[发明专利]一种制备硅纳米晶薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米加工技术领域，尤其涉及一种采用磁控溅射法制备硅纳米晶薄膜的方法。

背景技术

如果说20世纪是微电子技术与产业充分章显魅力的世纪，那么，21世纪将是纳电子技术与产业不断摸索、成熟、发展的新世纪。

按照“摩尔定律”和等比例缩小原则，微电子技术正向纳米尺度方向加速推进，从传统微米芯片不断向小型化推进的角度来看，如果我们接受公认的纳米上限是100nm尺度，则在2000年微芯片研究者就制成了这样的纳米MOS器件。

然而，现在市面上主要的CMOS集成电路中器件的栅极宽度以低于50nm，真正进入了第一代纳米芯片的时代。更重要的是，与此同时，新型的基于纳米晶结构的器件引起了科技工作者的普遍关注，它的发展将引起人类认知上的新突破、技术上的新飞跃和工业上的新变革。它的发展和深入研究，必将给人类的生存和发展带来巨大的影响。那么，优质的纳米晶薄层的制备及其相关技术就是这座摩天大厦的坚实而重要的地基，可见其重要意义。

传统的制备硅纳米晶薄层的方法如MOCVD、PECVD、MBE、离子注入等方法，其缺点是不易大规模生产且制备手段较复杂。而用电子束蒸发制备硅纳米晶的方法较上述方法已有改善，但仍有一定问题。容易产生辐射损伤，从而破坏衬底和电介质膜。

而溅射工艺的台阶覆盖比蒸发好，辐射缺陷远小于电子束蒸发，成膜速率快于蒸发，在制作复合材料膜和合金时性能更好，这些优点使得溅射沉积技术成为大多数硅基工艺的最佳选择，且能很好的与硅基工艺兼容。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种采用磁控溅射法制备硅纳米晶薄膜的方法，以简化制备工艺，使之与传统的硅基工艺兼容。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种制备硅纳米晶薄膜的方法，该方法包括：

在硅衬底上热生长二氧化硅层；

将一定配比的硅粉末和二氧化硅粉末的混合物作为靶材通过磁控溅射法沉积至所述二氧化硅层上，形成富硅的混合物薄膜层；

在氮气气氛下将形成的混合物薄膜层高温退火形成硅纳米晶薄层。

上述方案中，所述硅衬底为平整洁净的低阻硅衬底、高阻硅衬底，或绝缘体上硅SOI结构衬底。

上述方案中，所述在硅衬底上热生长二氧化硅层的步骤中，采用高温热氧化方法生长二氧化硅层，具体高温热氧化条件为：

预热阶段，温度200℃，时间30秒，氧流量0.6升/分钟；

升温阶段，温度650℃，时间3.5秒，氧流量0.6升/分钟；

恒温阶段，温度700℃，时间660秒，氧流量0.6升/分钟。

上述方案中，所述在硅衬底上热生长二氧化硅层的步骤之后进一步包括：将待溅射的样品用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声波清洗。

上述方案中，所述磁控溅射法采用射频磁控溅射法。

上述方案中，所述将一定配比的硅粉末和二氧化硅粉末的混合物作为靶材通过磁控溅射法沉积至所述二氧化硅层上，形成富硅的混合物薄膜层的步骤包括：将5克的硅粉末和10克的二氧化硅粉末构成的混合物经过高温烧结形成靶材，该混合物的颗粒度均为300目；将制备好的靶材放到磁控溅射议上，采用射频磁控溅射沉积到待溅射的样品表面，具体工艺参数为：腔体真空度为1.1×10^-4Pa；射频功率为80W；电流为300mA；保护气体为纯度99.99％的Ar气，压强为1.5Pa。

上述方案中，所述在氮气气氛下将形成的混合物薄膜层高温退火形成硅纳米晶薄层的步骤包括：采用氮气保护，温度为1050℃，退火时间为1小时。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种采用磁控溅射法制备硅纳米晶薄膜的方法，具有工艺步骤简单、用途多、能与传统Si基CMOS工艺兼容的优点。采用本发明提供的方法制备的纳米晶直径在4至6nm，主要应用于硅单电子器件、单电子存储器、硅纳米晶浮栅存储器、纳米晶光电探测器等器件的制备中，适合大规模生产的要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明提供的制备硅纳米晶薄膜的方法流程图；

图2至图4是本发明提供的制备硅纳米晶薄膜的工艺流程图；其中，1为硅衬底，2为二氧化硅层，3为纳米混晶层；

图5和图6是本发明制备的硅纳米晶薄膜的透射电镜(TEM)表征(透射电镜照片)；

图7是本发明制备的硅纳米晶薄膜的拉曼光谱(Raman)表征(拉曼光谱图)；