[發明專利]一種立方氮化硼薄膜n型摻雜的方法

無效

• 申請號: 200710177783.0
• 申請日: 2007-11-21
• 公開（公告）號: CN101441997A
• 公開（公告）日: 2009-05-27
• 發明（設計）人: 張興旺;范亞明;陳諾夫
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L21/18
• 分類號: H01L21/18;H01L21/203;H01L21/265;H01L21/324
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，特別是涉及一種實現立方氮化硼薄膜n型摻雜的方法。

背景技術

立方氮化硼(c-BN)是一種超硬、寬帶隙、高熱導率、高電阻率、高熱穩定性和化學穩定性的III-V族化合物半導體材料。它與金剛石、碳化硅和氮化鎵一起被稱為是繼硅、鍺及砷化鎵之后的第三代半導體材料，這其中又以c-BN的綜合性能最為優異，在高溫、高頻、大功率電子器件方面有著廣泛的應用前景。純凈的c-BN薄膜屬于絕緣體，存在著電阻率高，載流子濃度低等缺點，限制了其在微電子器件領域的應用。只有通過摻雜的手段，降低其電阻率，提高載流子濃度才能實現其在高溫、高頻、大功率器件領域的應用。因此，展開對c-BN薄膜的有效摻雜的研究是實現c-BN作為高溫電子材料的基礎，有著極其重要的意義。

利用高能離子注入、雜質擴散以及同步生長摻雜等方法，人們已經實現了對多種半導體薄膜材料的摻雜，并推動了微電子及光電子器件的發展。但是由于c-BN薄膜在材料制備上的困難，目前人們對c-BN薄膜材料的摻雜以及電學性質等方面的研究還處于初級階段，具體體現為：摻雜的手段有限，多數采取同步生長摻雜，這對薄膜生長設備提出更高的要求；摻雜元素單一，僅限于常見的Be、Mg、C、Si等元素。利用離子注入S離子的方法實現對c-BN薄膜摻雜的研究，目前還未見報道。常見對c-BN薄膜摻雜S的方法為同步生長摻雜，相對于離子注入S而言，同步生長摻雜對設備提出更高的要求，同時，S的摻雜劑量也不太容易控制。離子注入進行半導體摻雜的方法對c-BN薄膜的生長設備沒有特殊要求，其摻雜劑量和摻雜的深度可以精確控制，由離子注入而引起的損傷也可以通過熱退火來消除。因此，利用離子注入S的方法實現對c-BN薄膜的n型摻雜相對于現有的同步生長摻雜有著不可比擬的優越性。

發明內容

針對當前對c-BN薄膜材料摻雜研究的現狀，本發明的目的在于提供一種實現c-BN薄膜n型摻雜的方法。首先利用離子束輔助沉積實現高質量c-BN薄膜的沉積，然后采用高能離子注入的方式將S離子注入到c-BN薄膜內部，通過熱退火來消除損傷并激活雜質，實現對c-BN薄膜的n型摻雜。通常單能量的離子在靶材料中呈高斯分布，本發明中分三步將不同能量的S離子注入到c-BN薄膜中，從而實現雜質S在c-BN薄膜中的均勻分布。該方法在不改變現有鍍膜設備的基礎之上，利用半導體生產線上常用的高能離子注入設備，實現了c-BN的n型摻雜，具有成本低、方法簡便、使用廣泛、可移植性好等優點。

本發明解決技術問題所采用的技術方案是：

1)采用離子束輔助沉積在襯底上沉積制備c-BN薄膜；

2)采用高能離子注入的方式將S離子注入到c-BN薄膜內部；

3)采用熱退火來消除損傷并激活雜質，從而實現對c-BN薄膜的n型摻雜。

其中，以晶向為001的硅單晶作為所述襯底，用B靶作為所述c-BN薄膜沉積的濺射靶

進一步，沉積c-BN薄膜的裝置為雙離子束輔助沉積系統，其背景真空度為1×10^-5Pa，系統配備的一個考夫曼主離子源和一個考夫曼輔離子源，兩個離子源能夠獨立調節離子束的能量及束流密度。

進一步，沉積c-BN薄膜時的襯底溫度為200～600℃，工作氣體壓強為1.0～5.0×10^-2Pa。

進一步，考夫曼主離子源采用Ar⁺離子，其離子能量為1200～1500eV，束流密度分別為200～400μA/cm²。考夫曼輔離子源采用Ar⁺和N₂⁺混合離子，其離子能量為300～500eV，束流密度分別為60～90μA/cm²，Ar⁺∶N₂的束流比為1∶1。

進一步，S注入c-BN薄膜時的離子能量為50～100keV，離子劑量為5×10¹⁴cm^-2。

進一步，其中熱退火是真空退火，退火溫度為700～900℃，退火時間為30～90分鐘。

進一步，離子注入是分三步將不同能量的S離子注入到c-BN薄膜中，從而實現雜質S在c-BN薄膜中的均勻分布。