CN108070843B - 一种p型氧化锌薄膜制备装置及方法 - Google Patents

一种p型氧化锌薄膜制备装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体涉及一种p型氧化锌薄膜制备装置，所述装置为原子层沉积设备，所述原子层沉积设备包括反应腔室，所述反应腔室内从上至下依次设有上电极罩、绝缘盘、下电极盘和加热盘；所述上电极罩与正电极相连接，所述绝缘盘为环形，所述下电极盘与所述加热盘导通与电源负极相连接并共地，所述下电极盘的中间位置用于放置衬底；所述上电极罩产生的电场的方向相对所述衬底表面的夹角呈现空间的连续梯度变化。本发明还提供一种p型氧化锌薄膜制备方法。本发明采用原子层沉积方法，通过在衬底上方添加连续梯度变化的电场，诱导更多的氮原子轰击到衬底表面，提高了薄膜中的氮掺入浓度。

Description

一种P型氧化锌薄膜制备装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体涉及一种p型氧化锌薄膜制备装置及方法。
背景技术
氧化锌是一种具有较大的禁带宽度和较高的激子束缚能的II-VI族直接带隙半导体氧化物，室温下，氧化锌的禁带宽度约为3.37eV，激子束缚能约为60meV，远大于室温下热离化能(26meV)，因而相比GaN(激子束缚能为25meV)更易在室温下实现高效的受激发射，是一种理想的短波长发光材料。同时，氧化锌还具有高透光性、高能量转换效率、抗辐射性好、生长温度低等优点，是我国光电子、微电子等高新技术继十二五规划后耐以继续发展的关键性基础材料。
目前，制备ZnO薄膜的方法通常包括：分子束外延生长(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、激光脉冲沉积(PLD)等。其中，采用MBE和MOCVD制备的薄膜质量较好，然而，由于这两种生长方式的生长温度太高，不适合掺氮P型氧化锌的制备。原子层沉积(ALD)作为一种新型的生长方式，具备了低温生长、优良的台阶覆盖性、较好的大面积生长均匀性以及原子级别的厚度精确可控性等优点，已被纳入下一代半导体工艺生产线的范畴。原子层沉积(ALD)低温生长的方式非常适合P型氧化锌的制备，然而，ALD生长氧化锌的窗口温度范围(100℃-200℃)对掺氮过程而言还是过高，通入氮源后，表面氮原子密度远低于ZnO(002)晶面原子密度(1.1*10e+19/m2)。
因此，需要寻找一种方法，可以提高氧化锌薄膜表面吸附的氮原子的密度，以增加受元素的掺入量，促进氧化锌薄膜的P型转变。
发明内容
本发明的目的在于提供一种p型氧化锌薄膜制备装置，可以显著提高氧化锌薄膜中氮元素掺入量，以制备出薄膜结构完整、导电性能稳定的掺氮P型氧化锌薄膜。
本发明的另一目的在于提供一种p型氧化锌薄膜制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种p型氧化锌薄膜制备装置，所述装置为原子层沉积设备，所述原子层沉积设备包括反应腔室，所述原子层沉积设备包括反应腔室，所述反应腔室内从上至下依次设有上电极罩、绝缘盘、下电极盘和加热盘；所述上电极罩与正电极相连接，所述绝缘盘为环形，所述下电极盘与所述加热盘导通与电源负极相连接并共地，所述下电极盘的中间位置用于放置衬底；所述上电极罩产生的电场的方向相对所述衬底表面的夹角呈现空间的连续梯度变化。
上述方案中，所述上电极罩为半圆柱形面板，面板上设有均匀分布的圆形通孔。
一种p型氧化锌薄膜制备方法，包括如下步骤：
将衬底放入原子层沉积设备的反应腔室中；
开启所述原子层沉积设备，设定工艺参数，对所述反应腔室抽真空，并对所述衬底、所述反应腔室及所述原子层沉积设备的管路进行加热；
向所述反应腔室内依次通入锌源、氧源；
开启电场，所述电场方向相对所述衬底表面的夹角呈现空间的连续梯度变化；
向所述反应腔室内通入室内通入有极性的氮源或者氮的自由基；
关闭所述电场。
上述方案中，所述制备方法还包括如下步骤：所述锌源与所述衬底反应完后，向所述反应腔室通入吹扫气体用于吹扫腔室；所述氧源与所述衬底反应完后，向所述反应腔室通入吹扫气体用于吹扫腔室；所述氮源与所述衬底反应完后，向所述反应腔室通入吹扫气体用于吹扫腔室。
上述方案中，所述衬底为经丙酮、异丙醇、超纯水超声处理后的硅片、蓝宝石片、石英玻璃片，经过处理后的所述衬底表面形成羟基。
上述方案中，所述锌源为二乙基锌Zn(C2H5)2或二甲基锌Zn(CH3)2。
上述方案中，所述氧源为氧气、氧气等离子体或去离子水。
上述方案中，所述有极性的氮源或者氮的自由基为氮气等离子体、NO、NO2或N2O。
上述方案中，所述吹扫气体为高纯氮气。
上述方案中，所述锌源、所述氧源、所述氮源的进气时间为0.04s-5s，所述吹扫气体吹扫的时间为5s-150s，所述吹扫气体的流量为1sccm-1000sccm，所述衬底的加热温度为100℃-200℃，所述反应腔室的加热温度为100℃，所述原子层沉积设备的管路的加热温度为110℃，上电极罩的电压为0V-1000V。
上述方案中，所述开启电场后，设定5s-10s电场稳定时间。
上述方案中，所述氮气等离子体放电功率为100W-300W，放电时间为5s-20s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过在反应腔室内设置上电极罩，进而在衬底表面添加空间连续的梯度变化电场，诱导更多的氮原子轰击到衬底表面，与乙基发生置换反应形成氮替位氧施主缺陷，提高了薄膜中的氮掺入浓度，从而可以在低温生长情况下(100℃-200℃)制备出高氮原子掺杂浓度的P型氧化锌。
附图说明
图1为本发明实施例中原子层沉积设备反应腔室内的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种P型氧化锌薄膜制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
本发明中制备P型氧化锌薄膜的原理为：本发明采用原子层沉积方法，通过在衬底表面添加空间连续的梯度化学电场，诱导更多的氮原子轰击到衬底表面，与乙基发生置换反应形成氮替位氧施主缺陷。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
如图1所示，一种P型氧化锌薄膜制备装置，所述装置为原子层沉积设备，所述原子层沉积设备包括反应腔室，所述反应腔室内从上至下依次设有上电极罩1、绝缘盘2、下电极盘3和加热盘；所述上电极罩1与电源正极相连接，所述绝缘盘2为环形，所述下电极盘3与所述加热盘导通与电源负极相连接并共地，所述下电极盘3的中间位置用于放置衬底4；所述上电极罩1产生的电场的方向相对所述衬底4表面的夹角呈现空间的连续梯度变化。
具体地，所述上电极罩1为铜制的半圆柱形面板，面板上设有均匀分布的圆形通孔5。由于通入反应腔室的气流是从所述上电极罩的正上方通入，所述上电极罩1上的圆形通孔5可使气流方便且均匀的扩散。所述绝缘盘2为氧化铝陶瓷盘
如图2所示，一种P型氧化锌薄膜制备方法，包括如下步骤：
步骤110：将衬底放入原子层沉积设备的反应腔室中；
具体地，所述衬底为依次经丙酮、异丙醇、超纯水分别进行5分钟超声处理后的硅片、蓝宝石片或石英玻璃片，经过处理后的所述衬底表面形成羟基。
步骤120：开启所述原子层沉积设备，设定工艺参数，对所述反应腔室抽真空，并对所述衬底、所述反应腔室及所述原子层沉积设备的管路进行加热；
具体地，所述反应腔室的工作压强为0.06torr；所述衬底的加热温度为100℃-200℃，所述反应腔室的加热温度为100℃，所述原子层沉积设备的管路的加热温度为110℃。
步骤130：向所述反应腔室内依次通入锌源、氧源；
具体地，锌源与衬底表面羟基发生置换反应，形成带有有机基团(甲基或者乙基)的锌结束面；氧源与锌结束面上的有机基团反应，形成带有羟基的锌结束面。所述锌源为二乙基锌Zn(C2H5)2或二甲基锌Zn(CH3)2；所述氧源为氧气、氧气等离子体或去离子水；所述锌源、所述氧源的进气时间分别为0.04s-5s，所述锌源与所述衬底反应完后，向所述反应腔室通入吹扫气体用于吹扫腔室；所述氧源与所述衬底反应完后，向所述反应腔室通入吹扫气体用于吹扫腔室；所述吹扫气体为高纯氮气；所述吹扫气体吹扫的时间为5s-150s，所述吹扫气体的流量为1sccm-1000sccm。
步骤140：开启电场，所述电场相对所述衬底表面呈现空间连续的梯度变化；
具体地，上电极罩电压为0V-1000V，优选为100V；所述开启电场后，设定5s-10s电场稳定时间。
步骤150：向所述反应腔室内通入氮源；
具体地，所述氮源为氮气等离子体、NO、NO2或N2O，所述氮气等离子体放电功率为100W-300W，放电时间为5s-20s；所述氮源与所述衬底反应完后，向所述反应腔室通入吹扫气体用于吹扫腔室；所述吹扫气体为高纯氮气。
步骤160：关闭所述电场。
本发明的优点如下：
本发明采用原子层沉积方法，通过在衬底表面添加垂直于衬底表面的电场，诱导更多的氮原子轰击到衬底表面，与甲基或乙基发生置换反应形成氮替位氧施主缺陷，提高了薄膜中的氮掺入浓度，从而可以在低温生长情况下(100℃-200℃)制备出高氮原子掺杂浓度的P型氧化锌。本发明提出制备P型氧化锌的方案，工艺简单，制备所得P型氧化锌薄膜掺入氮元素浓度高、导电特性稳定。
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 (10)

1.一种p型氧化锌薄膜制备装置，所述装置为原子层沉积设备，其特征在于，所述原子层沉积设备包括反应腔室，所述反应腔室内从上至下依次设有上电极罩、绝缘盘、下电极盘和加热盘；所述上电极罩与正电极相连接，所述绝缘盘为环形，所述下电极盘与所述加热盘导通与电源负极相连接并共地，所述下电极盘上，相对于所述绝缘盘环形的中间位置用于放置衬底；所述上电极罩产生的电场的方向相对所述衬底表面的夹角呈现空间的连续梯度变化，所述上电极罩为半圆柱形面板。
2.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述面板上设有均匀分布的圆形通孔。
3.一种p型氧化锌薄膜制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将衬底放入原子层沉积设备的反应腔室中，所述衬底位于下电极盘上，相对于绝缘盘环形的中间位置；
开启所述原子层沉积设备，设定工艺参数，对所述反应腔室抽真空，并对所述衬底、所述反应腔室及所述原子层沉积设备的管路进行加热；
向所述反应腔室内依次通入锌源、氧源；
开启电场，所述电场的方向相对于所述衬底表面的夹角呈现空间连续的梯度变化，上电极罩产生所述电场，所述上电极罩为半圆柱形面板；
向所述反应腔室内通入有极性的氮源或者氮的自由基；
关闭所述电场；
所述制备方法还包括：所述锌源与所述衬底反应完后，向所述反应腔室通入吹扫气体用于吹扫腔室。
4.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述衬底为经丙酮、异丙醇、超纯水超声处理后的硅片、蓝宝石片、石英玻璃片，经过处理后的所述衬底表面形成羟基。
5.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述锌源为二乙基锌Zn(C2H5)2或二甲基锌Zn(CH3)2。
6.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述氧源为氧气、氧气等离子体或去离子水。
7.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述有极性的氮源或者氮的自由基为氮气等离子体、NO、NO2或N2O。
8.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述锌源、所述氧源、所述氮源的进气时间为0.04s-5s，所述吹扫气体吹扫的时间为5s-150s，所述吹扫气体的流量为1sccm-1000sccm，所述衬底的加热温度为100℃-200℃，所述反应腔室的加热温度为100℃，所述原子层沉积设备的管路的加热温度为110℃，上电极罩的电压为10V-200V。
9.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述开启电场后，设定5s-10s电场稳定时间。
10.如权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述氮气等离子体放电功率为100W-300W，放电时间为5s-20s。
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