專利名稱：氧氣氛下等離子氧化制備二氧化硅薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧氣氛下等離子氧化制備二氧化硅薄膜的方法。
背景技術(shù)：
二氧化硅薄膜是一種良好的表面鈍化薄膜，在硅太陽電池和硅微電子器件中廣泛應(yīng)用。在硅太陽電池的表面，二氧化硅薄膜能夠降低表面態(tài)密度和表面復(fù)合速率，從而提高了硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，作為硅太陽電池表面減反射膜，能夠改善電池的短波長光電響應(yīng)。此外，在超薄(小于10nm)二氧化硅薄膜上淀積氮化硅(Si3N4)薄膜構(gòu)成雙層減反射膜以及直接氮化二氧化硅薄膜制備氮氧化硅(SiON)薄膜都有了一定研究。在微電子工藝方面，由于二氧化硅薄膜具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和電絕緣性質(zhì)，在集成器件中作為表面鈍化膜和多層布線層間介質(zhì)膜。
在硅襯底上制備二氧化硅薄膜的常規(guī)方法主要有熱氧化法和熱分解淀積法。目前，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(Plasma Enhanced ChemicalVapoured Deposition，PECVD)制備二氧化硅薄膜引起廣泛關(guān)注。
在熱氧化法中，常用的氧化氣氛包括水蒸氣、干燥氧氣和潮濕氧氣。它們在高溫下與硅反應(yīng)是
氧化生長的特點(diǎn)是，生長出的SiO2中的硅來源與硅片表面。當(dāng)硅表面形成一定厚度的SiO2層后，氧化劑必須以擴(kuò)散的形式運(yùn)動(dòng)到Si-SiO2界面，再與硅反應(yīng)生成SiO2。隨著SiO2層的增厚，薄膜的生長速率將逐漸下降。用這種方法所生長二氧化硅薄膜的設(shè)備簡單，容易操作，但是很難制備控制氧化速率，特別是難以制備出極薄的氧化層，如10nm以下的氧化層，而且極容易導(dǎo)致過渡族金屬沾污。
熱分解淀積氧化法是利用含硅的化合物經(jīng)過熱分解反應(yīng)，在硅襯底表面淀積一層二氧化硅薄膜。作為熱分解淀積二氧化硅薄膜常用的硅化合物有烷氧基硅烷和硅烷(SiH4)，其反應(yīng)過程分別為
與熱氧化相比，熱分解淀積法所需溫度較低(600～800℃)，且可以淀積較厚的二氧化硅薄膜，也很難制備出超薄的二氧化硅薄膜。
等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法是采用硅烷和一氧化二氮?dú)怏w作為源氣體，通過源氣體的互相作用，在硅襯底上制備二氧化硅薄膜。PECVD制備SiO2薄膜的過程很復(fù)雜，是一種無機(jī)聚合反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)式為
這種方法的特點(diǎn)是可以低溫成膜(300～600℃)，生長速率快，可避免普通CVD由于水蒸氣造成的針孔等缺陷。但是硅烷氣體屬于高爆、有毒性氣體。
以上方法所生長二氧化硅薄膜在紅外吸收譜的1070cm-1左右有強(qiáng)烈的吸收峰，不同于1106cm-1左右的間隙氧吸收峰。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能獲得超薄的二氧化硅薄膜、操作安全、成本低、沒有環(huán)境污染的氧氣氛下等離子氧化制備二氧化硅薄膜的方法。
氧氣氛下等離子氧化制備二氧化硅薄膜的方法，其步驟如下先清洗硅片襯底去除表面自然氧化層，然后將硅片放入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置的反應(yīng)腔，反應(yīng)腔抽真空至0.1～10Pa，將硅片加熱至200℃～500℃，按流量100sccm～300sccm充入氧氣，將等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置的射頻電源功率調(diào)節(jié)至50W～100W，使射頻電源電極間的氣體發(fā)生輝光放電，進(jìn)行等離子體氧化，氧化時(shí)間0.5h～2h，得二氧化硅薄膜。
本發(fā)明中，所用的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置為中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制中心設(shè)計(jì)制造的PECVD-400型。
本發(fā)明采用在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置中，通入氧氣氛，在等離子作用下，通過激發(fā)氧分子得到氧等離子體，然后氧等離子體氧化硅襯底，在硅襯底上制備二氧化硅薄膜。
其制備原理是
本發(fā)明方法僅用一種氧氣氣源，成本低、對(duì)環(huán)境無污染，且在低溫下進(jìn)行，操作安全，通過控制硅片的溫度、氧氣的流量、射頻功率和氧化時(shí)間可以獲得厚度低于10nm的超薄二氧化硅薄膜，這種超薄二氧化硅薄膜可用于晶體硅太陽能電池的雙層減反射層或甚大規(guī)模集成電路的絕緣層。


圖1是本發(fā)明方法所采用的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置示意圖；圖中1為反應(yīng)腔；2為放置硅片襯底的樣品架；3為附帶加熱裝置的上電極；4為下電極；5為與真空泵連接的接口；6為氣源進(jìn)氣口；圖2是實(shí)施例1制備的二氧化硅薄膜的紅外吸收光譜。
圖3是實(shí)施例1制備的二氧化硅薄膜的X光電子能譜(XPS)。
圖4是實(shí)施例2制備的二氧化硅薄膜的紅外吸收光譜。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1.
先清洗硅片襯底去除表面自然氧化層，然后將硅片放入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置反應(yīng)腔1的樣品架2上，反應(yīng)腔抽真空至1Pa，調(diào)節(jié)上電極附屬加熱裝置將硅片加熱至450℃，從氣源進(jìn)氣口6充入氧氣，控制氧氣流量100sccm，調(diào)節(jié)射頻電源功率為50W，使上電極3和下電極4間的氧氣發(fā)生輝光放電產(chǎn)生等離子體，等離子體氧化硅襯底1h，得到厚度為3.5nm的二氧化硅薄膜。
所得二氧化硅薄膜的傅立葉紅外吸收光譜和X光電子能譜(XPS)分別見圖2和圖3，從該樣品的紅外吸收光譜可以看到，波數(shù)為1065cm-1強(qiáng)吸收峰對(duì)應(yīng)于二氧化硅的橫向光學(xué)聲子振動(dòng)模式的非對(duì)稱伸展模式。從XPS分析結(jié)果表明，99.8eV對(duì)應(yīng)于單晶硅中Si-Si建的束縛能，我們認(rèn)為這個(gè)信號(hào)來源于硅襯底，而104.2eV與SiO2中的Si+4(103.9eV，文獻(xiàn)值)的束縛能比較符合。上面的圖譜表明，采用該方法能夠在硅片表面制備出一層很薄的二氧化硅薄膜。而用橢圓偏振儀測試出二氧化硅薄膜的厚度為3.5nm。
實(shí)施例2操作步驟同實(shí)施例1，硅片加熱至200℃，控制氧氣流量300sccm，射頻功率為100W，等離子體氧化0.5h，得到厚度為2.7nm的二氧化硅薄膜。
圖4是實(shí)施例2得到的樣品的紅外吸收光譜圖。對(duì)這個(gè)樣品用橢圓偏振儀測量到的厚度為2.7nm。
權(quán)利要求
1.氧氣氛下等離子氧化制備二氧化硅薄膜的方法，其步驟如下先清洗硅片襯底去除表面自然氧化層，然后將硅片放入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置的反應(yīng)腔，反應(yīng)腔抽真空至0.1～10Pa，將硅片加熱至200℃～500℃，按流量100sccm～300sccm充入氧氣，將等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置的射頻電源功率調(diào)節(jié)至50W～100W，使射頻電源電極間的氣體發(fā)生輝光放電，進(jìn)行等離子體氧化，氧化時(shí)間0.5h～2h，得二氧化硅薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及氧氣氛下等離子氧化制備二氧化硅薄膜的方法。其步驟如下先清洗硅片襯底去除表面自然氧化層，然后將硅片放入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置的反應(yīng)腔，反應(yīng)腔抽真空至0.1～10Pa，將硅片加熱至200℃～500℃，按流量100sccm～300sccm充入氧氣，將等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置的射頻電源功率調(diào)節(jié)至50W～100W，使射頻電源電極間的氣體發(fā)生輝光放電，進(jìn)行等離子體氧化，氧化時(shí)間0.5h～2h，得二氧化硅薄膜。本發(fā)明方法僅用一種氧氣氣源，成本低、對(duì)環(huán)境無污染，且在低溫下進(jìn)行，操作安全。制得的二氧化硅薄膜厚度低于10nm，可用于晶體硅太陽能電池的雙層減反射層或甚大規(guī)模集成電路的絕緣層。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1619783SQ200410089089
公開日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者楊德仁, 席珍強(qiáng), 陳濤, 龔燦峰, 闕端麟 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)