原子层沉积系统的原理及其在ZrO2薄膜制备方面的应用

汤振杰，李　荣

(1.安阳师范学院 物理与电气工程学院，河南 安阳 455000;2.安阳师范学院 数学与统计学院，河南 安阳 455000)



原子层沉积系统的原理及其在ZrO2薄膜制备方面的应用

汤振杰1，李荣2

(1.安阳师范学院 物理与电气工程学院，河南 安阳 455000;2.安阳师范学院 数学与统计学院，河南 安阳 455000)

[摘要]原子层沉积系统是氧化物薄膜制备的主要手段。阐述了原子沉积的主要原理及工艺参数。利用原子层沉积系统制备了高介电常数ZrO2薄膜材料，系统研究了薄膜的电学性能。研究结果表明，原子层沉积系统制备的ZrO2薄膜具有良好的介电性能，±8V扫描电压下的漏电流密度为10-3A·cm-2。

[关键词]原子层沉积；薄膜；高介电常数材料

1引 言

科学技术的进步，推动了现代薄膜生长技术与工艺的高速发展。20世纪70年代，由Suntola等人开发设计的原子层沉积 (Atomic layer deposition) 便是现代薄膜生长技术的佼佼者[1]。近年来，该技术被广泛应用到材料和微电子等领域，得到了众多从业者及科研人员的认可。原子层沉积具有良好的三维贴合性，自限性[2]和自饱和性[3]，能实现大面积薄膜沉积并且能在纳米尺度范围内控制薄膜的厚度和成分[4]；能够实现逐层生长，并且可以精确控制生长厚度。本文主要阐述原子层沉积系统的工作原理及工艺参数，进而利用该技术制备了高介电常数ZrO2薄膜材料，系统研究了薄膜的电学性能。

2原子层沉积系统的应用领域及工作原理

2.1原子层沉积的应用领域

目前，ALD 技术的应用领域包括以下几个方面：

1. 金属-氧化物-半导体-场效应晶体管栅(MOSFET)电介质和金属电极[5-7]；

2. IC 互连线和扩散阻挡层[8，9]；

3. 动态随机存储器(DRAM)和磁性随机存储器(MRAM)[10];

4. 纳米涂层[11，12]和光子晶体[13，14]；

2.2原子层沉积的工作原理

图1　原子层沉积过程示意图其中，M代表金属；L1和L2代表配合物，例如：CH3，Cl等

原子层沉积过程是在反应腔中完成的。金属源与氧源以气相形态进入到反应腔，在衬底材料表面发生反应，最终形成所需的氧化物薄膜。具体过程为，金属前驱体进入到反应腔内并吸附在衬底材料表面，与随后注入腔内的氧源发生化学反应，过剩产物被注入到腔内的高纯氮气携带，输出到腔体外部。一般的氧源为H2O和O3，臭氧由系统自带的臭氧发生器产生。通过反复上述过程，实现薄膜材料的生长，其反应过程如图1所示，氧源采用H2O。其中，(a)氮气携带金属源进入腔内; (b) 金属源的吸附，过剩金属源被氮气带出腔体；(c) 氮气携带氧源进入腔内; (d) 金属源与氧源发生化学反应。 反应腔内的温度可根据实验要求，在100 ～ 400 ℃之间调节。

2.3原子层沉积系统的气路示意图

图2 为原子层沉积系统气路示意图。该系统共有4路反应源(从左到右分别为液体源A、固体源B、液体源C 和气体源D)气体管路接入反应腔室，反应源均由高纯N2作为载气，进入沉积腔室， 其中源B的加热温度在40 ～ 200 ℃之间，A、C和D源均为室温， 除了B源只有气动阀外，其它每路源都配置有一个手动阀和一个三通的气动阀[15]。

3原子层沉积系统制备ZrO2薄膜

实验过程中采用p-Si作为衬底材料。首先，通过传统半导体衬底清洗工艺去除Si衬底表面的氧化物；而后，利用原子层沉积系统在Si衬底表面生长ZrO2薄膜，其中ZrCl4和O3作为金属源和氧源，沉积循环次数为100次，衬底温度为300℃。

图3　ZrO2薄膜的高分辨透射电子显微镜图

图3为原子层沉积系统生长ZrO2薄膜的高分辨透射电子显微镜图片。从图中我们可以看出，ZrO2薄膜的厚度约为10nm，表明原子层沉积系统制备ZrO2薄膜过程中，1个脉冲循环约生长0.1nm的ZrO2。同时，ZrO2与Si衬底之间的界面清晰，并未出现界面层。

4ZrO2薄膜的电学性能分析

利用磁控溅射系统在ZrO2薄膜上面沉积金属Pt作为上电极，电极面积为7.85×10-5cm2；选用导电银胶作为下电极。实验过程中使用Keithley 4200半导体参数分析仪测试薄膜的漏电流。

图4　ZrO2薄膜的漏电流密度

图4为ZrO2薄膜的漏电流密度。从图中可以发现，在-8到+8V的扫描电压下，ZrO2薄膜的漏电流密度最大值为10-3A·cm-2。说明原子层沉积的ZrO2薄膜具有良好的介电性能。

5结论

阐述了原子层沉积系统的工作原理及工艺参数，进一步利用原子层沉积系统制备了高介电常数ZrO2薄膜，并测试了薄膜的漏电流性能。结果表明，在-8到+8V的扫描电压下，ZrO2薄膜的漏电流密度最大值为10-3A·cm-2，表明薄膜具有良好的介电性能。

[参考文献]

[1]Suntola， T. and Antson， J.， US Patent 4 058 430 (1977).

[2]B. S. Lim， A. Rahtu and R. G. Gordon， Nat. Mater.， 2， 749 (2003).

[3]R. L.Puurunen， J. Appl. Phys.， 97， 121301 (2005).

[4]Leskelä， M. and Ritala， M.， Angew. Chem. Int. Ed.， 42， 5548 (2003).

[5]B. S. Lim， A. Rahtu， P. de Rouffignac， R. G. Gordon， Applied Physics Letters， 84， 3957 (2004).

[6]J. B. Kim， Fuentes-Hernandez， C. Potscavage， W. J.， Jr， X. H. Zhang， B. Kippelen， Applied Physics Letters， 94，142107 (2009).

[7]T. Aaltonen， M. Ritala， Y. L. Tung et al.， J. Mater. Res.， 19， 3353 (2004).

[8]P. de Rouffignac， Z. W. Li and R. G. Gordon， Electrochem. Solid State Lett.， 7， G306 (2004).

[9]Z. W. Li， D. B. Farmer， Y. Lin and J. Vlassak， Electrochem. Solid State Lett.， 8， G182 (2005).

[10]S. Monaghan， K. Cherkaoui， E. O’Connor et al.， IEEE Electron Device Lett.， 30， 219 (2009).

[11]J. D. Ferguson， A. W. Weimer and S. M. George， Chem. Mat.， 16， 5602 (2004).

[12]M. G. Willinger， G. Neri， E. Rauwel et al.， Nano Lett.， 8， 4201 (2008).

[13]E. Graugnard， O. M. Roche， S. N. Dunham， et al.， Appl. Phys. Lett.， 94， 263109 (2009).

[14]J.S. King， E. Graugnard and C. J. Summers， Adv. Mater.， 17， 1010 (2005).

[15]汤振杰. 纳米晶及纳米叠层基电荷俘获型存储器的研究[D]. 南京：南京大学博士学位论文，2012.

[16]龚佑品. 高介电栅介质薄膜的原子层沉积技术制备、界面结构与电学性能研究 [D]. 南京; 南京大学， 2010.

[责任编辑：张怀涛]

Theory of Atomic Layer Deposition and the Application of the ZrO2Film Fabrication

TANG Zhen-jie1， LI Rong2

(1. College of Physics and Electronic Engineering， Anyang Normal University， Anyang 455000， China;2. School of Mathematics and Statistics， Anyang Normal University， Anyang 455000， China)

Abstract:Atomic layer deposition is an important fabrication mean of oxide films. In this paper, The principle and process parameters of atomic layer deposition are elaborated. The High-k ZrO2 film is fabricated by the atomic layer deposition， and the electrical property also is investigated. It is can be seen that the ZrO2 film has an excellent dielectric property， and the leakage current density is 10-3A cm-2under ±8 V gate sweeping voltage.

Key words:Atomic layer deposition; Film; High-k

[收稿日期]2016-02-05

[基金项目]国家自然基金(51402004)；河南省科技厅项目(142102210380)；河南省教育厅项目(15A140003， 14A140008，13A140021)。

[作者简介]汤振杰(1982—)，男，博士，讲师，从事薄膜生长及存储器件方面的研究。

[中图分类号]O484;TB321

[文献标识码]A

[文章编号]1671-5330(2016)02-0027-03