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氧化锌和氧化钴的原子层淀积与材料性能表征

钱可嘉  
【摘要】:随着半导体工艺技术的向前发展.集成电路特征尺寸逐渐减小,因此纳米量级的材料制备技术变得越来越重要:近几年来,原子层淀积技术作为未来集成电路的关键技术而受到越来越多的关注,被认为是45纳米技术节点及以下工艺的关键薄膜制备工艺。这主要归功于原子层淀积技术是一种自限制的生长过程,可以实现的原子层级厚度控制,具有优异的保形性、良好的薄膜间界面控制性能以及极好的大面积均匀性和重复性。因此,本论文采用原子层淀积技术,研究了氧化锌和氧化钴两种金属氧化物的生长工艺,并对相应的材料性能进行了表征和分析。具体内容包括以下三个部分: 1.采用二乙基锌(DEZn)和H2O2溶液作为反应源,对原子层淀引ZnO薄膜的上艺以及ZnO薄膜的表面形貌、光学、电学特性、化学成分进行了分析研究。实验结果表明,当二乙基锌和过氧化氢溶液的脉冲时间分别为0.5 s和2 s时,所生长的氧化锌薄膜具有良好的宏观平整度。从ZnO的淀积速率、薄膜的表面形貌和粗糙度的角度来看,在200℃左右的淀积温度下,所得的ZnO簿膜具有最稳定的淀积速率和最佳的表面形貌。另外,通过对ZnO薄膜的光学特性的研究发现,该薄膜具有很强的光致发光特性、极好的结晶度以及良好的阻隔紫外线的能力。当淀积温度在180℃到220℃之间时,所生长的ZnO薄膜具有最佳的光致发光特性和防紫外线的效果。此外,通过对ZnO薄膜的电学测量发现,当淀积温度在180℃以上时,样品具有较高的电子迁移率和较低的电阻率。样品的XPS分析表明,随着淀积温度的升高,更多的Zn原子与O原子相结合,因此导致薄膜的结晶度更高。 2.采用N2稀释的DEZn和H2O2溶液作为反应源,研究了不同衬底(SiO2、Si)上生长ZnO纳米晶的工艺。实验结果表明,当淀积温度为200℃时,无论是哪一种衬底,随着淀积循环数的增加,所得样品的表面粗糙度都逐渐增加,表面的类纳米颗粒大小和分布不均匀。高分辨率透射电镜(HRTEM)观察揭示了这些类纳米颗粒实际上是ZnO纳米颗粒的堆积形成的凹凸不平的薄膜表面,并且该薄膜以多晶形式存在。对SiO2衬底上的样品在不同温度下退火30 s发现,淀积的循环数越多,样品需在更高的温度下退火才能形成大小较为一致、分布较为均匀的ZnO纳米颗粒。当样品的退火温度过高时,其纳米颗粒的高度和颗粒的密度均呈现下降的趋势,并伴随着少量大颗粒纳米晶的出现。进一步,将淀积温度升高到300℃,则在SiO2和Si衬底表面上成功生长出了相互分离、大小一致且分布均匀的ZnO纳米品。该淀积温度下生长的ZnO纳米品的XPS分析表明,其主要成分为Zn-O键,还含有极少量的Zn-OH键。 3.采用CoCp2和H2O2溶液作为反应源,对原子层淀积CoOx的工艺进行了探索,并进一步对生长的CoOx的表面形貌、化学成分进行了分析与表征。实验结果表明,生长氧化钻的较理想的工艺条件是CoCp2液态源的温度为80℃;淀积温度为200℃:CoCp2和H2O2溶液反应源脉冲和清洗的时间分别为2s、15s、2s、5s;采用N:作为CoCp2的载气,其流量为100 sccm。从氧化钴样品的表而形貌和XPS分析来看,它的生长模式为岛状生长,样品表而并不是十分平整,这说明采用H2O2溶液作为氧化剂并不能与反应源CoCp2完全反应,导致淀积的氧化钴样品中含有大量的金属碳化物残留。


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