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)工藝已無法適應集成電路的發(fā)展。比如當特征尺寸減小到45nm以下時,等效柵氧化層的厚度將會變得小于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)。再如在動態(tài)隨機存儲器(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,它在半導體的許多領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的應用。因此開展原子層淀積的實驗和理論研究具有重要的指導意義。
　　 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。實驗發(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,經(jīng)過TMA900s預處理的樣品沒有發(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預處理過的樣品其C-V曲線都會向正電壓方向有一定程度的偏移,這可能是由于T

4、MA預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起始反應機理。整個初始反應可以分為兩個半反應。計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),從整體上與反應物相對比,兩個半反應都是放熱反應,也就是說從能量角度來看反應都朝著有利的方向發(fā)展。TMGa半反應和AsH3半反應的能量勢壘分別為14.22和40.94kcal/mol,

5、也就是說,AsH3半反應相對更加不容易進行,所以在ALD淀積的初始階段適當加長AsH3的脈沖時間也許會對后面一個半反應產(chǎn)生更好的效果。兩個半反應中,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)物的脫附在兩個半反應中都比較容易實現(xiàn),在實際實驗操作中則要在惰性氣體的沖洗上稍加時間即可。
　　 最后論文用密度泛函(DFT)方法對在Si(100)表面ALD淀積摻氮ZnO薄膜的初始反應進

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