在很宽的光语范围内有很高的光透过率。它还可实现n型与p型掺杂，因此c-BN可以制备在特种环境下透明、高温、高频、大功率、抗辐射短波光电子器件。c-BN自然界中并不存在，需要人工合成。1957年，美国GE公司的Wentorf用高温高压法(HTHP)首次合成了c-BN粉末。然而，HTHP设备要求苛刻，且只能制备c-BN颗粒，颗粒尺度小(最大到mm量级)且形状不易改变，使应用受到限制。在1979年，Sokolowski首次报道使用低压气相沉积合成了更具应用前景的c-BN薄膜。从此，拉开了本征c-BN薄膜研究的序幕。一种半导体材料实现器件化的J^出是实现它的p型与n型导电，而要实现器件微型化就得实现它的薄膜化。1987年，OsamuMishima等人在science上发表文章，报道在p型c-BN籽晶上采用HTHP法，原位掺杂外延出了n型c-BN颗粒。然而，低压气相沉积c-BN薄膜的成核、生长条件十分苛刻。若是直接移植HTHP法所使用的原位掺杂方法，在其制备过程中通入原位杂质，会抑制BN立方相的成核，很难同时制备出含立方相的BN薄膜。而且，掺杂剂在c-BN薄膜中的激活能在0.3~0.7eV(比硅高出十倍以上)，若是采用常规的半导体材料掺杂技术，杂质激活率很低，对电学性能改良不明显，即很难实现对c-BN薄膜有效的p型^^杂。
发明内容本发明所要克服的问题是c-BN薄膜很难实现有效的p型掺杂。为了克服上述问题，本发明提供一套特定的工艺流程包括c-BN本征薄膜气相生长，选用金属铍(Be)离子作为p型掺杂剂的离子注入掺杂，慢速与快速结合的热激活工艺，可获得p型c-BN薄膜，其电导率(-l(r5Q—'cm")较本征薄膜(~10-"a'cm")增大十万倍。本发明的目的可通过如下技术流程实现(1)使用低压气相薄膜生长设备(例如射频磁控溅射、离子束辅助沉积、电子回旋共振化学气相沉积等)在村底上沉积一层本征c-BN薄膜。所述的衬底材料可以是单晶抛光硅片(Si),金刚石薄膜，镍片(Ni),钛片(Ti)，铜片(Cu),SiC,WC,TiN等。这层本征BN薄膜薄膜厚度为200-8OOnm;立方相含量在40~95%;电导率在lO-HaVm-1的数量级上。(2)本发明选用金属铍(Be)离子作为p型掺杂剂，对本征c-BN薄膜进行了离子注入掺杂。自由控制两个独立参量注入铍离子的能量和剂量，从而精确控制掺杂的深度和浓度分布，且掺杂的均匀性好，重复性高，有利于薄膜微电子器件及集成电路的大规^莫生产。本发明提供离子注入铍的能量范围为80-200千电子伏特(KeV)。此参数由薄膜的立方相含量和厚度确定。本发明提供的离子注入铍的剂量范围为5xl015~lxio17ion/cm2。(3)本发明提供一种管式炉慢速退火的杂质激活工艺。目的是使注入到薄膜内杂质分布均匀化；使铍离子迁移到晶格中的空位缺陷处，并由间隙位占据替代位，实现p型杂质的部分激活；修复注入损伤，减小结构缺陷，提高栽流子的迁移率；提高晶化程度，增大晶粒尺寸，进一步提高薄膜质量与电学性能；释放薄膜应力，增加薄膜与衬底的粘附性，有利于增加薄膜器件使用寿命。本发明提供的慢速退火温度为600~900°C;恒温时间为40~60分钟。慢速退火保护气体可使用高纯惰性气体(He，Ar等)(纯度99.999%)或者高纯氮气(N2)(纯度99.999%)。在将退火系统真空度抽到1Pa以下，通入保护性气体，开始升温，整个退火过程持续通气。(4)将经过步骤(3)的薄膜再进行激光辐照二次杂质激活工艺。激光辐照使薄膜表面温度迅速上升。退火温度为1000~1050°C,退火时间为20-40秒钟。目的是进一步提高了杂质激活效率，显著提升薄膜导电性。与已有技术相比，本发明的特征在于先采用气相薄膜生长工艺制备本征c-BN薄膜，后采用离子注入实现浓度与深度精确可控的掺杂；p型摻杂剂采用金属铍；采用了慢速退火与激光快速辐照二次杂质激活的两步工艺，使立方相含量在40%以上的c-BN薄膜的电导率增大近十万倍。具体实施例方式用以下实例来进一步介绍本发明。实例一l.在射频(13.56Hz)溅射系统中制备本征c-BN薄膜。溅射系统采用直径100mm的高纯h-BN(99.99%)热压靶。我们以半导体行业最常用的单晶硅片为例，采用n型抛光硅片作为衬底(电阻率2~4Qcm,厚度为0.3mm)。在沉积之前，衬底分别经过曱苯、丙酮、乙醇，25%氢氟酸溶液和去离子水超声清洗。系统预真空度在1.33x10-卞a以下。本实例薄膜具体生长工艺参数列于表1中。表l射频溅射系统制备立方氮化硼薄膜的参数<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>所制备的本征c-BN薄膜，其厚度约为900nm,立方相含量74%。电导率为1.8xlO,-W1。2.将制备好的c-BN薄膜做离子注入前常规的表面清洗，放入离子注入机中做金属铍注入掺杂。注入能量为200KeV，注入剂量为lxl016ion/cm2。3.将离子注入完毕的薄膜样品放入管式退火炉中进行氮气(N2)保护退火。用机械泵将管式炉于真空抽到1Pa以下，通入高纯氮气(99.999%),开始升温，在温度80(TC保温40分钟后，自然降温到室温，全程持续通于氮气。4.通过激光辐照使薄膜温度迅速达到IOO(TC,保持30秒。采用步骤l、2、3、4后，用真空蒸镀法在薄膜表面蒸镀了2wwx5wn的铝电极，然后做40(TC合金化(使铝电极与c-BN薄膜产生更好的欧姆接触)。用KEITHLEY高阻测试仪测量薄膜的表面电阻，计算了薄膜的电导率为A^xlO—SQ-icm-1(较其本征薄膜的电阻率增加了约十万倍)。与n型硅衬底有明显的异质结整流特性，成功制备出p型c-BN薄膜。实例二1.利用气相沉积制备本征c-BN薄膜，其厚度约为450nm,立方相含量40%。电导率为2xlO—"Q"cm"。2.将制备好的c-BN薄膜做常规表面清洗后，放入离子注入机中注入金属铍。注入能量为100KeV，注入剂量为5xl015ion/cm2。3.慢速退火。在温度900。C保温60分钟后，自然降温到室温，全程持续通高纯氮气保护。4.通过激光辐照使薄膜温度迅速达到1050°C，保持20秒。所得p型c-BN薄膜电导率为l^xlO^Q-icm^实例三1.利用气相沉积制备本征c-BN薄膜，其厚度约为200nm,立方相含量95%。电导率为1.3x1(T"Q-lcm-l。2.注入金属铍的注入能量为80KeV，注入剂量为lxl017ion/cm2。3.慢速退火。在温度600。C保温45分钟后，自然降温到室温，全程持续通保护气体高纯氮气。4.通过激光辐照使薄膜温度迅速达到IOO(TC,保持40秒。可得到电导率为S.SxlO—SQdcm-1的p型c-BN薄膜。权利要求1、一种立方氮化硼薄膜的p型掺杂方法，其特征在于，包括以下步骤(1)使用低压气相薄膜生长设备衬底上沉积一层本征c-BN薄膜，这层本征BN薄膜薄膜厚度为200～800nm；立方相含量在40～95％；电导率在10-9～10-11Ω-1cm-1；(2)选用金属铍离子作为p型掺杂剂，离子注入铍的能量范围为80～200千电子伏特；离子注入铍的剂量范围为5×1015～1×1017ion/cm2；(3慢速退火慢速退火温度为600～900℃；恒温时间为40～60分钟；(4)将经过步骤(3)退火的薄膜再进行激光辐照二次杂质激活工艺退火温度为1000～1050℃，退火时间为20～40秒钟。全文摘要立方氮化硼薄膜的p型掺杂方法属于宽带隙半导体薄膜掺杂领域。克服宽带隙超硬材料c-BN薄膜很难实现p型掺杂的困难，实现c-BN薄膜的有效p型掺杂。本发明步骤(1)使用低压气相薄膜生长设备衬底上沉积一层本征c-BN薄膜，这层本征BN薄膜薄膜厚度为200～800nm；立方相含量在40～95％；电导率在10^-9～10^-11Ω^-1cm^-1；(2)选用金属铍离子作为p型掺杂剂，离子注入铍的能量范围为80～200千电子伏特；离子注入铍的剂量范围为5×10¹⁵～1×10¹⁷ion/cm²。(3慢速退火慢速退火温度为600～900℃；恒温时间为40～60分钟。(4)将经过步骤(3)退火的薄膜再进行激光辐照二次杂质激活工艺退火温度为1000～1050℃，退火时间为20～40秒钟。本发明使立方相含量在40％以上的c-BN薄膜的电导率增大近十万倍。文档编号H01L21/18GK101174558SQ20071017868公开日2008年5月7日申请日期2007年12月4日优先权日2007年12月4日发明者斌何,张晓康,邓金祥,浩陈,陈光华申请人:北京工业大学