原子层沉积系统的设计研究

摘要：

本文主要介绍我公司自行设计的原子层沉积(ALD)实验系统和所沉积薄膜的检测结果.为了研究ALD技术,作者设计了一套试验性的ALD沉积系统.该系统主要由反应腔,前驱体容器,真空泵,控制系统等部件构成.两个前驱体容器带有加热装置,支持气体或液体前驱体.

前驱体,反应腔的温度,沉积过程中气体的交替,以及各种参数都可以设定,并由控制系统自动控制.在系统测试中,使用Al2(CH3)3和H2O作为前驱体,在含有Si-H键的Si基片上沉积Al2O3高k介质薄膜.使用电子探针分析仪分析薄膜成分后,证实了所沉积的薄膜是Al2O3.使用XPS分析薄膜表面时只检测到Al,O元素,没有检测到Si元素,说明Al2O3薄膜是连续的,完整地覆盖了Si表面.使用X射线光电子谱检测元素面分布的结果显示,Al,O在Si上的分布具有较好均一性,表明Al2O3薄膜的均匀性良好.使用电子束照射已沉积Al2O3的Si基片时,发现有大量电子累积在薄膜表面,说明所沉积的Al2O3具有良好的介电性。

正文：

随着纳米技术以及半导体集成电路对器件小型化的要求,迫切需要具有高精度、纳米级厚度等性能的薄膜材料。这对传统薄膜制备技术提出了挑战，化学气相沉积(CVD,Chemical Vapor Deposition)和物理气相沉积(PVD,Physical Vapor Deposition)很难满足未来对薄膜性能的要求。原子层沉积(ALD,Atomic Layer Deposition)技术对薄膜生长可精确控制,膜层厚度可达到原子层级,薄膜具有平滑、均匀、重复性好等特点1.2),这将为ALD在微电子科学、光学薄膜、纳米科技、催化工程等领域中的应用提供技术基础[3-16]。

ALD最初起源于20世纪70年代中期,芬兰的Suntola博士和他的同事们,为了制造薄膜电致发光(TFEL, Thin Film Electroluminescence)的高质量、大面积平板显示器,采用ALD技术制作了多晶发光ZnS:Mn和非晶 AbO, 绝缘膜[”。这项技术起初用于外延膜的生长,故被称作原子层外延(ALE,Atomic Lay-er Epitaxy)(18.19],侧重通过表面作用,原子层薄膜交替沉积的生长过程[20)。早期,ALE主要沉积多晶Ⅱ-V族化合物以及非晶氧化膜[21]。1985年以后，皿-V族和Ⅱ-V族化合物的外延生长引起了人们的关注(22),但是由于其复杂的表面化学反应,这方面的研究并没有取得实际的突破,而且由于ALD的生长速率慢,限制了它在实际工程中的应用。直到90年代中期,硅半导体技术的发展,掀起了人们对ALD研究的热潮。随着集成电路尺寸向纳米量级的发展,以及集成度的提高,ALD自身存在沉积速率慢的缺点,已逐步得到解决,ALD还具有工作温度较低(小于400℃),可生长具有原子层级膜层厚度的薄膜。这些特点促进了ALD在微电子集成电路(IC)工业中的应用(7)。

目前,世界上许多国家都投入了大量的人力、物力和财力,开展对ALD技术的研究。至2001年以来,美国真空学会(AVS)已经成功召开了五届关于ALD的国际学术会议,来自不同国家的著名学者齐聚一堂,对ALD在半导体以及薄膜器件制造中的应用,进行了广泛深人地探讨[”。多年来经过科学家们的不懈努力,经历二十多年的原子层沉积工艺正逐渐走向成熟。

关键词：

“#ALD原子层沉积”、“#高k介质薄膜”、“#表面分析”、“#薄膜材料”、“#薄膜生长”、“#原子层薄膜交替沉积”