Al2O3、GaAs和ZnO薄膜的原子層淀積研究.pdf

1、隨著集成電路工業(yè)的飛速發(fā)展,CMOS工藝已經(jīng)成為了當(dāng)前最為主流的集成電路工藝。然而,隨著集成電路特征尺寸的不斷減小,一些傳統(tǒng)工藝已無法適應(yīng)集成電路的發(fā)展。比如當(dāng)特征尺寸減小到45nm以下時(shí),等效柵氧化層的厚度將會(huì)變得小于1nm,隧穿電流開始非常顯著,這就需要采用一種新的技術(shù)-原子層淀積(AtomicLayerDepositon,簡稱ALD)制備高k柵介質(zhì)。再如在動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)中為了獲得更高的電容密度,也需要原子層淀積技術(shù)。由

2、于ALD淀積具有諸多出眾的特性,它在半導(dǎo)體的許多領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用。因此開展原子層淀積的實(shí)驗(yàn)和理論研究具有重要的指導(dǎo)意義。
　　 論文首先研究了不同晶向Si襯底上(Si(100)、Si(110)和Si(111))原子層淀積Al2O3薄膜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),Si(110)襯底上ALDAl2O3薄膜生長速度要比在Si(100)和Si(111)襯底上慢大約4％～10％,這可能是由于Si(110)襯底上的原子密度最大,表面單位面積的原子數(shù)

3、量過多對生長造成的影響:研究表明,在Si(110)和Si(111)襯底上生長.Al2O3高介電常數(shù)薄膜時(shí),經(jīng)過TMA900s預(yù)處理的樣品沒有發(fā)現(xiàn)Si的明顯的XPS氧化峰譜,而沒有經(jīng)過TMA預(yù)處理的樣品則有Si的混合氧化峰譜;對于Si(100)襯底,無論樣品是否經(jīng)過TMA預(yù)處理,Al2O3薄膜都沒有發(fā)現(xiàn)明顯的XPS氧化硅峰。通過對不同樣品的C-V曲線觀察,發(fā)現(xiàn)TMA預(yù)處理過的樣品其C-V曲線都會(huì)向正電壓方向有一定程度的偏移,這可能是由于T

4、MA預(yù)處理一定程度上減少了界面附近的氧空位,也可能是在薄膜中引入了一些負(fù)電荷。
　　 其次,論文研究了以TMGa(三甲基鎵)和AsH3(砷烷)為前驅(qū)體,在羥化SiO2表面上ALD淀積GaAs起始反應(yīng)機(jī)理。整個(gè)初始反應(yīng)可以分為兩個(gè)半反應(yīng)。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),從整體上與反應(yīng)物相對比,兩個(gè)半反應(yīng)都是放熱反應(yīng),也就是說從能量角度來看反應(yīng)都朝著有利的方向發(fā)展。TMGa半反應(yīng)和AsH3半反應(yīng)的能量勢壘分別為14.22和40.94kcal/mol,

5、也就是說,AsH3半反應(yīng)相對更加不容易進(jìn)行,所以在ALD淀積的初始階段適當(dāng)加長AsH3的脈沖時(shí)間也許會(huì)對后面一個(gè)半反應(yīng)產(chǎn)生更好的效果。兩個(gè)半反應(yīng)中,能量最低的狀態(tài)是物理吸附態(tài),所以最終副產(chǎn)物的脫附還需要一定的能量來克服不高的勢壘,但總的來說,產(chǎn)物的脫附在兩個(gè)半反應(yīng)中都比較容易實(shí)現(xiàn),在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中則要在惰性氣體的沖洗上稍加時(shí)間即可。
　　 最后論文用密度泛函(DFT)方法對在Si(100)表面ALD淀積摻氮ZnO薄膜的初始反應(yīng)進(jìn)

6、行了理論計(jì)算。我們給出了整個(gè)淀積過程中所包含的三個(gè)半反應(yīng),它們的反應(yīng)過程、能量路徑以及有代表性的化學(xué)鍵的鍵長變化。計(jì)算結(jié)果表明,三個(gè)半反應(yīng)在能量上來說都朝著有利的方向進(jìn)行。計(jì)算獲得二乙基鋅半反應(yīng)的過渡態(tài)能量勢壘為32.951kcal/mol,整個(gè)半反應(yīng)放熱16.506kcal/mol;在第二部分,兩個(gè)半反應(yīng)是并行發(fā)生的,與各自的反應(yīng)物相比,NH3半反應(yīng)和H2O半反應(yīng)分別放熱15.641和24.966kcal/mol,對應(yīng)的反應(yīng)能量勢壘分