CN109536921A - 一种利用等离子体增强原子层沉积调控氧化硅薄膜化学计量比的方法 - Google Patents

一种利用等离子体增强原子层沉积调控氧化硅薄膜化学计量比的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用等离子体增强原子层沉积调控氧化硅薄膜化学计量比的方法。本发明以TDMAS和等离子体氧气为前驱体源，通过调控生长温度、TDMAS通入PEALD反应腔室的时间、离子体氧气通入时间与氧气的流量，实现不同化学计量比的氧化硅薄膜的制备。本发明利用PEALD制备得到不同厚度的均匀性较好的高质量薄膜，可以有效控制其化学计量比，这种薄膜主要用于制备LED发光器件，为硅基发光器件的制备提供了一种可行的薄膜。

Description

一种利用等离子体增强原子层沉积调控氧化硅薄膜化学计量 比的方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体的说，涉及一种利用等离子体增强原子层沉积调控氧化硅薄膜化学计量比的方法。
背景技术
在半导体制造领域内，光电子器件和LED发光器件备受关注，而硅基发光器件在集成光电子电路领域内也将发挥着越来越重要的作用。超晶格薄膜中的硅纳米晶可以实现有效的发光特性。而在超晶格薄膜中，目前形成硅纳米晶的势阱层薄膜有富硅的氧化硅和富硅的氮化硅。但是，超晶格薄膜的厚度都是纳米级别的，对于薄膜的制备工艺要求较高。虽然传统的化学气相沉积（CVD）, 物理气相沉积（PVD），热氧化方式可以快速的制备氧化硅薄膜，但是在薄膜厚度与化学计量比的控制方面存在较大的不足，难以制备超晶格薄膜。而ALD（原子层沉积）工艺由于其对薄膜厚度控制较为精确，良好的保形性以及台阶覆盖性，在半导体行业内被广泛使用。但是单纯的ALD沉积的方法对温度要求较高，而PEALD（等离子体增强原子层沉积）利用等离子体来驱动反应的进行，可以在较低温度下进行，同时可以制备出质量较高的超晶格薄膜。
利用PEALD的方法生长氧化硅薄膜，是半导体行业内比较常见的工艺。在PEALD工艺期间，反应物顺序通入包含衬底的腔室内，一般，第一反应物脉冲通入反应腔室与衬底表面发生反应被吸附，第二反应物脉冲即等离子体通入反应腔室并与吸附在衬底表面的第一反应物反应形成所沉积的材料，清洗步骤则采用惰性气体为载气进行连续清洗或者在反应气体输送之间脉冲清洗。形成的材料的厚度主要通过循环次数。
但是，即使PEALD在制备氧化硅超晶格薄膜方面存在较大的优势，目前在对氧化硅薄膜化学计量比的控制仍存在较大的困难，研究过程较为复杂。
发明内容
本发明要解决的问题是针对目前的研究状况，提供一种利用等离子体增强原子层沉积(PEALD)调控氧化硅薄膜化学计量比的方法，有效调控氧化硅薄膜的化学计量比，实现富硅氧化硅。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是通过改变反应物通入反应腔室的时间及流量来达到对氧化硅薄膜化学计量比的控制。本发明的技术方案具体介绍如下。
本发明提供一种利用等离子体增强原子层沉积调控氧化硅薄膜化学计量比的方法，其
以TDMAS和等离子体氧气为前驱体源，通过调控生长温度、TDMAS通入PEALD反应腔室的时间、离子体氧气通入时间与氧气的流量，实现不同化学计量比的氧化硅薄膜的制备。
本发明的利用等离子体增强原子层沉积调控氧化硅薄膜化学计量比的方法，具体包括以下步骤：
步骤1，在装有清洗过的衬底的PEALD反应腔室内通入TDMAS；
步骤2，在PEALD反应腔室内通入惰性气体吹扫；
步骤3，在PEALD反应腔室内通入氧气等离子体进行氧化形成氧化硅层；
步骤4，在PEALD反应腔室内通入惰性气体吹扫；
步骤1~4依次循环执行若干次，以形成预定厚度的Si和O的原子比在1.6~2.0之间的氧化硅薄膜；其中：
步骤1中，TDMAS的通入时间为2-4秒；
步骤2和步骤4中的惰性气体的通入时间为4秒；
步骤3中，氧气等离子体的通入时间为2-8秒，氧气的流量为25-50sccm。
本发明中，步骤1~4的PEALD循环过程中，PEALD反应腔内的温度在100℃-250℃之间，真空度为1-4mbar。
本发明中，步骤3中，等离子体的功率为50-200W。
本发明中，形成厚度在5nm-20 nm之间的Si和O的原子比在1.6~2.0之间的氧化硅薄膜。
本发明中，步骤2和步骤4中，惰性气体为氩气。
本发明可以实现Si与O的原子比的有效调控：通入TDMAS与氧气的时间比为2，氧气流量为25sccm ，得到的薄膜中的Si与O的原子比为1.6；通入TDMAS与氧气的时间比为1/2，氧气流量为50sccm，得到的薄膜中的Si与O的原子比为1.8；通入TDMAS与氧气的时间比为1/4，氧气流量为50sccm，得到的薄膜中的Si与O的原子比为2。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种利用等离子体增强原子层沉积(PEALD)调控氧化硅薄膜化学计量比的方法，其优势在于可以制备较薄的超晶格氧化硅薄膜，对氧化硅薄膜的化学计量比进行调控制备出性能优异的硅基发光器件。
附图说明
图1是本发明所用的等离子体增强原子层沉积（PEALD）工艺示意图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例对本发明的内容进行详细描述。
本发明提供了一种利用等离子体增强原子层沉积(PEALD)调控氧化硅薄膜化学计量比的方法，主要步骤包括反应前驱体的吸附，氩气吹扫，氧气等离子体处理，氩气吹扫，上述过程可以经过多次循环形成氧化硅薄膜。而氧化硅薄膜的化学计量比主要通过通入前驱体和氧气等离子体的时间以及氧气的流量进行调控。下面具体描述本发明的优选实例。
实施例1：化学计量比为1.6的富硅氧化硅薄膜的制备
第一步，衬底清洗：以P型Si（100）为衬底，用0.5%的HF溶液浸泡1 min去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙酮，乙醇，去离子水超声波清洗5min，去除Si表面的有机物，最后用氮气吹干。
第二步，化学计量比为1.6的富硅氧化硅薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
a. 在以惰性气体为载气的反应腔室内放入清洗好的衬底；
b. 在所述反应腔室内通入前驱体TDMAS 4秒；
c. 用惰性气体对衬底表面进行吹扫，吹扫去多余的前驱体，吹扫时间4秒；
d. 在所述反应腔室内通入氧气等离子体2秒，氧化吸附在衬底表面的前驱体以形成氧化硅层；
e. 用惰性气体对衬底表面进行吹扫，吹扫去多余的等离子体氧气，吹扫时间4秒；
上述工艺在反应腔室温度为200℃时开始进行；
上述工艺在反应腔室真空度为1-4mbar时进行；
上述工艺中作为载气和用于吹扫的惰性气体均为Ar气；
上述步骤b中通入的前驱体TDMAS为液态源，源温度为15-25℃；
上述步骤d中通入的氧气的流量是25sccm(标准毫升/分钟)，等离子体的功率为200W；
循环步骤b-e 200次可以得到厚度为10nm的氧化硅薄膜。
以X射线光电子能谱法（XPS）测定上述氧化硅薄膜的化学计量比为1.6。
在这种实施方式中，步骤b-e的循环次数可以更改以获得不同厚度的氧化硅薄膜，以PEALD获得高质量的超晶格氧化硅薄膜，而且上述步骤都可以Beneq TFS 200 ALD上通过同一个制程实现；
实施例2：化学计量比为2的富硅氧化硅薄膜的制备
第一步，衬底清洗：以P型Si（100）为衬底，用0.5%的HF溶液浸泡1 min去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙酮，乙醇，去离子水超声波清洗5min，去除Si表面的有机物，最后用氮气吹干。
第二步，化学计量比为2的富硅氧化硅薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
a. 在以惰性气体为载气的反应腔室内放入清洗好的衬底；
b. 在所述反应腔室内通入前驱体TDMAS 2秒；
c. 用惰性气体对衬底表面进行吹扫，吹扫去多余的前驱体，吹扫时间4秒；
d. 在所述反应腔室内通入氧气等离子体8秒，氧化吸附在衬底表面的前驱体以形成氧化硅层；
e. 用惰性气体对衬底表面进行吹扫，吹扫去多余的等离子体氧气，吹扫时间4秒；
上述工艺在反应腔室温度为200℃时开始进行；
上述工艺在反应腔室真空度为1-4mbar时进行；
上述工艺中作为载气和用于吹扫的惰性气体均为Ar气；
上述步骤b中通入的前驱体TDMAS为液态源，源温度为15-25℃；
上述步骤d中通入的氧气的流量是50sccm,等离子体的功率为200W；
循环步骤b-e 200次可以得到厚度为10nm的氧化硅薄膜。
以X射线光电子能谱法（XPS）测定上述氧化硅薄膜的化学计量比为2。
本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用等离子体增强原子层沉积调控氧化硅薄膜化学计量比的方法，其特征在于，其
以TDMAS和等离子体氧气为前驱体源，通过调控生长温度、TDMAS通入PEALD反应腔室的时间、离子体氧气通入时间与氧气的流量，实现不同化学计量比的氧化硅薄膜的制备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在装有清洗过的衬底的PEALD反应腔室内通入TDMAS；
步骤2，在PEALD反应腔室内通入惰性气体吹扫；
步骤3，在PEALD反应腔室内通入氧气等离子体进行氧化形成氧化硅层；
步骤4，在PEALD反应腔室内通入惰性气体吹扫；
步骤1~4依次循环执行若干次，以形成预定厚度的Si和O的原子比在1.6~2.0之间的氧化硅薄膜；其中：
步骤1中，TDMAS的通入时间为2-4秒；
步骤2和步骤4中的惰性气体的通入时间为4秒；
步骤3中，氧气等离子体的通入时间为2-8秒，氧气的流量为25-50sccm。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1~4的PEALD循环过程中，PEALD反应腔内的温度在100℃-250℃之间，真空度为1-4mbar。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3中，等离子体的功率为50-200W。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于， 形成厚度在5nm-20 nm之间的Si和O的原子比在1.6~2.0之间的氧化硅薄膜。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2和步骤4中，惰性气体为氩气。
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