一种改变Cu₃N薄膜择优取向的方法

专利名称：一种改变Cu₃N薄膜择优取向的方法
技术领域：
本发明涉及半导体薄膜及其制备领域，特别是涉及一种改变Cu3N薄膜择优取向的方法。
背景技术：
具有反ReO3结构、低分解温度的氮化亚铜(Cu3N)半导体材料，在光信息存储和大规模集成电路方面具有非常光明的应用前景。最近，该材料被报道亦可用于自旋电子器件、 太阳能电池、燃料电池、磁隧道结等领域，因而该体系在国际上广受关注。
—些元素可填充到Cu3N的反ReO3结构中，形成反钙钛矿的结构，这使已报导Cu3N 特性存在很大差异。Cu3N进行掺杂，产生的材料必定会在结构、电学、光学等方面具有一些新颖的特性，从而产生更广泛、更新的应用。最近，理论上通过第一性原理计算了 L1、H、Pd 及过渡族原子对Cu3N正八面体空隙的掺杂，理论研究了 Cu3NMx材料的结构稳定性、电学特性、磁学特性与掺杂原子的依赖关系。但直至现今，实验上对Cu3N薄膜掺杂的研究还较少， 掺杂薄膜随掺杂原子的依赖关系有待进一步研究。掺杂原子影响薄膜的微结构，从而进一步影响薄膜的光学、电学等物理特性。发明内容
本发明的目的是为了克服上述技术的不足，研究了掺杂对Cu3N薄膜结构的影响， 从而提供一种改变Cu3N薄膜择优取向的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案具体包括如下步骤:步骤1.将用于沉积样品的Si (100)衬底依次用洗洁精、丙酮、无水酒精和去离子水各超声清洗15分钟，待用。
步骤2.将带掺杂材料置于Cu靶上，然后将衬底放置在样品架上，样品架与靶表面平行并且相距55 mm。
步骤3.当真空腔内本底气压低于6X 10 —6 mbar时，向真空腔内通入流速为7 sccm的纯氮气(99.99%)，共溅射靶和掺杂材料，通过改变掺杂材料在靶上的覆盖面积、覆盖位置，在衬底上合成不同组分比的Cu3NMx薄膜。
所述的共溅射的材料为In、Ti或Ag。
本发明通 过共溅射掺杂材料和靶材实现Cu3N薄膜择优取向的改变，共溅射在低温、低气压和低功率的条件下进行，共溅射的材料可以是In、T1、Ag等。
XRD的结果表明薄膜的结晶取向与衍射峰峰强非常依赖于薄膜中掺杂元素的含量。在纯氮气、低气压、In掺杂量比较少的情况下，氮离子充分，Cu与N能充分反应且形成的Cu-N键能避免高能粒子的轰击，因此形成的Cu3N相沿富氮面(001)生长。少量的掺杂不会影响薄膜的择优取向，(001)择优取向的(311#晶相在薄膜中一直占主导地位,但当薄膜中杂质含量达到一定程度，薄膜的择优取向从(001)、(002)方向变为(111)方向。
本发明有益效果如下:本方法弥补了现有技术的不足，避免了盲目掺杂，为Cu3N薄膜的掺杂研究提供了依据。


图1 不同铟含量下 CuxInyN 薄膜的 XRD 谱:(a) O, (b) 4.6at.%，(c) 8.2at.%，(d) 20.60at.%, (e) 23.6at.%, (f) 47.9at.%。
图2 不同钛含量下 CuxTiyN 薄膜的 XRD 谱:(a) O, (b) 5.84at.%，(c) 11.1Oat.%， (d) 20.60at.%。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，一种改变Cu3N薄膜择优取向的方法，具体包括如下步骤:步骤1.将用于沉积样品的Si (100)衬底依次用洗洁精、丙酮、无水酒精和去离子水各超声清洗15分钟，待用。
步骤2.将带掺杂材料置于Cu靶上，然后将衬底放置在样品架上，样品架与靶表面平行并且相距55 mm。
步骤3.当真空腔内本底气压低于6X 10 —6 mbar时，向真空腔内通入流速为7 sccm的纯氮气(99.99%)，共溅射靶和掺杂材料，通过改变掺杂材料在靶上的覆盖面积、覆盖位置，在衬底上合成不同组分比的Cu3NMx薄膜。
所述的共溅射的材料为In、Ti或Ag。
本发明通过共溅射掺杂材料和靶材实现Cu3N薄膜择优取向的改变，共溅射在低温、低气压和低功率的条件下进行，共溅射的材料可以是In、T1、Ag等。
如图1所示，XRD的结果表明薄膜的结晶取向与衍射峰峰强非常依赖于薄膜中掺杂元素的含量。在纯氮气、低气压、In掺杂量比较少的情况下，氮离子充分，Cu与N能充分反应且形成的Cu-N键能避免高能粒子的轰击，因此形成的Cu3N相沿富氮面(001)生长。少量的掺杂不会影响薄膜的择优取向，(001)择优取向的Cu3N晶相在薄膜中一直占主导地位， 但当薄膜中杂质含量达到一定程度，薄膜的择优取向从(001)、(002)方向变为(111)方向。
实施例1利用射频磁控溅射方法在Si (100)衬底上制备不同In掺杂的氮化亚铜薄膜。首先将用于沉积样品的衬底依次用洗洁精、丙酮、无水酒精和去离子水超声清洗15分钟，然后将衬底放置在与靶表面平行并且相距55 mm的样品架上。当真空腔内本底气压低于6 X 10 一6 mbar时，向腔内通入流速为7 sccm的纯氮气(99.99%)，共溅射纯Cu靶(99.99%)和其上的高纯In (99.999%)颗粒，通过改变In在靶上的覆盖面积、覆盖位置，在衬底上合成不同组分比的CuxInyN薄膜。工作气压控制在7X 10_3 mbar,预溅射与薄膜沉积过程分别维持30分钟。沉积过程中衬底的温度控制在-333K，射频输入功率为60 W。
为了了解薄膜的结构特性，我们对不同铟含量下的CuxInyN薄膜进行了 XRD测试， 如图1所示。XRD的结果表明薄膜的结晶取向与衍射峰峰强非常依赖于薄膜中In的含量。在纯氮气、低气压、In掺杂量比较少的情况下，氮离子充分，Cu与N能充分反应且形成的Cu-N `键能避免高能粒子的轰击，因此形成的Cu3N相沿富氮面(001)生长。(001)择优取向的Cu3N 晶相在薄膜中一直占主导地位(如图1 (a)-(c))，直到薄膜中In含量达到10.7at.%，薄膜的择优取向从(001)、(002)方向变为(111)方向，并且此时只出现Cu3N (111)衍射峰(如图 1(d))。
实施例2利用射频磁控溅射方法在Si (100)衬底上制备不同Ti掺杂的氮化亚铜薄膜。条件同实施案例(一)。
为了了解薄膜的结构特性，我们对不同Ti含量下的CuxTiyN薄膜进行了 XRD测试， 如图2所示。XRD的结果表明薄膜的结晶取向与衍射峰峰强非常依赖于薄膜中Ti的含量。(001)择优取向的Cu3N晶相在薄膜中一直占主导地位(如图2中(a)-(c))，直到薄膜中In 含量达到20.6at.%，薄膜的择优取向发生改变 ，薄膜趋于非晶。
权利要求
1.一种改变Cu3N薄膜择优取向的方法,其特征在于包括如下步骤步骤I.将用于沉积样品的Si (100)衬底依次用洗洁精、丙酮、无水酒精和去离子水各超声清洗15分钟，待用；步骤2.将带掺杂材料置于Cu靶上，然后将衬底放置在样品架上，样品架与靶表面平行并且相距55 mm ；步骤3.当真空腔内本底气压低于6X 10 —6 mbar时，向真空腔内通入流速为7 sccm的纯氮气；共溅射靶和掺杂材料，通过改变掺杂材料在靶上的覆盖面积、覆盖位置，在衬底上合成不同组分比的Cu3NMx薄膜；所述的共溅射的材料为In、Ti或Ag。
全文摘要
本发明开了一种改变Cu3N薄膜择优取向的方法。本发明包括如下步骤步骤1.将用于沉积样品的Si(100)衬底依次用洗洁精、丙酮、无水酒精和去离子水各超声清洗15分钟，待用；步骤2.将带掺杂材料置于Cu靶上，然后将衬底放置在样品架上，样品架与靶表面平行并且相距55mm；步骤3.当真空腔内本底气压低于6×10－6mbar时，向真空腔内通入流速为7sccm的纯氮气；共溅射靶和掺杂材料，通过改变掺杂材料在靶上的覆盖面积、覆盖位置，在衬底上合成不同组分比的Cu3NMx薄膜。本发明弥补了现有技术的不足，避免了盲目掺杂，为Cu3N薄膜的掺杂研究提供了依据。
文档编号C23C14/06GK103255368SQ201310171108
公开日2013年8月21日 申请日期2013年5月10日 优先权日2013年5月10日
发明者杜允, 叶满萍 申请人:杭州电子科技大学