[發明專利]立方氮化硼薄膜的p型摻雜方法

無效

• 申請號: 200710178682.5
• 申請日: 2007-12-04
• 公開（公告）號: CN101174558A
• 公開（公告）日: 2008-05-07
• 發明（設計）人: 鄧金祥;陳光華;何斌;張曉康;陳浩
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01L21/18
• 分類號: H01L21/18;H01L21/265;H01L21/24;H01L21/324;H01L21/268;C30B31/22
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明涉及一種寬禁帶、高硬度半導體材料—立方氮化硼(c-BN)的p型薄膜制備方法。該p型半導體薄膜將用于大功率、耐高壓、高頻電子器件，屬于化合物半導體材料領域。

背景技術

氮化硼(BN)屬于第三代半導體材料，是繼第一代半導體材料(以硅基半導體為代表)和第二代半導體材料(以砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)為代表)之后發展起來的新型寬帶隙半導體材料。在BN系統中，立方氮化硼(c-BN)具有非常出眾的物理、化學，機械性能。因此，有關它的材料制備與特性研究，以及器件化的探索近年來一直是各國科研工作者，以及諸如美國G.E、IBM，英國DeBeers等知名半導體公司普遍關注的研究課題。c-BN的硬度、熱導率僅次于金剛石；并且其抗化學腐蝕性和抗高溫氧化性明顯優于金剛石，尤其是它不像金剛石那樣與鐵族元素有親合性，特別適合鐵族金屬材料加工；當今，c-BN的實用化主要集中利用它的機械與力學性能，廣泛應用于磨具、刀具、工具的超硬涂層，精密窗口保護涂層，機床，航天，軍工等領域。

c-BN具有現知最寬的禁帶(顆粒E_g≈6.4eV；薄膜E_g≈6.0eV)，因此可以在很寬的光譜范圍內有很高的光透過率。它還可實現n型與p型摻雜，因此c-BN可以制備在特種環境下透明、高溫、高頻、大功率、抗輻射短波光電子器件。

c-BN自然界中并不存在，需要人工合成。1957年，美國GE公司的Wentorf用高溫高壓法(HTHP)首次合成了c-BN粉末。然而，HTHP設備要求苛刻，且只能制備c-BN顆粒，顆粒尺度小(最大到mm量級)且形狀不易改變，使應用受到限制。在1979年，Sokolowski首次報道使用低壓氣相沉積合成了更具應用前景的c-BN薄膜。從此，拉開了本征c-BN薄膜研究的序幕。

一種半導體材料實現器件化的基礎是實現它的p型與n型導電，而要實現器件微型化就得實現它的薄膜化。1987年，Osamu?Mishima等人在science上發表文章，報道在p型c-BN籽晶上采用HTHP法，原位摻雜外延出了n型c-BN顆粒。然而，低壓氣相沉積c-BN薄膜的成核、生長條件十分苛刻。若是直接移植HTHP法所使用的原位摻雜方法，在其制備過程中通入原位雜質，會抑制BN立方相的成核，很難同時制備出含立方相的BN薄膜。而且，摻雜劑在c-BN薄膜中的激活能在0.3～0.7eV(比硅高出十倍以上)，若是采用常規的半導體材料摻雜技術，雜質激活率很低，對電學性能改良不明顯，即很難實現對c-BN薄膜有效的p型摻雜。

發明內容

本發明所要克服的問題是：c-BN薄膜很難實現有效的p型摻雜。

為了克服上述問題，本發明提供一套特定的工藝流程：包括c-BN本征薄膜氣相生長，選用金屬鈹(Be)離子作為p型摻雜劑的離子注入摻雜，慢速與快速結合的熱激活工藝，可獲得p型c-BN薄膜，其電導率(～10^-5Ω^-1cm^-1)較本征薄膜(～10^-11Ω^-1cm^-1)增大十萬倍。

本發明的目的可通過如下技術流程實現：

(1)使用低壓氣相薄膜生長設備(例如射頻磁控濺射、離子束輔助沉積、電子回旋共振化學氣相沉積等)在襯底上沉積一層本征c-BN薄膜。

所述的襯底材料可以是單晶拋光硅片(Si)，金剛石薄膜，鎳片(Ni)，鈦片(Ti)，銅片(Cu)，SiC，WC，TiN等。

這層本征BN薄膜：薄膜厚度為200～800nm；立方相含量在40～95％；電導率在10^-11Ω^-1cm^-1的數量級上。

(2)本發明選用金屬鈹(Be)離子作為p型摻雜劑，對本征c-BN薄膜進行了離子注入摻雜。自由控制兩個獨立參量：注入鈹離子的能量和劑量，從而精確控制摻雜的深度和濃度分布，且摻雜的均勻性好，重復性高，有利于薄膜微電子器件及集成電路的大規模生產。

本發明提供離子注入鈹的能量范圍為80～200千電子伏特(KeV)。此參數由薄膜的立方相含量和厚度確定。

本發明提供的離子注入鈹的劑量范圍為5×10¹⁵～1×10¹⁷ion/cm²。