ECR等离子体辅助原子层沉积Al2O3薄膜的研究及其参数诊断

论文摘要

由于超薄氧化铝薄膜在微电子方面的应用越来越广泛,所以对它的制备方法的研究和改良也越来越吸引人们去研究。目前以金属有机源为单体制备超薄氧化铝薄膜的方法主要有原子层沉积（ALD）、金属有机源化学气相沉积（MOCVD）,分子束外延（MBE）等方法,其中以ALD技术最为突出,因为该技术所沉积的薄膜不但均匀、而且纯度高,保形性好,同时能够精确的控制膜层厚度和组分,使得该技术得到了非常广泛的关注。但是,目前利用原子层沉积技术进行氧化铝薄膜的制备主要是依赖高温才能进行,也就是热原子层沉积技术-Thermal ALD。这样就大大地限制了该技术在更广泛领域的应用；加上设备比较昂贵,也使该技术不能被广泛推广。所以迫切需要一种新的技术和工艺来克服这个缺点,使得该技术能够在低温甚至室温下进行氧化铝薄膜的原子层沉积。而这正是本论文的研究目的。实验采用的装置为自行设计的电子回旋共振微波ECR等离子体发生装置。在进行氧化铝薄膜制备前,首先利用朗缪尔探针和发射光谱对该装置产生的等离子体参数进行了测量,掌握了等离子体密度、电子温度在反应室内的分布规律。然后以有机金属三甲基铝气源（TMA）为前躯体,氧气为氧化剂,HF处理过的单晶硅片为基片,在无如何外加热条件下进行了原子层沉积（ALD）氧化铝薄膜的实验研究。利用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）等分析手段对薄膜进行了化学成分和微观结构的表征。同时还研究了等离子体工艺参数对薄膜结构及成分的影响,以及薄膜热退火处理后其结构和成分所发生的变化。最后对薄膜可能的沉积机理进行了分析。以下为实验所取得的结果及分析：1、通过各种测试手段的表征,证明采用微波ECR等离子体增强技术可以室温下进行原子层沉积A1203薄膜,所制备的薄膜质量较好；2、在高微波功率条件下,采用本实验工艺不能制备Al2O3薄膜。在低微波功率条件下,制备的薄膜O元素的含量均过量,其Al、O元素的相对原子个数比接近A1203的标准成分摩尔比,薄膜的表面粗糙度很小。3、基台负偏压对沉积薄膜的表面形貌影响较大：高负偏压会使得离子轰击加强,造成严重的刻蚀效应,降低薄膜的沉积速率。从提高沉积速率出发,不适宜选用较大的负偏压,认为选用50W为宜。4、单体与O2的进气反应时间不同,薄膜中Al、O元素的相对含量会发生相应的变化。当氧气的进气时间相对较长时,薄膜中O元素的含量会相对增加,也就是说所制备的薄膜为富含氧薄膜,即氧过量。5、改变O2流量对薄膜中O元素的含量也有一定的影响。随着O2流量的增加,在高O2流量下,Al、O相对原子个数比降低。6、Ar的冲洗时间对薄膜表面形貌有着非常重要的影响：冲洗时间短,薄膜表面颗粒性较大,分布不均匀；冲洗时间长薄膜表面光滑致密,颗粒性非常均匀。7、薄膜在经过高温退火之后,形成了明显的晶相,其粗糙度明显增加。原因为在高温条件下,晶粒慢慢长大最终形成晶体导致的。8、通过分析,我们认为薄膜可能的沉积机理为：在等离子体能量的作用下,TMA脉冲时间形成AlCH3*活性基,O2脉冲时间形成O原子活性基,然后通过化学吸附反应,最终形成Al2O3薄膜。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 微波ECR等离子体技术
• 1.2 超薄氧化铝薄膜的制备方法和应用
• 1.3 本科题研究背景和意义
• 1.4 本课题研究内容
• 参考文献
• 第二章 实验装置和氧化铝薄膜性能表征
• 2.1 微波ECR等离子体实验装置
• 2.2 微波ECR放电工艺参数设定
• 2.3 氧化铝薄膜制备的工艺流程
• 2.4 薄膜的分析检测和表征方法
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 微波ECR装置的参数测量
• 3.1 磁场分布
• 3.2 等离子体参数诊断方法及原理
• 3.3 等离子体参数分布特性
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 超薄氧化铝薄膜的沉积
• 4.1 薄膜的制备
• 4.2 薄膜的特性表征
• 4.3 等离子体工艺参数对薄膜结构的影响
• 4.4 退火对薄膜结构的影响
• 2O₃薄膜可能的沉积机理'>4.5 ALD Al₂O₃薄膜可能的沉积机理
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结和展望
• 5.1 本文主要研究成果与结论
• 5.2 本文的创新之处
• 5.3 进一步工作展望
• 攻读硕士学位期间发表及待发表的论文
• 致谢