在硅衬底上制作台阶生长Mg_xZn_1-xO薄膜的方法

专利名称：在硅衬底上制作台阶生长Mg_xZn_1-xO薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种在硅衬底上制作台阶生长MgxZrvxO薄膜的方法，属于半导体光电 子材料制造技术领域。
背景技术：
1997年，ZnO薄膜受激发射的性能被报道。今天，ZnO薄膜已经成为一种宽禁带 透明半导体光电子材料。当在ZnO中掺入Mg元素，形成MgxZrvxO合金薄膜，可以使其中的 ZnO薄膜的禁带宽度进一步增大，在紫外发光器件和紫外探测器件等领域具有重要应用。申 请号为200910066945. 2、名称为“具有Al2O3缓冲层的硅衬底MgxZrvxO薄膜磁控溅射制备 方法”的中国发明专利申请公开了一项制备MgxZrvxO薄膜的技术方案。该方案采用磁控溅 射方法，先在硅衬底生长Al2O3缓冲层薄膜，然后再在Al2O3缓冲层薄膜上生长MgxZrvxO薄 膜。该方法所采用的硅衬底与以往的蓝宝石、氮化镓衬底相比，价格低、易于切割，并且也使 得所制备的薄膜器件具备了与电子工业领域的硅工艺集成微电子和光电子技术相兼容的 前提。还解决了直接在硅衬底生长MgxZrvxO薄膜出现的晶格失配现象继而导致在衬底与薄 膜之间存在很大应力的问题。制备出高质量的晶态MgxZrvxO薄膜，如构成薄膜的多晶晶粒 大而均勻，形貌平整、无龟裂。另外，现有技术采用的缓冲层还有GaN、MgO以及低温ZnO薄 膜。

发明内容
然而，现有技术仍存在其不足，如果引入的缓冲层为GaN薄膜或者Al2O3薄膜，会在 后续生长的MgxZrvxO薄膜中引入外来杂质，这些杂质会对MgxZrvxO薄膜的结构造成影响， 从而严重影响MgxZrvxO薄膜包括光学特性在内的许多特性，尤其是电学特性，如引起类似 于半导体掺杂效应带来的影响；如果引入的缓冲层为MgO或者低温ZnO薄膜，那么缓冲层中 的Mg原子或Zn原子会向后续生长的MgxZrvxO薄膜中扩散，造成MgxZrvxO薄膜中的Mg原 子或者Zn原子比例失调。因此，为了克服现有技术因引入缓冲层而带来的两方面的技术问 题，同时保留采用硅衬底，我们发明了一种在硅衬底上制作台阶生长MgxZrvxO薄膜的方法。本发明在硅衬底上生长MgxZrvxO薄膜，其特征在于，在硅衬底上生长MgxZrvxO薄 膜之前，在硅衬底表面制作规则分布的台阶，硅衬底表面因此被划分为顶层表面、底层表面 两种，顶层表面、底层表面高度相差30 200nm，顶层表面面积之和小于底层表面面积之 禾口。本发明之方法其技术效果在于，未引入缓冲层，从而避免现有技术因引入缓冲层 所带来的两方面的技术问题；同时保留采用硅衬底，从而相对于非硅衬底，如蓝宝石、氮化 镓衬底，价格低、易于切割，采用所制备的MgxZrvxO薄膜制作的薄膜器件具备与电子工业领 域的硅工艺集成微电子和光电子技术相兼容的前提这一优点也被保留了下来。更重要的 是，还解决了在未制作台阶的硅衬底上直接生长MgxZrvxO薄膜出现的晶格失配现象继而导 致在衬底与薄膜之间存在很大应力的问题，这是因为所制作的规则分布的台阶从物理方面大大缓解了所述应力。在硅衬底表面制作台阶的措施还带来一个附带的效果，那就是从薄 膜生长理论上讲，这些“台阶”充当薄膜初始生长时的成核位置，有利于薄膜的后续生长，由 于大量这样的成核位置的存在，也使得薄膜生长速率增大。制备出的MgxZrvxO薄膜晶态质 量高，如构成薄膜的多晶晶粒大而均勻，这一点可由χ射线衍射检测结果验证，见图1所示， 图中上面的曲线为采用本发明之方法制备的MgxZrvxO薄膜χ射线衍射检测曲线，其衍射峰 半峰宽仅为0. 16°，下面的曲线为在没有台阶的硅衬底上生长的MgxZrvxO薄膜χ射线衍射 检测曲线，其衍射峰半峰宽高达0. 39°。采用本发明之方法制备的MgxZrvxO薄膜形貌平整、 无龟裂，见图2所示，而在没有台阶的硅衬底上生长的MgxZrvxO薄膜则布满龟裂，见图3所示ο


图1是在硅衬底上生长的MgxZrvxO薄膜χ射线衍射检测图。图2是采用本发明之方 法制备的MgxZrvxO薄膜形貌扫描电镜照片。图3是在没有台阶的硅衬底上生长的MgxZrvxO 薄膜形貌扫描电镜照片。图4是本发明之方法所采用的硅衬底示意图。图5是本发明之方 法在硅衬底上涂覆抗蚀剂情况示意图。图6是本发明之方法在抗蚀剂上覆盖掩膜版情况示 意图。图7是本发明之方法掩膜版每个非掩膜部分的图形为圆角正方形的情况示意图。图 8是本发明之方法掩膜版每个非掩膜部分的图形为圆形的情况示意图。图9是本发明之方 法抗蚀剂对应掩膜版非掩膜部分之处被溶解、其他部分保留下来的情况示意图。图10是本 发明之方法在硅衬底上制作台阶情况示意图。图11是本发明之方法获得的表面具有规则 分布的台阶的硅衬底示意图。图12是本发明之方法获得的表面具有规则分布的台阶的硅 衬底局部俯视示意图。图13是本发明之方法在表面具有规则分布的台阶的硅衬底上生长 的MgxZrvxO薄膜情况示意图，该图兼作为摘要附图。
具体实施例方式本发明之方法具体是这样实现的硅衬底1材料为单晶硅，见图4所示，单晶硅为η型或者ρ型，为(100)方向或者 (111)方向；对硅衬底进行严格的清洗，包括有机清洗和无机清洗。在硅衬底1上采用旋转涂胶或者是喷涂的方法涂覆一层抗蚀剂2，见图5所示，抗 蚀剂2为光致抗蚀剂，即光刻胶，或者电子抗蚀剂，既可以是正性的，也可以是负性的。在抗蚀剂2上覆盖掩膜版3，见图6所示，掩膜版3的掩膜4图形与欲制作台阶的 硅衬底表面的顶层表面图形一致，掩膜版3的非掩膜部分5图形与欲制作台阶的硅衬底表 面的底层表面图形一致。每个非掩膜部分5的图形为圆角正方形，边长为0. 1 100 μ m，见 图7所示；或者为圆形，直径为0. 1 100 μ m，见图8所示。各个非掩膜部分5阵列分布， 轮廓相距0. 1 100 μ m，见图7、图8所示。光刻曝光抗蚀剂2。其中，对于光致抗蚀剂，采取光学曝光方式；对于电子抗蚀剂， 则采取电子束或者离子束曝光方式。之后去除掩膜版3。显影抗蚀剂2。抗蚀剂2对应非掩膜部分5的部分被溶解，其他部分保留下来，见 图9所示。在硅衬底1上制作台阶。采用腐蚀或者刻蚀的方法，如湿法腐蚀、干法腐蚀或者反应离子刻蚀等方法之一，加工抗蚀剂2被溶解处的硅衬底1表面，硅衬底1表面因此被划分为顶层表面6、底层表面7两种，呈现出规则分布的台阶，见图10所示，顶层表面6、底层表 面7高度相差30 200nm，或者说台阶高30 200nm，顶层表面6面积之和小于底层表面 7面积之和。去除抗蚀剂2。采用有机溶剂清洗，去除抗蚀剂2，见图11所示，获得表面具有规 则分布的台阶的硅衬底1，见图12所示。生长MgxZrvxO薄膜。清洗硅衬底1，放入薄膜生长设备中，作为生长衬底。采用分 子束外延、化学气相沉积、溅射镀膜、脉冲激光沉积、原子层沉积等方法之一制备MgxZrvxO 薄膜8，见图13所示，其中Mg和Zn的原子比例根据具体设备自行调节。下面举例说明本发明之方法。硅衬底1材料为单晶硅，见图4所示，单晶硅为η型，为(100)方向；对硅衬底进行 严格的清洗(a) CCl4超声清洗10分钟，丙酮超声清洗10分钟，去离子水反复冲洗10分钟；(b)NH4OH H2O2 H2O = 1 1 5，80°C，清洗 10 分钟，去离子水洗净;(c) 0.5% HF浸泡1分钟，去离子水洗净；(d)HCl H2O2 H2O=I 1 5，80°C，清洗 10 分钟，去离子水洗净；(e) 0.5% HF浸泡1分钟，去离子水洗净。最后用氮气吹干硅衬底1。在硅衬底1上采用旋转涂胶的方法涂覆一层正性抗蚀剂2，见图5所示，抗蚀剂2 为光致抗蚀剂，即光刻胶，如PMMA。在抗蚀剂2上覆盖掩膜版3，见图6所示，掩膜版3的掩膜4图形与欲制作台阶的 硅衬底表面的顶层表面图形一致，掩膜版3的非掩膜部分5图形与欲制作台阶的硅衬底表 面的底层表面图形一致。每个非掩膜部分5的图形为圆角正方形，边长为4μπι。各个非掩 膜部分5阵列分布，轮廓相距2 μ m，见图7所示。光刻曝光抗蚀剂2。采取光学曝光方式。之后去除掩膜版3。显影抗蚀剂2。显影液为KOH溶液，浓度7. 5%。，抗蚀剂2对应非掩膜部分5的部 分被溶解，其他部分保留下来，见图9所示。在硅衬底1上制作台阶。采用湿法腐蚀方法加工抗蚀剂2被溶解处的硅衬底1表 面，硅衬底1表面因此被划分为顶层表面6、底层表面7两种，呈现出规则分布的台阶，见图 10所示，顶层表面6、底层表面7高度相差lOOnm，或者说台阶高lOOnm，顶层表面6面积之 和小于底层表面7面积之和。去除抗蚀剂2。采用有机溶剂丙酮清洗，去除抗蚀剂2，见图11所示，获得表面具 有规则分布的台阶的硅衬底1，见图12所示。生长MgxZrvxO薄膜。清洗硅衬底1，放入分子束外延设备中，作为生长衬底。采用 分子束外延方法制备MgxZrvxO薄膜8，见图13所示，其中Mg和Zn的原子比例根据具体设 备自行调节，如Mga Zna9O。
权利要求
一种在硅衬底上制作台阶生长MgxZn1 xO薄膜的方法，在硅衬底上生长MgxZn1 xO薄膜，其特征在于，在硅衬底上生长MgxZn1 xO薄膜之前，在硅衬底表面制作规则分布的台阶，硅衬底表面因此被划分为顶层表面、底层表面两种，顶层表面、底层表面高度相差30～200nm，顶层表面面积之和小于底层表面面积之和。
2.根据权利要求1所述的生长MgxZrvxO薄膜的方法，其特征在于，在硅衬底表面制作 规则分布的台阶的过程为A、在硅衬底(1)上涂覆一层抗蚀剂(2)；B、在抗蚀剂(2)上覆盖掩膜版(3)，掩膜版(3)的掩膜(4)图形与欲制作台阶的硅衬底 表面的顶层表面图形一致，掩膜版(3)的非掩膜部分(5)图形与欲制作台阶的硅衬底表面 的底层表面图形一致；C、光刻曝光抗蚀剂(2)；D、显影抗蚀剂(2)，抗蚀剂⑵对应非掩膜部分(5)的部分被溶解，其他部分保留下来；E、采用腐蚀或者刻蚀的方法加工抗蚀剂(2)被溶解处的硅衬底(1)表面，硅衬底(1) 表面因此被划分为顶层表面(6)、底层表面(7)两种，呈现出规则分布的台阶；
3.根据权利要求2所述的生长MgxZrvxO薄膜的方法，其特征在于，每个非掩膜部分(5) 的图形为圆角正方形，边长为0. 1 ΙΟΟμπι，或者为圆形，直径为0. 1 ΙΟΟμπι;各个非掩 膜部分(5)阵列分布，轮廓相距0. 1 ΙΟΟμπι。
4.根据权利要求2所述的生长MgxZrvxO薄膜的方法，其特征在于，所述腐蚀或者刻蚀 的方法为湿法腐蚀、干法腐蚀或者反应离子刻蚀等方法之一。
全文摘要
在硅衬底上制作台阶生长MgxZn1-xO薄膜的方法属于半导体光电子材料制造技术领域。现有技术在硅衬底上引入缓冲层，要么在后续生长的MgxZn1-xO薄膜中引入外来杂质，要么造成MgxZn1-xO薄膜中的Mg原子或者Zn原子比例失调。本发明在硅衬底上生长MgxZn1-xO薄膜之前，在硅衬底表面制作规则分布的台阶，硅衬底表面因此被划分为顶层表面、底层表面两种，顶层表面、底层表面高度相差30～200nm，顶层表面面积之和小于底层表面面积之和。本发明用于在硅衬底上直接制备MgxZn1-xO薄膜。
文档编号H01L31/18GK101969023SQ20101024453
公开日2011年2月9日 申请日期2010年8月4日 优先权日2010年8月4日
发明者向嵘, 李野, 王国政, 王新, 田景全, 端木庆铎 申请人:长春理工大学