专利名称：一种氧化铝超薄薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜材料的制备方法，具体地说是一种在室温下基于原子层沉积技术生长氧化铝超薄薄膜的方法。
背景技术：
氧化铝薄膜因具有优良的物理化学性能，如机械强度和硬度高、热稳定性好、宽禁带、光透过率高、绝缘性极佳等，在机械、光学及微电子等许多领域有着广泛的应用前景，因此对氧化铝薄膜的研究具有重要意义。在微电子领域，随着硅基集成电路的集成度不断提高，作为场效应晶体管栅极材料的二氧化硅材料因在纳米尺度下隧穿电流无法忽略，已越来越不适合作为绝缘材料。氧化铝薄膜作为二氧化硅的替代材料，引起了研究人员的兴趣。 原子层沉积技术由于具有薄膜生长厚度精确可控、台阶覆盖性极佳等优点，特别适合于超薄薄膜的生长，在微电子领域应用越来越广。氧化铝薄膜因其高的光透过性，还可以用于太阳能电池的光采集层。运用原子层沉积技术生长氧化铝，已经有了较多的研究，但目前采用的前驱体多为三甲基铝和水，适宜的生长温度在200 400°C之间。对于碲镉汞等熔点低、 极易挥发的窄禁带半导体材料，需要在其上进行生长氧化铝绝缘层以制作红外探测器等器件时，传统的原子层沉积工艺由于温度相对较高而不再适合；另外，在一些柔性有机薄膜表面(如聚偏氟乙烯、聚酰亚胺等)生长氧化铝以制备新型集成电路、显示器件，现有的原子层沉积技术同样因其温度过高而也不再适合，因此迫切需要寻找在更低温度下氧化铝薄膜的生长工艺。虽然有研究(参见论文Chem. Mater. 2004, 16，639-645)表明采用水作氧前驱体在100°C以下也可以实现原子层沉积，但其工艺需要很长的惰性气体冲洗时间以实现水分子的单分子层吸附，使得其在实用中时间消耗过久，不利于提高生产效率；并且得到的薄膜中氢杂质含量较高，难以进一步提高材料物理性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种生长温度降低至室温的氧化铝超薄薄膜材料的制备方法，一方面使得在碲镉汞等高温下极易挥发的窄禁带半导体材料和柔性有机薄膜材料上生长氧化铝绝缘层成为可能；其次也使得材料生长过程中不再需要任何加热过程，极大地降低了制造过程中的能源消耗；并且还具备与现有硅基半导体工艺的兼容性。为实现上述发明目的，本发明具体技术方案是
一种氧化铝超薄薄膜的制备方法，具体是指一种基于脉冲方式依次进源、利用自限制表面吸附效应制备得氧化铝超薄膜的方法。包括以下具体步骤 (1)、原料
三甲基铝、氮气或氩气、氧气和衬底；氮气或氩气及氧气采用纯度为99. 9999%的气体； 衬底为硅片、镍酸镧薄膜、氧化铟薄膜或钼片；⑵、制备氧化铝超薄薄膜
将衬底用无水乙醇冲洗后，用氮气吹干，放置于样品托盘上，送入原子层沉积系统的真空反应腔，抽真空使真空度达到1 :3hpa ；
固定在真空反应腔的样品托盘上的衬底保持在室温下；对装有三甲基铝的源瓶进行制冷使其温度保持在15 20°C，氧气和氮气按照95 5的体积比混合均勻后，通过臭氧发生器产生臭氧气体；沉积系统内通入氮气或氩气，使反应腔内及中间空间气压分别保持在 1 :3hpa和6 15hpa ；每个生长循环由以下四个气体脉冲组成
a、三甲基铝脉冲0.1秒，使用氮气或氩气作为载气输送到反应腔，载气流量为 150sccm ；
b、氮气或氩气冲洗腔体2 30秒，流量为150SCCm；
c、臭氧脉冲3秒，臭氧流量为200 300sCCm，使用氮气或氩气作为载气输送到反应腔， 载气流量为150SCCm ；
d、氮气或氩气冲洗腔体6秒，流量为150sCCm；
利用自限制表面吸附效应，制得氧化铝超薄薄膜；当循环次数在250时，得到的薄膜厚度为35. 33纳米；当循环次数在500时，得到的薄膜厚度约70纳米。上述反应是在密封的真空反应腔中进行的。本制备方法基于原子层沉积系统实现。本发明制备得到的为一种氧化铝超薄薄膜材料，相对于其他原子层沉积工艺得到的氧化铝薄膜，该材料除了同样具备绝缘性能优异、薄膜表面致密光滑、生长厚度精密可控、台阶覆盖性极佳、与硅基半导体工艺兼容等优点外，还具备如下特点(1)生长温度大大降低，在室温下即可合成。以前合成的氧化铝薄膜需在200 400°C下得到，而在室温下利用臭氧合成的氧化铝超薄膜制备还是首次；生长温度的降低还导致生产过程中能源消耗的极大减少。(2)特别适合作为以碲镉汞等高温下极易挥发的窄禁带半导体材料、有机薄膜材料为基础的半导体材料与器件中的绝缘层。
图1为本发明循环次数为2000所得薄膜的AFM图，右侧为高度标尺； 图2为本发明循环次数为2000所得薄膜的SEM图3为Al/Al203/p-Si复合MIS结构电容器在不同频率下的C-V特性图，其中的Al2O3 生长循环次数为2000次，Al电极采用真空蒸发法在Al2O3表面制作得到；
图4为Al/Al203/Pt复合MIS结构电容器的I-V曲线图，其中的Al2O3生长循环次数为 1000次，Al电极采用真空蒸发法在Al2O3表面制作得到，Al2O3超薄膜的击穿电压将近60V， 显示了极佳的绝缘性能。
具体实施例方式实施例1
将硅片衬底使用无水乙醇冲洗后，用氮气吹干，放置于样品托盘上，送入原子层沉积系统的真空反应腔，抽真空使真空度达到:3hpa。固定在真空反应腔的样品托盘上的衬底保持在室温下；对装有三甲基铝的源瓶进行制冷使其温度保持在20°C ；99. 999%纯度的氧气和99. 999%纯度的氮气按照95 5的体积比混合均勻后，通过臭氧发生器产生臭氧气体；沉积系统内通入惰性气体-氮气(纯度为 99. 9999%)，使反应腔内、中间空间气压分别保持在;3hpa、10hpa。利用氮气(纯度为99. 9999%)作为载气，将两种源采用脉冲方式依次通过管道送进真空反应腔体，具体地说，每个的生长循环由以下脉冲依次组成
a、三甲基铝脉冲0.1秒，使用氮气或氩气作为载气输送到反应腔，载气流量为 150sccm ；
b、氮气冲洗腔体4秒，流量为150SCCm；
c、臭氧脉冲3秒，臭氧流量为300sCCm，使用氮气作为载气输送到反应腔，载气流量为 150sccm ；
d、氮气冲洗腔体6秒，流量为150SCCm。限制生长循环次数为250时，得到厚度为35. 33纳米的所述薄膜样品。实施例2
将硅片衬底使用无水乙醇冲洗后，用氮气吹干，放置于样品托盘上，送入原子层沉积系统的真空反应腔，抽真空使真空度达到lhpa。固定在真空反应腔的样品托盘上的衬底保持在室温下；对装有三甲基铝的源瓶进行制冷使其温度保持在15°C ；99. 999%纯度的氧气和99. 999%纯度的氮气按照95 5的体积比混合均勻后，通过臭氧发生器产生臭氧气体。沉积系统内通入惰性气体-氩气(纯度为 99. 9999%)，使反应腔内、中间空间气压分别保持在;3hpa、l^ipa。利用氩气(纯度为99. 9999%)作为载气，将两种源采用脉冲方式依次通过管道送进真空反应腔体，具体地说，每个的生长循环由以下脉冲依次组成
a、三甲基铝脉冲0.1秒，使用氩气作为载气输送到反应腔，载气流量为150sCCm ；
b、氩气冲洗腔体4秒，流量为150SCCm；
c、臭氧脉冲3秒，臭氧流量为300sCCm，使用氩气作为载气输送到反应腔，载气流量为 150sccm ；
d、氩气冲洗腔体6秒，流量为150SCCm。限制生长循环次数为500时，得到厚度为70纳米的所述薄膜样品。
权利要求
1. 一种氧化铝超薄薄膜的制备方法，其特征在于所述氧化铝超薄薄膜是在室温下采用原子层沉积方式生长在衬底上而制得；其制备方法包括以下具体步骤(1)、原料三甲基铝、氮气或氩气、氧气和衬底；氮气或氩气及氧气采用纯度为99. 9999%的气体； 衬底为硅片、镍酸镧薄膜、氧化铟薄膜或钼片；⑵、制备氧化铝超薄薄膜将衬底用无水乙醇冲洗后，用氮气吹干，放置于样品托盘上，送入原子层沉积系统的真空反应腔，抽真空使真空度达到1 :3hpa ；固定在真空反应腔的样品托盘上的衬底保持在室温下；对装有三甲基铝的源瓶进行制冷使其温度保持在15 20°C，氧气和氮气按照95 5的体积比混合均勻后，通过臭氧发生器产生臭氧气体；沉积系统内通入氮气或氩气，使反应腔内及中间空间气压分别保持在 1 :3hpa和6 15hpa ；每个生长循环由以下四个气体脉冲组成a、三甲基铝脉冲0.1秒，使用氮气或氩气作为载气输送到反应腔，载气流量为 150sccm ；b、氮气或氩气冲洗腔体2 30秒，流量为150SCCm；c、臭氧脉冲3秒，臭氧流量为200 300sCCm，使用氮气或氩气作为载气输送到反应腔， 载气流量为150SCCm ；d、氮气或氩气冲洗腔体6秒，流量为150sCCm；利用自限制表面吸附效应，制得氧化铝超薄薄膜；当循环次数在250时，得到的薄膜厚度为35. 33纳米；当循环次数在500时，得到的薄膜厚度约70纳米。
全文摘要
本发明公开了一种氧化铝超薄薄膜的制备方法，该方法是以脉冲方式依次进源、利用自限制吸附效应制备得氧化铝超薄薄膜材料；其制备方法基于原子层沉积系统实现；本发明具有反应温度低，生长条件简单，重复性高，无杂质、可控性高等优点；本发明制备的氧化铝超薄薄膜在半导体、集成铁电、光学镀膜、太阳能电池等领域具有广阔的应用前景。
文档编号C23C16/44GK102560419SQ20111038692
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者李亚巍, 沈育德, 褚君浩 申请人:华东师范大学