原子層沉積系統的原理及其在ZrO2薄膜制備方面的應用

湯振杰，李　榮

(1.安陽師范學院 物理與電氣工程學院，河南 安陽 455000;2.安陽師范學院 數學與統計學院，河南 安陽 455000)

?

原子層沉積系統的原理及其在ZrO2薄膜制備方面的應用

湯振杰1，李榮2

(1.安陽師范學院 物理與電氣工程學院，河南 安陽 455000;2.安陽師范學院 數學與統計學院，河南 安陽 455000)

[摘要]原子層沉積系統是氧化物薄膜制備的主要手段。闡述了原子沉積的主要原理及工藝參數。利用原子層沉積系統制備了高介電常數ZrO2薄膜材料，系統研究了薄膜的電學性能。研究結果表明，原子層沉積系統制備的ZrO2薄膜具有良好的介電性能，±8V掃描電壓下的漏電流密度為10-3A·cm-2。

[關鍵詞]原子層沉積；薄膜；高介電常數材料

1引 言

科學技術的進步，推動了現代薄膜生長技術與工藝的高速發展。20世紀70年代，由Suntola等人開發設計的原子層沉積 (Atomic layer deposition) 便是現代薄膜生長技術的佼佼者[1]。近年來，該技術被廣泛應用到材料和微電子等領域，得到了眾多從業者及科研人員的認可。原子層沉積具有良好的三維貼合性，自限性[2]和自飽和性[3]，能實現大面積薄膜沉積并且能在納米尺度范圍內控制薄膜的厚度和成分[4]；能夠實現逐層生長，并且可以精確控制生長厚度。本文主要闡述原子層沉積系統的工作原理及工藝參數，進而利用該技術制備了高介電常數ZrO2薄膜材料，系統研究了薄膜的電學性能。

2原子層沉積系統的應用領域及工作原理

2.1原子層沉積的應用領域

目前，ALD 技術的應用領域包括以下幾個方面：

1. 金屬-氧化物-半導體-場效應晶體管柵(MOSFET)電介質和金屬電極[5-7]；

2. IC 互連線和擴散阻擋層[8，9]；

3. 動態隨機存儲器(DRAM)和磁性隨機存儲器(MRAM)[10];

4. 納米涂層[11，12]和光子晶體[13，14]；

2.2原子層沉積的工作原理

圖1　原子層沉積過程示意圖其中，M代表金屬；L1和L2代表配合物，例如：CH3，Cl等

原子層沉積過程是在反應腔中完成的。金屬源與氧源以氣相形態進入到反應腔，在襯底材料表面發生反應，最終形成所需的氧化物薄膜。具體過程為，金屬前驅體進入到反應腔內并吸附在襯底材料表面，與隨后注入腔內的氧源發生化學反應，過剩產物被注入到腔內的高純氮氣攜帶，輸出到腔體外部。一般的氧源為H2O和O3，臭氧由系統自帶的臭氧發生器產生。通過反復上述過程，實現薄膜材料的生長，其反應過程如圖1所示，氧源采用H2O。其中，(a)氮氣攜帶金屬源進入腔內; (b) 金屬源的吸附，過剩金屬源被氮氣帶出腔體；(c) 氮氣攜帶氧源進入腔內; (d) 金屬源與氧源發生化學反應。 反應腔內的溫度可根據實驗要求，在100 ～ 400 ℃之間調節。

2.3原子層沉積系統的氣路示意圖

圖2 為原子層沉積系統氣路示意圖。該系統共有4路反應源(從左到右分別為液體源A、固體源B、液體源C 和氣體源D)氣體管路接入反應腔室，反應源均由高純N2作為載氣，進入沉積腔室， 其中源B的加熱溫度在40 ～ 200 ℃之間，A、C和D源均為室溫， 除了B源只有氣動閥外，其它每路源都配置有一個手動閥和一個三通的氣動閥[15]。

3原子層沉積系統制備ZrO2薄膜

實驗過程中采用p-Si作為襯底材料。首先，通過傳統半導體襯底清洗工藝去除Si襯底表面的氧化物；而后，利用原子層沉積系統在Si襯底表面生長ZrO2薄膜，其中ZrCl4和O3作為金屬源和氧源，沉積循環次數為100次，襯底溫度為300℃。

圖3　ZrO2薄膜的高分辨透射電子顯微鏡圖

圖3為原子層沉積系統生長ZrO2薄膜的高分辨透射電子顯微鏡圖片。從圖中我們可以看出，ZrO2薄膜的厚度約為10nm，表明原子層沉積系統制備ZrO2薄膜過程中，1個脈沖循環約生長0.1nm的ZrO2。同時，ZrO2與Si襯底之間的界面清晰，并未出現界面層。

4ZrO2薄膜的電學性能分析

利用磁控濺射系統在ZrO2薄膜上面沉積金屬Pt作為上電極，電極面積為7.85×10-5cm2；選用導電銀膠作為下電極。實驗過程中使用Keithley 4200半導體參數分析儀測試薄膜的漏電流。

圖4　ZrO2薄膜的漏電流密度

圖4為ZrO2薄膜的漏電流密度。從圖中可以發現，在-8到+8V的掃描電壓下，ZrO2薄膜的漏電流密度最大值為10-3A·cm-2。說明原子層沉積的ZrO2薄膜具有良好的介電性能。

5結論

闡述了原子層沉積系統的工作原理及工藝參數，進一步利用原子層沉積系統制備了高介電常數ZrO2薄膜，并測試了薄膜的漏電流性能。結果表明，在-8到+8V的掃描電壓下，ZrO2薄膜的漏電流密度最大值為10-3A·cm-2，表明薄膜具有良好的介電性能。

[參考文獻]

[1]Suntola， T. and Antson， J.， US Patent 4 058 430 (1977).

[2]B. S. Lim， A. Rahtu and R. G. Gordon， Nat. Mater.， 2， 749 (2003).

[3]R. L.Puurunen， J. Appl. Phys.， 97， 121301 (2005).

[4]Leskel?， M. and Ritala， M.， Angew. Chem. Int. Ed.， 42， 5548 (2003).

[5]B. S. Lim， A. Rahtu， P. de Rouffignac， R. G. Gordon， Applied Physics Letters， 84， 3957 (2004).

[6]J. B. Kim， Fuentes-Hernandez， C. Potscavage， W. J.， Jr， X. H. Zhang， B. Kippelen， Applied Physics Letters， 94，142107 (2009).

[7]T. Aaltonen， M. Ritala， Y. L. Tung et al.， J. Mater. Res.， 19， 3353 (2004).

[8]P. de Rouffignac， Z. W. Li and R. G. Gordon， Electrochem. Solid State Lett.， 7， G306 (2004).

[9]Z. W. Li， D. B. Farmer， Y. Lin and J. Vlassak， Electrochem. Solid State Lett.， 8， G182 (2005).

[10]S. Monaghan， K. Cherkaoui， E. O’Connor et al.， IEEE Electron Device Lett.， 30， 219 (2009).

[11]J. D. Ferguson， A. W. Weimer and S. M. George， Chem. Mat.， 16， 5602 (2004).

[12]M. G. Willinger， G. Neri， E. Rauwel et al.， Nano Lett.， 8， 4201 (2008).

[13]E. Graugnard， O. M. Roche， S. N. Dunham， et al.， Appl. Phys. Lett.， 94， 263109 (2009).

[14]J.S. King， E. Graugnard and C. J. Summers， Adv. Mater.， 17， 1010 (2005).

[15]湯振杰. 納米晶及納米疊層基電荷俘獲型存儲器的研究[D]. 南京：南京大學博士學位論文，2012.

[16]龔佑品. 高介電柵介質薄膜的原子層沉積技術制備、界面結構與電學性能研究 [D]. 南京; 南京大學， 2010.

[責任編輯：張懷濤]

Theory of Atomic Layer Deposition and the Application of the ZrO2Film Fabrication

TANG Zhen-jie1， LI Rong2

(1. College of Physics and Electronic Engineering， Anyang Normal University， Anyang 455000， China;2. School of Mathematics and Statistics， Anyang Normal University， Anyang 455000， China)

Abstract:Atomic layer deposition is an important fabrication mean of oxide films. In this paper, The principle and process parameters of atomic layer deposition are elaborated. The High-k ZrO2 film is fabricated by the atomic layer deposition， and the electrical property also is investigated. It is can be seen that the ZrO2 film has an excellent dielectric property， and the leakage current density is 10-3A cm-2under ±8 V gate sweeping voltage.

Key words:Atomic layer deposition; Film; High-k

[收稿日期]2016-02-05

[基金項目]國家自然基金(51402004)；河南省科技廳項目(142102210380)；河南省教育廳項目(15A140003， 14A140008，13A140021)。

[作者簡介]湯振杰(1982—)，男，博士，講師，從事薄膜生長及存儲器件方面的研究。

[中圖分類號]O484;TB321

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671-5330(2016)02-0027-03