CN103866266B - 一种制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法,属于氧化锌薄膜制备技术领域。所述方法包括:原子层沉积设备通入含锌源气体和含氧源气体,在原子层沉积设备反应腔中的硅衬底表面生长氧化锌薄膜;原子层沉积设备通入含铝源气体和含氧源气体,在氧化锌薄膜表面生长氧化铝层。本发明可以简单地抑制氧化锌形核生长,制备出性能完整、具有极低表面粗糙度的氧化锌薄膜。

Description

一种制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法
技术领域
本发明涉及氧化锌薄膜制备技术领域,特别涉及一种制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法。
背景技术
传统非晶硅薄膜晶体管(TFT)的迁移率偏低,对光敏感,光照下电学特性容易退化。非晶硅TFT对工艺温度要求高,不适合以高分子材料为基础的柔性衬底的工艺要求。上述缺点极大地限制了非晶硅薄膜晶体管在透明、柔性等显示器件中的应用。氧化锌(ZnO)是II-VI族半导体,原子间主要以极性共价键结合,为纤锌矿结构,具有宽禁带、高透光率、高迁移率等优点,氧化锌更适合作为TFT沟道层,应用于透明平板显示领域。
现有用于TFT的氧化锌薄膜的制备方法有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、溶胶凝胶法等,这些方法需要使用高能等离子体,对沉积的氧化锌薄膜造成无法避免的损伤,严重影响了氧化锌薄膜的电学性质;或者生长衬底温度较高,对设备的要求较高,工艺复杂。上述方法制备的氧化锌薄膜的粗糙度较高,薄膜的性质不理想。
原子层沉积(ALD,Atomiclayerdeposition)技术具有精确的厚度可控性,较低的工艺温度,生长的薄膜具有非常好的均匀性,非常适合制备氧化锌基TFT。然而原子层沉积制备氧化锌薄膜过程中,会出现形核中心,后续沉积的氧化锌会在形核中心处聚集生长,使得形核中心处的晶核生长过快,最终形成六角柱状结构,导致了生长的氧化锌薄膜具有较高的表面粗糙度,限制了氧化锌薄膜在TFT领域的应用。
发明内容
为了解决现有原子层沉积制备氧化锌薄膜过程中由于晶核生长过快,导致生长的氧化锌薄膜表面粗糙度高等问题,本发明提供了一种制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法,包括:原子层沉积设备通入含锌源气体和含氧源气体,在所述原子层沉积设备反应腔中的硅衬底表面生长氧化锌薄膜;所述硅衬底表面预先采用RCA标准清洗法进行清洗,在所述硅衬底表面形成硅醇键;所述原子层沉积设备通入含铝源气体和含氧源气体,在所述氧化锌薄膜表面生长氧化铝层;
所述含锌源气体的进气时间为0.1s-1s,反应时间为10s~60s;所述含氧源气体的进气时间为0.1s-1s,反应时间为10s-60s;所述含铝源气体的进气时间为0.05s-1s,反应时间为1s-30s;所述氧化锌薄膜的厚度为1nm-10nm;所述氧化锌薄膜表面的粗糙度为0.1nm-0.3nm;所述氧化铝层的厚度为0.5nm-1nm。
所述含锌源气体为高挥发性、高纯度的二甲基锌或二乙基锌。
所述含氧源气体包括水蒸汽、臭氧或氧气。
所述含铝源气体包括三甲基铝或三乙基铝。
所述原子层沉积设备采用的载气为氮气;所述氮气的流量为1sccm-1000sccm;所述原子层沉积设备反应腔中用于承载硅衬底的基盘的温度为50℃-300℃。
所述方法还包括:采用所述载气吹扫所述原子层沉积设备反应腔,载气吹扫时间为30s-90s。
本发明提供了一种利用原子层沉积设备,采用氧化铝作为阻挡层抑制氧化锌形核生长,制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法,与直接原子层沉积制备氧化锌薄膜的方法相比具有以下优点:
1)本发明在生长氧化锌薄膜的过程中,采用氧化铝作为阻挡层,氧化铝和氧化锌之间没有外延生长的关系,氧化锌形核生长得到了有效地抑制,生长的氧化锌薄膜的表面粗糙度更低,均匀性更高;
2)由于原子层沉积技术可以精确地控制氧化铝阻挡层的厚度,极好地抑制了氧化锌形核生长,可以制备超薄均匀的氧化锌薄膜,更适合需要超薄半导体薄膜的器件。
附图说明
图1是本发明实施例中硅衬底表面生长氧化锌薄膜示意图;
图2是本发明实施例中在氧化锌薄膜上生长氧化铝阻挡层示意图;
图3是本发明实施例制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明技术方案作进一步描述。
参见图3,本发明实施例提供了一种利用原子层沉积设备,采用氧化铝作为阻挡层抑制氧化锌形核生长,制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法,包括如下步骤:
步骤101:采用RCA标准清洗法对硅衬底表面进行清洗,清洗之后将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中。
RCA标准清洗法主要包括以下几种清洗液:1)SPM:由浓硫酸和双氧水组成,浓硫酸:双氧水=4:1(体积比);2)氢氟酸;3)APM(SC-1):由氨水、纯净水和双氧水组成,氨水:纯净水:双氧水=1:5:1(体积比);4)HPM(SC-2):由盐酸、双氧水和纯净水组成,盐酸:双氧水:纯净水=1:1:6(体积比)。硅衬底经过RCA标准清洗法清洗之后,在硅衬底表面形成硅醇键,该过程也被称之为羟基化处理。经过羟基化处理后的硅衬底被放置于原子层沉积设备反应腔中。
步骤102:启动原子层沉积设备,调整各个工艺参数达到实验需要的条件;向原子层沉积设备反应腔中通入含锌源气体,含锌源气体与硅衬底表面发生化学吸附反应,使得含锌源气体中的锌原子吸附在硅衬底表面上。
本实施例中,原子层沉积设备的实验条件为:反应腔体的本底压强为0.2Pa,载气的流量为25sccm,承载硅衬底的基盘温度为200℃,生长周期是500cycle。原子层沉积设备采用的载气的作用是以一定的流速载带气体样品,经过分离后,载气被收集或放空,载气只是起载带而不参与反应,常用的载气有氢气、氦气、氮气、氩气等,本实施例采用氮气作为载气,氮气流量为1sccm-1000sccm,优选地为25sccm;在整个制备过程中,载气始终不断地通入到原子层沉积设备反应腔中,除了载带气体样品之外,还作为吹扫气体使用。原子层反应腔中用于承载硅衬底的基盘的温度为50℃-300℃,优选地为200℃。
含锌源气体为高挥发性、高纯度的有机锌化合物,其中有机锌化合物包括二甲基锌或二乙基锌,本实施例选用二乙基锌气体作为含锌源气体,二乙基锌气体和硅衬底表面发生化学吸附反应,化学反应式为:
Si-OH+C2H5-Zn-C2H5→Si-O-Zn-C2H5+C2H6
通过化学吸附反应,含锌源气体中的锌原子吸附在硅衬底表面上,生成锌氧键和乙烷。含锌源气体的进气时间为0.1s-1s,优选地为0.1s;反应时间为10s~60s,优选地为20s。
步骤103:停止通入含锌源气体,采用载气(氮气)吹扫原子层沉积设备反应腔,去除未发生化学吸附反应的含锌源气体。
氮气的通入时间为30s-90s,即吹扫时间30s-90s。
步骤104:向原子层沉积设备反应腔中通入含氧源气体,含氧源气体中的氧原子与硅衬底表面上的锌原子发生取代反应,生成锌氧键。
含氧源气体包括水蒸汽、臭氧或氧气,本实施例采用水蒸汽作为含氧源气体。水蒸汽中的氧原子与硅衬底上的锌原子发生取代反应,生成锌-氧键和乙烷,反应式为:Zn-C2H5+H-OH→Zn-OH+C2H6↑,如图1所示。含氧源气体的进气时间为0.1s-1s,优选地为0.5s;反应时间为10s~60s,优选地为30s。
步骤105:停止通入含氧源气体,采用载气(氮气)吹扫原子层沉积设备反应腔,去除未发生取代反应的含氧源气体。
氮气的通入时间为30s-90s,即吹扫时间30s-90s。
步骤106:向原子层沉积反应腔中通入含铝源气体,含铝源气体中的铝原子与硅衬底表面上的氧原子发生取代反应,生成铝氧键。
含铝源气体为高挥发性、高纯度的有机铝化合物,包括三甲基铝或三乙基铝,本实施例选用三甲基铝气体作为含铝源气体;三甲基铝气体中的铝原子与硅衬底表面上的氧原子发生取代反应,生成铝氧键和甲烷,反应式为:含铝源气体的进气时间为0.05s-1s,优选地为0.05s;反应时间为1s~30s,优选地为10s。
步骤107:停止通入含铝源气体,采用载气(氮气)吹扫原子层沉积设备反应腔,去除未发生取代反应的含铝源气体。
氮气的通入时间为30s-90s,即吹扫时间30s-90s。
步骤108:向原子层沉积设备反应腔中通入含氧源气体,含氧源气体中的氧原子与硅衬底表面上的铝原子发生取代反应,生成铝氧键。
含氧源气体包括水蒸汽、臭氧或氧气,本实施例采用水蒸汽作为含氧源气体。水蒸汽中的氧原子与衬底上的铝原子发生取代反应,生成铝-氧键和甲烷,反应式为:Al-CH3+H-OH→Al-OH+CH4↑,如图2所示。含氧源气体的进气时间为0.1s-1s,优选地为0.1s;反应时间为5s~60s,优选地为10s。
在具体生产实践中,上述工艺步骤需要进行多次重复,从而在氧化锌薄膜表面上生长出厚度为0.5nm-1nm氧化铝阻挡层,如图2所示。通常的做法是:对氧化锌薄膜的制备工艺过程,即步骤102至步骤105,进行4-40次重复,优选地为20次,得到如图1所示的高质量的氧化锌薄膜,其厚度为1nm-10nm,由图1可以看出,氧化锌薄膜中出现了形核中心和部分形核中心处晶核的生长;在步骤108执行完成之后,对氧化铝阻挡层制备工艺进行多次重复,即步骤106至步骤108进行5-10次重复,优选5次,进而生长出厚度为0.5nm-1nm氧化铝阻挡层,从而使氧化锌薄膜中形核中心处晶核的生长受到抑制;再对整个制备工艺过程,即步骤102至步骤108,进而制备出所需厚度的氧化锌薄膜,表面粗糙度为0.1nm-0.3nm。
本发明实施例提供了一种利用原子层沉积设备,采用氧化铝作为阻挡层抑制氧化锌形核生长,制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法,与直接原子层沉积制备氧化锌薄膜的方法相比具有以下优点:
1)本发明在生长氧化锌薄膜的过程中,采用氧化铝作为阻挡层,氧化铝和氧化锌之间没有外延生长的关系,氧化锌形核生长得到了有效地抑制,生长的氧化锌薄膜的表面粗糙度更低,均匀性更高;
2)由于原子层沉积技术可以精确地控制氧化铝阻挡层的厚度,极好地抑制了氧化锌形核生长,可以制备超薄均匀的氧化锌薄膜,更适合需要超薄半导体薄膜的器件。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法,其特征在于,所述方法包括:
原子层沉积设备通入含锌源气体和含氧源气体,在所述原子层沉积设备反应腔中的硅衬底表面生长氧化锌薄膜;所述硅衬底表面预先采用RCA标准清洗法进行清洗,在所述硅衬底表面形成硅醇键;
所述原子层沉积设备通入含铝源气体和含氧源气体,在所述氧化锌薄膜表面生长氧化铝层;
所述含锌源气体的进气时间为0.1s-1s,反应时间为10s~60s;所述含氧源气体的进气时间为0.1s-1s,反应时间为10s-60s;所述含铝源气体的进气时间为0.05s-1s,反应时间为1s-30s;所述氧化锌薄膜的厚度为1nm-10nm;所述氧化锌薄膜表面的粗糙度为0.1nm-0.3nm;所述氧化铝层的厚度为0.5nm-1nm。
2.如权利要求1所述的制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法,其特征在于,所述含锌源气体为高挥发性、高纯度的二甲基锌或二乙基锌。
3.如权利要求1所述的制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法,其特征在于,所述含氧源气体包括水蒸汽、臭氧或氧气。
4.如权利要求1所述的制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法,其特征在于,所述含铝源气体包括三甲基铝或三乙基铝。
5.如权利要求1所述的制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法,其特征在于,所述原子层沉积设备采用的载气为氮气;所述氮气的流量为1sccm-1000sccm;所述原子层沉积设备反应腔中用于承载硅衬底的基盘的温度为50℃-300℃。
6.如权利要求5所述的制备低表面粗糙度氧化锌薄膜的方法,其特征在于,所述方法还包括:采用所述载气吹扫所述原子层沉积设备反应腔,载气吹扫时间为30s-90s。
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