專利名稱：一種氧化鋁超薄薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜材料的制備方法，具體地說(shuō)是一種在室溫下基于原子層沉積技術(shù)生長(zhǎng)氧化鋁超薄薄膜的方法。
背景技術(shù)：
氧化鋁薄膜因具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能，如機(jī)械強(qiáng)度和硬度高、熱穩(wěn)定性好、寬禁帶、光透過(guò)率高、絕緣性極佳等，在機(jī)械、光學(xué)及微電子等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，因此對(duì)氧化鋁薄膜的研究具有重要意義。在微電子領(lǐng)域，隨著硅基集成電路的集成度不斷提高，作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極材料的二氧化硅材料因在納米尺度下隧穿電流無(wú)法忽略，已越來(lái)越不適合作為絕緣材料。氧化鋁薄膜作為二氧化硅的替代材料，引起了研究人員的興趣。 原子層沉積技術(shù)由于具有薄膜生長(zhǎng)厚度精確可控、臺(tái)階覆蓋性極佳等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于超薄薄膜的生長(zhǎng)，在微電子領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣。氧化鋁薄膜因其高的光透過(guò)性，還可以用于太陽(yáng)能電池的光采集層。運(yùn)用原子層沉積技術(shù)生長(zhǎng)氧化鋁，已經(jīng)有了較多的研究，但目前采用的前驅(qū)體多為三甲基鋁和水，適宜的生長(zhǎng)溫度在200 400°C之間。對(duì)于碲鎘汞等熔點(diǎn)低、 極易揮發(fā)的窄禁帶半導(dǎo)體材料，需要在其上進(jìn)行生長(zhǎng)氧化鋁絕緣層以制作紅外探測(cè)器等器件時(shí)，傳統(tǒng)的原子層沉積工藝由于溫度相對(duì)較高而不再適合；另外，在一些柔性有機(jī)薄膜表面(如聚偏氟乙烯、聚酰亞胺等)生長(zhǎng)氧化鋁以制備新型集成電路、顯示器件，現(xiàn)有的原子層沉積技術(shù)同樣因其溫度過(guò)高而也不再適合，因此迫切需要尋找在更低溫度下氧化鋁薄膜的生長(zhǎng)工藝。雖然有研究(參見(jiàn)論文Chem. Mater. 2004, 16，639-645)表明采用水作氧前驅(qū)體在100°C以下也可以實(shí)現(xiàn)原子層沉積，但其工藝需要很長(zhǎng)的惰性氣體沖洗時(shí)間以實(shí)現(xiàn)水分子的單分子層吸附，使得其在實(shí)用中時(shí)間消耗過(guò)久，不利于提高生產(chǎn)效率；并且得到的薄膜中氫雜質(zhì)含量較高，難以進(jìn)一步提高材料物理性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種生長(zhǎng)溫度降低至室溫的氧化鋁超薄薄膜材料的制備方法，一方面使得在碲鎘汞等高溫下極易揮發(fā)的窄禁帶半導(dǎo)體材料和柔性有機(jī)薄膜材料上生長(zhǎng)氧化鋁絕緣層成為可能；其次也使得材料生長(zhǎng)過(guò)程中不再需要任何加熱過(guò)程，極大地降低了制造過(guò)程中的能源消耗；并且還具備與現(xiàn)有硅基半導(dǎo)體工藝的兼容性。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明具體技術(shù)方案是
一種氧化鋁超薄薄膜的制備方法，具體是指一種基于脈沖方式依次進(jìn)源、利用自限制表面吸附效應(yīng)制備得氧化鋁超薄膜的方法。包括以下具體步驟 (1)、原料
三甲基鋁、氮?dú)饣驓鍤?、氧氣和襯底；氮?dú)饣驓鍤饧把鯕獠捎眉兌葹?9. 9999%的氣體； 襯底為硅片、鎳酸鑭薄膜、氧化銦薄膜或鉬片；⑵、制備氧化鋁超薄薄膜
將襯底用無(wú)水乙醇沖洗后，用氮?dú)獯蹈桑胖糜跇悠吠斜P(pán)上，送入原子層沉積系統(tǒng)的真空反應(yīng)腔，抽真空使真空度達(dá)到1 :3hpa ；
固定在真空反應(yīng)腔的樣品托盤(pán)上的襯底保持在室溫下；對(duì)裝有三甲基鋁的源瓶進(jìn)行制冷使其溫度保持在15 20°C，氧氣和氮?dú)獍凑?5 5的體積比混合均勻后，通過(guò)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧氣體；沉積系統(tǒng)內(nèi)通入氮?dú)饣驓鍤猓狗磻?yīng)腔內(nèi)及中間空間氣壓分別保持在 1 :3hpa和6 15hpa ；每個(gè)生長(zhǎng)循環(huán)由以下四個(gè)氣體脈沖組成
a、三甲基鋁脈沖0.1秒，使用氮?dú)饣驓鍤庾鳛檩d氣輸送到反應(yīng)腔，載氣流量為 150sccm ；
b、氮?dú)饣驓鍤鉀_洗腔體2 30秒，流量為150SCCm；
c、臭氧脈沖3秒，臭氧流量為200 300sCCm，使用氮?dú)饣驓鍤庾鳛檩d氣輸送到反應(yīng)腔， 載氣流量為150SCCm ；
d、氮?dú)饣驓鍤鉀_洗腔體6秒，流量為150sCCm；
利用自限制表面吸附效應(yīng)，制得氧化鋁超薄薄膜；當(dāng)循環(huán)次數(shù)在250時(shí)，得到的薄膜厚度為35. 33納米；當(dāng)循環(huán)次數(shù)在500時(shí)，得到的薄膜厚度約70納米。上述反應(yīng)是在密封的真空反應(yīng)腔中進(jìn)行的。本制備方法基于原子層沉積系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明制備得到的為一種氧化鋁超薄薄膜材料，相對(duì)于其他原子層沉積工藝得到的氧化鋁薄膜，該材料除了同樣具備絕緣性能優(yōu)異、薄膜表面致密光滑、生長(zhǎng)厚度精密可控、臺(tái)階覆蓋性極佳、與硅基半導(dǎo)體工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)外，還具備如下特點(diǎn)(1)生長(zhǎng)溫度大大降低，在室溫下即可合成。以前合成的氧化鋁薄膜需在200 400°C下得到，而在室溫下利用臭氧合成的氧化鋁超薄膜制備還是首次；生長(zhǎng)溫度的降低還導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中能源消耗的極大減少。(2)特別適合作為以碲鎘汞等高溫下極易揮發(fā)的窄禁帶半導(dǎo)體材料、有機(jī)薄膜材料為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料與器件中的絕緣層。


圖1為本發(fā)明循環(huán)次數(shù)為2000所得薄膜的AFM圖，右側(cè)為高度標(biāo)尺； 圖2為本發(fā)明循環(huán)次數(shù)為2000所得薄膜的SEM圖3為Al/Al203/p-Si復(fù)合MIS結(jié)構(gòu)電容器在不同頻率下的C-V特性圖，其中的Al2O3 生長(zhǎng)循環(huán)次數(shù)為2000次，Al電極采用真空蒸發(fā)法在Al2O3表面制作得到；
圖4為Al/Al203/Pt復(fù)合MIS結(jié)構(gòu)電容器的I-V曲線圖，其中的Al2O3生長(zhǎng)循環(huán)次數(shù)為 1000次，Al電極采用真空蒸發(fā)法在Al2O3表面制作得到，Al2O3超薄膜的擊穿電壓將近60V， 顯示了極佳的絕緣性能。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
將硅片襯底使用無(wú)水乙醇沖洗后，用氮?dú)獯蹈?，放置于樣品托盤(pán)上，送入原子層沉積系統(tǒng)的真空反應(yīng)腔，抽真空使真空度達(dá)到:3hpa。固定在真空反應(yīng)腔的樣品托盤(pán)上的襯底保持在室溫下；對(duì)裝有三甲基鋁的源瓶進(jìn)行制冷使其溫度保持在20°C ；99. 999%純度的氧氣和99. 999%純度的氮?dú)獍凑?5 5的體積比混合均勻后，通過(guò)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧氣體；沉積系統(tǒng)內(nèi)通入惰性氣體-氮?dú)?純度為 99. 9999%)，使反應(yīng)腔內(nèi)、中間空間氣壓分別保持在;3hpa、10hpa。利用氮?dú)?純度為99. 9999%)作為載氣，將兩種源采用脈沖方式依次通過(guò)管道送進(jìn)真空反應(yīng)腔體，具體地說(shuō)，每個(gè)的生長(zhǎng)循環(huán)由以下脈沖依次組成
a、三甲基鋁脈沖0.1秒，使用氮?dú)饣驓鍤庾鳛檩d氣輸送到反應(yīng)腔，載氣流量為 150sccm ；
b、氮?dú)鉀_洗腔體4秒，流量為150SCCm；
c、臭氧脈沖3秒，臭氧流量為300sCCm，使用氮?dú)庾鳛檩d氣輸送到反應(yīng)腔，載氣流量為 150sccm ；
d、氮?dú)鉀_洗腔體6秒，流量為150SCCm。限制生長(zhǎng)循環(huán)次數(shù)為250時(shí)，得到厚度為35. 33納米的所述薄膜樣品。實(shí)施例2
將硅片襯底使用無(wú)水乙醇沖洗后，用氮?dú)獯蹈?，放置于樣品托盤(pán)上，送入原子層沉積系統(tǒng)的真空反應(yīng)腔，抽真空使真空度達(dá)到lhpa。固定在真空反應(yīng)腔的樣品托盤(pán)上的襯底保持在室溫下；對(duì)裝有三甲基鋁的源瓶進(jìn)行制冷使其溫度保持在15°C ；99. 999%純度的氧氣和99. 999%純度的氮?dú)獍凑?5 5的體積比混合均勻后，通過(guò)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧氣體。沉積系統(tǒng)內(nèi)通入惰性氣體-氬氣(純度為 99. 9999%)，使反應(yīng)腔內(nèi)、中間空間氣壓分別保持在;3hpa、l^ipa。利用氬氣(純度為99. 9999%)作為載氣，將兩種源采用脈沖方式依次通過(guò)管道送進(jìn)真空反應(yīng)腔體，具體地說(shuō)，每個(gè)的生長(zhǎng)循環(huán)由以下脈沖依次組成
a、三甲基鋁脈沖0.1秒，使用氬氣作為載氣輸送到反應(yīng)腔，載氣流量為150sCCm ；
b、氬氣沖洗腔體4秒，流量為150SCCm；
c、臭氧脈沖3秒，臭氧流量為300sCCm，使用氬氣作為載氣輸送到反應(yīng)腔，載氣流量為 150sccm ；
d、氬氣沖洗腔體6秒，流量為150SCCm。限制生長(zhǎng)循環(huán)次數(shù)為500時(shí)，得到厚度為70納米的所述薄膜樣品。
權(quán)利要求
1. 一種氧化鋁超薄薄膜的制備方法，其特征在于所述氧化鋁超薄薄膜是在室溫下采用原子層沉積方式生長(zhǎng)在襯底上而制得；其制備方法包括以下具體步驟(1)、原料三甲基鋁、氮?dú)饣驓鍤?、氧氣和襯底；氮?dú)饣驓鍤饧把鯕獠捎眉兌葹?9. 9999%的氣體； 襯底為硅片、鎳酸鑭薄膜、氧化銦薄膜或鉬片；⑵、制備氧化鋁超薄薄膜將襯底用無(wú)水乙醇沖洗后，用氮?dú)獯蹈桑胖糜跇悠吠斜P(pán)上，送入原子層沉積系統(tǒng)的真空反應(yīng)腔，抽真空使真空度達(dá)到1 :3hpa ；固定在真空反應(yīng)腔的樣品托盤(pán)上的襯底保持在室溫下；對(duì)裝有三甲基鋁的源瓶進(jìn)行制冷使其溫度保持在15 20°C，氧氣和氮?dú)獍凑?5 5的體積比混合均勻后，通過(guò)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧氣體；沉積系統(tǒng)內(nèi)通入氮?dú)饣驓鍤?，使反?yīng)腔內(nèi)及中間空間氣壓分別保持在 1 :3hpa和6 15hpa ；每個(gè)生長(zhǎng)循環(huán)由以下四個(gè)氣體脈沖組成a、三甲基鋁脈沖0.1秒，使用氮?dú)饣驓鍤庾鳛檩d氣輸送到反應(yīng)腔，載氣流量為 150sccm ；b、氮?dú)饣驓鍤鉀_洗腔體2 30秒，流量為150SCCm；c、臭氧脈沖3秒，臭氧流量為200 300sCCm，使用氮?dú)饣驓鍤庾鳛檩d氣輸送到反應(yīng)腔， 載氣流量為150SCCm ；d、氮?dú)饣驓鍤鉀_洗腔體6秒，流量為150sCCm；利用自限制表面吸附效應(yīng)，制得氧化鋁超薄薄膜；當(dāng)循環(huán)次數(shù)在250時(shí)，得到的薄膜厚度為35. 33納米；當(dāng)循環(huán)次數(shù)在500時(shí)，得到的薄膜厚度約70納米。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種氧化鋁超薄薄膜的制備方法，該方法是以脈沖方式依次進(jìn)源、利用自限制吸附效應(yīng)制備得氧化鋁超薄薄膜材料；其制備方法基于原子層沉積系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；本發(fā)明具有反應(yīng)溫度低，生長(zhǎng)條件簡(jiǎn)單，重復(fù)性高，無(wú)雜質(zhì)、可控性高等優(yōu)點(diǎn)；本發(fā)明制備的氧化鋁超薄薄膜在半導(dǎo)體、集成鐵電、光學(xué)鍍膜、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C23C16/44GK102560419SQ20111038692
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月29日
發(fā)明者李亞巍, 沈育德, 褚君浩 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)