[发明专利]高密度硅纳米晶薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米半导体加工技术领域，特别是涉及一种采用电子束蒸发法配合离子注入法高密度硅纳米晶薄膜的制备方法。

背景技术

硅纳米晶薄膜层是光电子器件和纳米电子器件的重要、核心部件。这类器件包括：第三代纳米晶太阳能电池芯片、硅单电子器件、单电子存储器等。

首先，光电子组件中纳米结构逐渐成为主角，以第三代太阳能电池为例。在不断追逐高效率、低成本的道路上，人们从未停止前进的脚步。第一代硅基太阳能电池采用的体硅材料已被厚度几十微米的薄膜硅太阳能(Thin Film Solar Cell)材料所取代成为第二代太阳能电池的主流。很快纳米材料和结构的引进成为改善第二代太阳能电池特性的功臣，并且渐形第三代太阳能电池雏形。硅纳米晶薄膜层是最重要的成员之一，能够极大的提高现有太阳能电池效率。它的制备方法和特性研究已成国际研究热点。

其次，微电子器件在向着纳电子器件过渡。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。如果我们接受公认的纳米上限是100nm尺度则在2000年芯片研究者就制成了这样的MOS器件。现在的特征尺寸已做到32nm结点以下。未来将进入“深纳米”尺度。

传统的制备硅纳米晶薄层的方法如MOCVD、PECVD、MBE等方法，其缺点是制备的纳米晶密度低，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，但仍无法显著提高硅纳米晶在薄膜中的密度。

本发明人在进行高密度硅纳米晶在薄膜的研究中发现，通过离子注入法对已成混合物层中硅浓度进行再调制，可进一步提高硅纳米晶在薄膜的密度。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的硅纳米晶薄膜的制备方法存在的缺陷，而提供一种新的高密度硅纳米晶薄膜的制备方法，所要解决的技术问题是使其通过电子束蒸发一氧化硅靶材配合离子注入法制备高密度硅纳米晶薄膜，以解决硅纳米晶在混合物层中密度低的现有技术瓶颈，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种高密度硅纳米晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：A、在硅衬底上形成二氧化硅层；B、将一氧化硅作为靶材通过电子束蒸发法沉积至上述的二氧化硅层上，形成混合物薄膜层；C、向上述的混合物薄膜层中注入硅离子；以及D、将步骤C的混合物薄膜层进行退火，形成高密度的硅纳米晶薄层。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的高密度硅纳米晶薄膜的制备方法，其中所述的步骤A所述的硅衬底为低阻硅衬底、高阻硅衬底或绝缘体上硅结构衬底。

优选的，前述的高密度硅纳米晶薄膜的制备方法，其中所述的步骤A是采用高温热氧化方法形成二氧化硅层，包括：

预热阶段，温度100℃～300℃，时间20～30秒，氧流量大于0.5升/分钟；

升温阶段，温度600℃～650℃，时间3～4秒，氧流量大于0.6升/分钟；以及

恒温阶段，温度600℃～750℃，时间600～700秒，氧流量大于0.6升/分钟。

优选的，前述的高密度硅纳米晶薄膜的制备方法，其中所述的步骤A还包括：用丙酮、无水乙醇和去离子水依次对二氧化硅层进行超声波清洗。

优选的，前述的高密度硅纳米晶薄膜的制备方法，其中所述的步骤B中所述一氧化硅为200～250目的粉末。

优选的，前述的高密度硅纳米晶薄膜的制备方法，其中所述的步骤B包括：一氧化硅粉末烧结成靶材；电子束蒸发法的参数为：真空度大于1.1×10^-6Pa；蒸发时电流控制在280～330mA；保护气体为纯度高于99.99％的Ar气，压强为高于1.5Pa。

优选的，前述的高密度硅纳米晶薄膜的制备方法，其中所述的步骤C是通过离子注入法向混合物薄层中注入硅离子，具体过程为：将待注入硅片放入高能粒子植入机中；选择注入的离子，通过查该离子植入的投影射程与植入能量的关系表确定待植入的离子在该材料中的理论深度，随后由该数据计算出带注入离子的面密度推算出注入计量；通过上述确定的植入离子类型、能量和计量完成离子注入工艺。

优选的，前述的高密度硅纳米晶薄膜的制备方法，其中所述的步骤D是采用氮气保护下进行退火。

优选的，前述的高密度硅纳米晶薄膜的制备方法，其中所述的步骤D中所述的退火的温度为1000℃～1100℃，退火的时间为1～2小时。