ТОНКИЕ ПЛЕНКИ ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК H01L21/205 

Изобретение относится к новым материалам электроннной техники и технологии его получения.

Известен материал электронной техники [1] поликристаллического кремния, полученный методом вакуумно-плазменного осаждения кремния на подложку при температуре подложки 600°С, включающее последовательные операции предварительного плазменного травления подложки, напускания газовой смеси, плазменной диссоциации молекул газа и осаждения кремния на подложку.

В материале [1] средний размер кристаллов кремния составляет 0.2-1.0 мкм, что приводит к снижению влияния квантово-размерного эффекта и определяет ширину запрещенной зоны кристаллов на уровне 1.17 эВ (величина ширины запрещенной зоны кремния).

Доля кристаллов в объеме тонкой пленки варьируется от 55 до 80% при толщине пленки в 300 нм. Подводимая мощность составляет 25 Вт. Скорость натекания дисилана в реактор равна 0.7 стандартным см³, а скорость подачи водорода равна 2.8 стандартных см³. Отношение силана (или дисилана) к водороду равно 1:4. Рабочее давление в реакторе составляет 0.15 торр.

Недостатком этого способа изготовления тонких пленок поликристаллического кремния является большой средний размер кристаллов кремния, различные ориентации кристаллов кремния (111, 110, 311, 100) при их различном неконтролируемом распределении по размерам в тонкой пленке. Также для нагревания подложки требуется специальное устройство.

Наиболее близким к заявляемому является способ приготовления тонких пленок нанокристаллического кремния [2], заключающийся в вакуумно-плазменном осаждении субоксидов кремния с отдельными включениями нанокристаллов кремния при использовании газовой смеси силана и кислорода и последующего отжига при температуре 1000°С. Давление в реакторе составляло 23 Па.

Недостатками прототипа [2] являются малое содержание нанокристаллов кремния в тонкой пленке, снижающее квантовую эффективность процессов, высокая температура отжига, что приводит к ограничению числа использованных материалов подложки, а также образованию большого числа дефектных уровней в запрещенной зоне полупроводника благодаря субоксидным соединениям кремния.

Техническим результатом изобретения является получение пленок нанокристаллического кремния с высоким содержанием доли кристаллов с определенной ориентацией (111) при низкой температуре подложки.

Заявляемый способ его приготовления направлен на получение тонкой пленки содержащей нанокристаллы распределения по размерам, и значительной доли кристаллической фазы по отношению к аморфной фазе, с определенной ориентацией (111), что является техническим результатом способа.

Технический результат достигается тем, что в процессе вакуумно-плазменного осаждения величина содержания водорода повышается за счет увеличения скорости натекания его в реактор и составляет 40-50 стандартных см³ по абсолютной величине, и по отношению к содержанию силана около [SiH₄]:[H₂]=1:100, при снижении температуры подложки во время процесса напыления пленки до величины порядка 100°C. Процесс можно проводить при рабочем давлении газовой смеси 0,1-0,3 торр, величине подводимой мощности излучения 10-20 Вт.

Получение нанокристаллической пленки с определенным распределением по размерам кристаллов определенной ориентации достигается путем изменения температуры нагрева подложки в пределах от 80°C до 300°C.

Получение нанокристаллической пленки кремния с определенной шириной запрещенной зоны контролируется ее структурными свойствами, регулируемыми изменением натекания водорода в реактор, и при максимально возможной величине скорости натекания варьируется в пределах 1,17-1,77 эВ.

Пример конкретного выполнения может быть следующим:

1. Соотношение содержаний газов в газовой смеси при вакуумно-плазменном осаждении определяется скоростями их натекания в абсолютных величинах и равно: [SiH₄]=0.6 ст. см³; [SiF₄]=2,5 ст. см³; [Н₂]=40 ст. см³, а также их соотношением при задаваемой температуре подложки 100°С, подводимой мощности излучения 20 Вт, при рабочем давлении газовой смеси 0.3 торр.

2. При данных условиях напыления пленки значение среднего размера нанокристалов составляет 8,8 нм при стандартном отклонении по размеру 5.5 нм, доли кристаллической фазы около 70% и ширине запрещенной зоны пленки кремния 1.76 эВ.

Источники информации:

1. S. Hasegawa, E. Fujimoto, Т. Inokuma, Y. Kurata, Journal of Applied Physics, 1995, v.77, pp.357-366.

2. T. Inokuma, Y. Wakayama, T. Mwamoto, R. Aoki, Y. Kurata, S. Hasegawa, Journal of Applied Physics, 1998, v.83, N4, pp.2228-2234.

Использование: изобретение относится к новым материалам электронной техники и технологии их получения. Техническим результатом изобретения является получение пленок нанокристаллического кремния с высоким содержанием кристаллической фазы с ориентацией (111) при низкой температуре подложки. Сущность: во время вакуумно-плазменного осаждения кремния на подложку увеличивают скорость натекания в реактор молекулярного водорода при снижении температуры подложки. Полученная пленка гидрогенизированного нанокристаллического кремния содержит более 50% кристаллической фазы со средним размером кристаллов менее 10 нм. 2 с.п.ф-лы.

1. Пленка гидрогенизированного нанокристаллического кремния со средним размером кристаллов менее 10 нм, отличающаяся тем, что доля кристаллической фазы в объеме пленки более 50%, а ширина запрещенной зоны больше, чем значение 1,17 эВ.2. Способ приготовления пленки гидрогенизированного нанокристаллического кремния по п.1 путем вакуумно-плазменного осаждения кремния на подложку из газовой фазы, отличающийся тем, что вакуумно-плазменное осаждение производится при использовании газовой смеси силана, водорода и тетрафторида кремния в реакторе и отношении скоростей натекания газов водорода и силана более 100 и температуре подложки 80-300°С.