[发明专利]一种立方氮化硼薄膜n型掺杂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种实现立方氮化硼薄膜n型掺杂的方法。

背景技术

立方氮化硼(c-BN)是一种超硬、宽带隙、高热导率、高电阻率、高热稳定性和化学稳定性的III-V族化合物半导体材料。它与金刚石、碳化硅和氮化镓一起被称为是继硅、锗及砷化镓之后的第三代半导体材料，这其中又以c-BN的综合性能最为优异，在高温、高频、大功率电子器件方面有着广泛的应用前景。纯净的c-BN薄膜属于绝缘体，存在着电阻率高，载流子浓度低等缺点，限制了其在微电子器件领域的应用。只有通过掺杂的手段，降低其电阻率，提高载流子浓度才能实现其在高温、高频、大功率器件领域的应用。因此，展开对c-BN薄膜的有效掺杂的研究是实现c-BN作为高温电子材料的基础，有着极其重要的意义。

利用高能离子注入、杂质扩散以及同步生长掺杂等方法，人们已经实现了对多种半导体薄膜材料的掺杂，并推动了微电子及光电子器件的发展。但是由于c-BN薄膜在材料制备上的困难，目前人们对c-BN薄膜材料的掺杂以及电学性质等方面的研究还处于初级阶段，具体体现为：掺杂的手段有限，多数采取同步生长掺杂，这对薄膜生长设备提出更高的要求；掺杂元素单一，仅限于常见的Be、Mg、C、Si等元素。利用离子注入S离子的方法实现对c-BN薄膜掺杂的研究，目前还未见报道。常见对c-BN薄膜掺杂S的方法为同步生长掺杂，相对于离子注入S而言，同步生长掺杂对设备提出更高的要求，同时，S的掺杂剂量也不太容易控制。离子注入进行半导体掺杂的方法对c-BN薄膜的生长设备没有特殊要求，其掺杂剂量和掺杂的深度可以精确控制，由离子注入而引起的损伤也可以通过热退火来消除。因此，利用离子注入S的方法实现对c-BN薄膜的n型掺杂相对于现有的同步生长掺杂有着不可比拟的优越性。

发明内容

针对当前对c-BN薄膜材料掺杂研究的现状，本发明的目的在于提供一种实现c-BN薄膜n型掺杂的方法。首先利用离子束辅助沉积实现高质量c-BN薄膜的沉积，然后采用高能离子注入的方式将S离子注入到c-BN薄膜内部，通过热退火来消除损伤并激活杂质，实现对c-BN薄膜的n型掺杂。通常单能量的离子在靶材料中呈高斯分布，本发明中分三步将不同能量的S离子注入到c-BN薄膜中，从而实现杂质S在c-BN薄膜中的均匀分布。该方法在不改变现有镀膜设备的基础之上，利用半导体生产线上常用的高能离子注入设备，实现了c-BN的n型掺杂，具有成本低、方法简便、使用广泛、可移植性好等优点。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

1)采用离子束辅助沉积在衬底上沉积制备c-BN薄膜；

2)采用高能离子注入的方式将S离子注入到c-BN薄膜内部；

3)采用热退火来消除损伤并激活杂质，从而实现对c-BN薄膜的n型掺杂。

其中，以晶向为001的硅单晶作为所述衬底，用B靶作为所述c-BN薄膜沉积的溅射靶

进一步，沉积c-BN薄膜的装置为双离子束辅助沉积系统，其背景真空度为1×10^-5Pa，系统配备的一个考夫曼主离子源和一个考夫曼辅离子源，两个离子源能够独立调节离子束的能量及束流密度。

进一步，沉积c-BN薄膜时的衬底温度为200～600℃，工作气体压强为1.0～5.0×10^-2Pa。

进一步，考夫曼主离子源采用Ar⁺离子，其离子能量为1200～1500eV，束流密度分别为200～400μA/cm²。考夫曼辅离子源采用Ar⁺和N₂⁺混合离子，其离子能量为300～500eV，束流密度分别为60～90μA/cm²，Ar⁺∶N₂的束流比为1∶1。

进一步，S注入c-BN薄膜时的离子能量为50～100keV，离子剂量为5×10¹⁴cm^-2。

进一步，其中热退火是真空退火，退火温度为700～900℃，退火时间为30～90分钟。

进一步，离子注入是分三步将不同能量的S离子注入到c-BN薄膜中，从而实现杂质S在c-BN薄膜中的均匀分布。