CN1675404A - 氧化铝薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过以下方法在基材上形成氧化铝薄膜，所述方法包含A)将二烷醇铝蒸气与放置在沉积反应器上的基材接触，以在所述基材上形成含铝吸附层；B)从反应器中移除未反应的铝化合物及副产物；C)向反应器内引入氧源，以使所述氧源与所述含铝吸附层反应，形成氧化铝层；以及D)从该反应器中移除未反应的氧源及副产物。

Description

氧化铝薄膜的制备方法
发明领域
本发明涉及在温和条件下，通过原子层沉积(ALD)制备氧化铝薄膜的方法。
背景技术
相对于硅，氧化铝是具有约9eV宽能带间隙和大能带差位的绝缘材料。氧化铝的介电常数比氧化硅的高出两倍以上。因此，氧化铝可以用来在硅基材上形成介电层。此外，当在硅基材上形成如二氧化锆的高绝缘材料薄膜，氧化铝薄膜可以用来作为扩散屏蔽层(见Jeon等人，“Ultrathin nitrided-nanolaminate(Al2O3/ZrO2/Al2O3)formetal-oxide-semiconductor gate dielectric application.”J.Vac.Sci.Technol.B2002，20，1143-1145；以及H.S.Chang等人，“Excellentthermal stabilily of Al2O3/ZrO2/Al2O3 stack structure formetal-oxide·semiconductor gate dielectric application，”Appl.Phys.Lett.2002，80，3385-3387)。
氧化铝薄层可以通过原子层沉积(ALD)或金属有机化学气相沉积(MOVCD)沉积在基材上。通过交替供应需要沉积在基材上的铝及氧前体来进行ALD。典型的铝前体是三氯化铝，三甲基铝，三乙基铝，氯化二甲基铝，乙醇铝，异丙醇铝(见M.Leskel等人，“ALD precursorchemistry：Evolution and future Challenges，”J.Phys.IV 1999，9，Pr8-837-Pr8-852)。例如，三甲基铝(Me3Al)可以在200-450℃的沉积温度下和水或氧气一起作为铝前体来使用，但是通常在硅基材和氧化铝薄膜之间形成具有几纳米厚度的氧化硅或硅化铝薄膜(见Risnene等人，“Atomic layer deposition of Al2O3 films using AlCl3 and Al(OiPr)3 asprecursors，”J.Mater.Chem.2002，12，1415-1418；以及Klein等人，“Evidence of alaminum silicate formation during vapor depostion ofamorphous Al2O3 thin films on Si(100)，”Appl.Phys.Lett.1999，75，4001-4003)。这样在硅基材和氧化铝层之间的介面上形成的氧化硅或硅化铝薄膜使半导体元件的电性能降低。为了解决这个问题，已有报导指出使用三氯化铝(AlCl3)或三甲基铝(Me3Al)作为铝前体以及异丙醇铝(Al(OiPr)3)作为代替水或氧气的氧前体来使氧化铝薄层沉积的方法(见Ritala等人，“Atomic Layer Deposition of Oxide Thin Films withMetal Alkoxides as Oxygen Sources，”Science 2000，288，319-321；及Risnene等人，“Atomic layer deposition of Al2O3 films using AlCl3 andAl(OiPr)3 as precursors，”J.Mater.Chem，2002，12，1415-1418)。
也有报导指出使用三甲基铝(Me3Al)及异丙醇制造氧化铝薄膜的方法(见Jeon等人，“Atomic layer deposition of Al2O3 thin film usingtrimethylaluminam and isopropyl alcohol，”J.Electrochem.Soc.2002，149，C306-C310)。但是，三甲基铝(Me3Al)具有高度可燃性以及三氯化铝(AlCl3)会产生腐蚀性的氯化氢。
另一方面，通过使用非可燃性，非腐蚀性的前体，如异丙醇二甲基铝[(CH3)2AlOCH(CH3)2；Me2AlOiPr]，叔丁氧基二甲基铝[(CH3)2AlOC(CH3)3；Me2AlOiBu]，异丙醇二乙基铝(CH3CH2)2AlOCH(CH3)2；Et2AlOiPr]处理氧化铝薄膜沉积的金属有机化学气相沉积(MOVCD)也有所报导(见，Koh等人，″Chemical vapor depositionof Al2O3 films using highly volatile single sources，″Thin solid Films 1997，304，222-224；Barreca等人，″Growth Kinetics of Al2O3 Thin Films UsingAluminum Dimethylisopropoxide，″The 197th Meeting of theElectrochemical Society，Meeting Abstracts，Vol.2000-1，Abstract No.908；Barreca等人，“｀Al2O3 thin films from aluminum dimethylisopropoxide bymetal-organic chemical vapour deposition，”J.Mater．Chem.2000，10，2127-2130).但是，MOVCD需要相当高的沉积温度，并且很难精确控制薄膜厚度，除此之外的问题是所形成的薄膜的表面相当粗糙。
发明内容
因此，本发明的目标是为了提供在较低的温度下使用原子层沉积方法制造具有好均匀性及适合性的氧化铝薄膜的方法。
根据本发明，提供一种用来在基材上制备氧化铝薄膜的方法，其包含：
A)将二烷基铝醇盐蒸气与放置在沉积反应器上的基材接触，以在该基材上形成含铝吸附层；
B)从反应器中移除未反应的铝化合物及副产物；
C)向反应器内引入氧源，以使该氧源与该含铝吸附层反应，形成氧化铝层：以及
D)从该反应器中移除未反应的氧源及副产物。
附图说明
当与所附附图相结合时，本发明的上述及其他目标及特征将会通过发明的下列说明变得明显，附图分别表示为：
图1：根据本发明优选实施方案的原料供应步骤概要图；和
图2：从实施例一中所获得的氧化铝薄膜的X光光电子光谱。
具体实施方式
本发明提供通过交替向沉积反应器中引入铝前体和氧前体来在基材上制备氧化铝薄膜的原子层沉积方法，其中基材维持在均匀温度。在每一沉积步骤之后，通过引进真空或供给如氩气的惰性气体，来清除反应器，以便移除残余的反应物及副产物。
图1描述根据本发明的物流步骤概要图。所述方法包括四步骤的循环，铝前体吸附(步骤A)、第一次清除(步骤B)、氧前体吸附(步骤C)以及第二次清除(步骤D)。由步骤A到D组成的每一个循环可以不断重复直到得到氧化铝薄膜所需的厚度。
可以通过在装备有真空泵的沉积反应器中放置基材并且引入二烷基基铝醇盐作为铝前体以使得含铝吸附层形成在基材表面来进行本发明方法。
下列化学式的二烷基铝醇盐为优选：
R1 2-Al-O-R2
其中R1及R2的每一个分别是C1-C4的烷类。
更优选地，铝源选自异丙醇二甲基铝，叔丁氧基二甲基铝，异丙醇二乙基铝，仲丁氧基二甲基铝或其混合物。
根据本发明的优选实施方案，在基材上形成含铝吸附层的步骤，或者引入氧源的步骤是每循环进行0.1秒以上，其可以通过调整引入反应器的铝前体及氧源的流速来控制。
在步骤A之后，通过抽真空或氩气清除来从反应器中移除未反应的铝前体及副产品(第一清除步骤)。
当第一清除步骤完成时，将氧源，优选水引入反应器，使氧源与基材上的铝吸附层反应。根据本发明的优选实施方案，反应时间为每循环0.1秒以上(步骤C)。
在供应氧源的步骤之后，使用氩气清扫或以真空泵抽真空，来清除反应器中未反应的氧源及副产物(第二个清除步骤)。
根据本发明，当维持基材温度在100-300℃的低温范围，优选100-200℃时，可以通过ALD形成氧化铝薄膜。因为基材及氧化铝薄膜之间的扩散是最小的，所以如此的低温沉积方法较为理想。
根据本发明的优选实施例，在温和的条件下，通过使用异丙醇二甲基铝或仲丁氧基二甲基铝作为铝前体以及水作为氧源以形成具有优越特性的氧化铝薄膜。作为选择地，氧或臭氧也可用来作为氧前体。
通过下面的实施例进一步描述及说明本发明，然而这些例子并无意图限制本发明的领域。
实施例1
用氢氟酸清洗硅基材并将其放置在原子层沉积反应器中(Genitechlnc.)。反应器用真空泵抽空并设定在150℃。将异丙醇二甲基铝(DMAl)装入铝前体容器并加热到70-90℃的温度范围，来将铝化合物的蒸气压控制在预设值。水用来作为氧源。当反应器、铝前体通入管及铝前体容器的温度都稳定在预设值时，进行如图1所示的一系列反应步骤。将每一步骤进行0.5秒钟，一个循环重复30次以获得具有3.2nm厚度的氧化铝薄膜。
图2是实施例1所获得的氧化铝薄膜的X光光电子光谱。可观察到相应于存在在基材表面上的铝、氧及碳的光电子尖峰。图上的插入部分是硅2p高解析光电子光谱，其显示出在氧化铝薄膜及硅基材之间没有氧化硅或硅。
实施例2
除了使用丁氧基二甲基铝作为铝前体以外，重复实施例1的程序。实施例2中制备的氧化铝薄膜的光电子光谱同样展现出优越性质，且在氧化铝薄膜及硅基材之间没有氧化硅或硅形成的问题。
从上述结果可以看到，使用二烷基铝醇盐作为铝前体，通过原子层沉积制备氧化铝薄膜的方法，比起先前的技术方法更为有利。
当对本发明的一些优选实施方案进行描述并说明时，能够在没有背离本发明限定在所附权利要求中的精神之下，对其中作不同的改变及修正。

Claims (11)

1.一种制备基材上的氧化铝薄膜的方法，其包含：
A)将二烷基铝醇盐蒸气与放置在沉积反应器上的基材接触，以在该基材上形成含铝吸附层；
B)从反应器中移除未反应的铝化合物及副产物；
C)向反应器内引入氧源，以使所述氧源与所述含铝吸附层反应，形成氧化铝层；以及
D)从该反应器中移除未反应的氧源及副产物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中重复由步骤A)到D)所组成的循环，直到获得所需厚度的氧化铝薄膜为止。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述二烷基铝醇盐具有以下化学式：
R1 2Al-O-R2
其中各个R1及R2分别是C1-C4烷基。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述二烷基铝醇盐选自异丙醇二甲基铝、叔丁氧基二甲基铝、异丙醇二甲基铝、仲丁氧基二甲基铝或其混合物。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述基材为硅。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧源是氧、臭氧或水。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述基材维持在100到300℃的温度范围内。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述二烷基铝醇盐是异丙醇二甲基铝，以及所述氧源是水。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述二烷基铝醇盐是仲丁氧基二甲基铝，以及所述氧源是水。
10.根据权利要求1所述的方法，其中步骤A)及C)的每一步在每循环中进行0.1秒或以上。
11.根据权利要求1所述的方法，其中步骤B)及D)的每一步是通过用惰性气体抽空或清扫来进行处理的。
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