[发明专利]一种通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法，属于薄膜硅材料的制备技术领域。

背景技术

在硅半导体材料的研究中，对硅材料进行各种掺杂是非常重要的一道工艺。过渡金属掺杂的稀磁半导体，稀土掺杂的氢化非晶硅薄膜发光材料，以及深能级掺杂的中间带半导体材料都是近年来的研究热点，而且有些领域要求的掺杂浓度较高，远远超出掺杂元素在硅中的固溶度，从而不能通过传统的扩散工艺进行掺杂。目前对非晶硅和纳米晶硅薄膜进行金属掺杂，用的比较多的是离子注入，共溅射和金属有机化学气相沉积(以下称MOCVD)等方法。而这些方法各有局限性。例如，离子注入方法中，掺杂元素在样品中分布不均；共溅射法制备的薄膜缺陷较多；MOCVD法需要用到有剧毒的气体，对实验装置要求较高。

发明内容

本发明的目的是提出一种通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法，将已有的热丝化学气相沉积(以下称HWCVD)与磁控溅射技术相结合，用于制备金属掺杂的硅基薄膜，方便地实现不同浓度的掺杂，特别是实现过饱和浓度的掺入，而且不会引入其他不需要的杂质，还可通过氢化降低薄膜中的缺陷态密。

本发明提出的通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法，包括以下步骤：

(1)在真空腔的腔体壁上设置一个热丝化学气相沉积系统和一个磁控溅射系统，以高纯钨丝或钽丝作为热丝化学气相沉积系统的热丝源，使热丝源与所述的衬底之间的距离为5～15厘米，使样品座表面法线与热丝架平面的夹角为α，α＝75～85度，以待掺杂金属作为磁控溅射系统的溅射靶，样品座表面法线与溅射靶平面的夹角为β，β＝5～15度；

(2)将清洗后的衬底放入真空腔的样品座上，使真空腔的真空度高于1×10^-3帕；

(3)向真空腔中通入反应气体氩气、氢气和硅烷，三种气体的流量比为：氢气∶氩气∶硅烷＝(6～20)∶6∶(2～12)，使腔体内反应气体的气压为1～6帕，对热丝加热，使热丝温度达到1600～2000℃，对磁控溅射系统施加直流偏压，直流溅射的功率为66～120瓦，并使衬底座相对样品台的旋转速度为1～30转/分；

(4)打开磁控溅射靶材和热丝前的挡板，制备硅基薄膜。

本发明提出的通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法，与目前常用的硅薄膜掺杂方法如MOCVD、共溅射、离子注入等方法相比具有以下优点：

1、本发明方法与已有的MOCVD技术相比，没有用到有毒的有机金属气体，较安全环保而且不需要昂贵的MOCVD设备。另外，因为磁控溅射靶材成份单一，减少了引入其他杂质的机会。而且，磁控溅射技术比较成熟，多数金属的靶材可以方便地买到。

2、本发明方法与已有的共溅射技术相比，本方法可以通过控制磁控溅射的功率和通入气体中硅烷和氢气相对氩气的比值，以及样品台相对于磁控溅射靶的角度等三个参数来调节掺杂的量，可以很方便的控制薄膜中掺杂元素的含量，并在生长过程中通入氢气来减少薄膜中的缺陷。

3、本发明方法与已有的离子注入技术相比，离子注入得到的薄膜，掺杂元素在薄膜中的含量随深度一般是高斯分布，具有低浓度的分布尾，而本发明方法制备的薄膜掺杂元素的含量比较均匀，可实现突变掺杂。

4、本发明方法所需设备简单，掺杂量易于控制，可以实现高掺杂浓度，低离子损伤的薄膜制备，而且具有操作方便、重复可靠的特点，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是实施本发明通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法所用的装置的结构示意图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是用本发明方法制备的含钛硅薄膜中钛含量随薄膜深度变化的关系图。测量手段为俄歇电子能谱。

图4是用本发明方法制备的含钛硅薄膜中钛平均含量随着溅射功率的变化关系图。测量手段为俄歇电子能谱。

图1和图2中，1为真空腔体，2为磁控溅射系统，3为热丝化学气相沉积系统，4为热丝，5为样品台，6为样品座，7为磁控溅射靶，8为热丝化学气相沉积系统的进气口，其中5为样品台，6为样品座，9为样品夹。

具体实施方式

本发明提出的通过共生长对硅基薄膜进行掺杂的方法，所用的装置的结构如图1所示，本方法包括以下步骤：