專利名稱：一種摻氮氧化鋅薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧化鋅制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種摻氮氧化鋅薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
氧化鋅薄膜是一種重要的光電器件材料，它是繼GaN之后光電子領(lǐng)域的重要研究方向。它是寬禁帶的直接帶隙材料，六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有高達(dá)60meV的激子結(jié)合能。本征 SiO由于存在缺陷，使得ZnO呈η型，ρ型薄膜難以制備。氮摻雜在理論上的計(jì)算使得ρ型 ZnO的制備成為可能。目前已有通過(guò)脈沖激光沉積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)、分子束外延等方法制備該薄膜。而隊(duì)，而，NH3等氣體作為氮源也一直在研究中。但是目前所使用的方法，過(guò)程都比較復(fù)雜，而且效果不是很理想，摻入到分子間隙中的N原子要多于取代 0的N原子，因此需要采用另外一種方法，把摻雜的N原子用生長(zhǎng)的方式注入到分子結(jié)構(gòu)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種摻氮氧化鋅薄膜的制備方法，使用該方法可以簡(jiǎn)單的將氮元素?fù)诫s在氧化鋅薄膜中，且制備出的薄膜結(jié)構(gòu)完整，性能顯著。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為 一種摻氮氧化鋅薄膜的制備方法，包括如下步驟 步驟(1)，將硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中；
步驟(2)，向所述原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入含鋅源氣體，所述含鋅源氣體中的鋅原子吸附在所述硅襯底上；
步驟(3)，以氮?dú)鉃檩d氣向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中輸送氫氣，同時(shí)進(jìn)行等離子體放電，所述氮?dú)怆婋x后部分氮原子與部分所述鋅原子形成共價(jià)鍵，氮原子未成鍵的電子和電離的氫原子成鍵；
步驟(4)，向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入含氧源，未與所述氮原子反應(yīng)的鋅原子與所述含氧源中的氧原子形成鋅氧鍵；
步驟(5 )，重復(fù)步驟(2 )、( 3 )、( 4 )即可逐層生長(zhǎng)含氮原子的氧化鋅薄膜。上述方案中，所述步驟(1)之前還包括所述硅襯底的表面經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)液和氫氟酸處理，在所述硅襯底的表面形成硅氫鍵。上述方案中，所述步驟(2)中的含鋅源氣體為氯化鋅。上述方案中，所述步驟(3)中氮?dú)獾牧髁繛镮sccm-lOOOsccm，進(jìn)氣時(shí)間為 0. Is-Is，反應(yīng)時(shí)間為Is-IOs，清洗時(shí)間為5s-60s，基盤溫度為100°C _500°C。上述方案中，所述步驟(3)中氮?dú)獾牧髁繛閘kccm，進(jìn)氣時(shí)間為ls，反應(yīng)時(shí)間為 k，清洗時(shí)間為20s，基盤溫度為300°C。上述方案中，所述步驟(3)中氫氣的流量為lsccm-esccm。等離子體放電功率為 1W-100W，放電時(shí)間為ls-10s。上述方案中，所述步驟(3)中等離子體放電功率為40W，放電時(shí)間為3s。
上述方案中，所述步驟(4)中的含氧源為水。與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明采用的技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果如下
本發(fā)明利用ALD設(shè)備對(duì)氧化鋅薄膜進(jìn)行氮摻雜，該方法簡(jiǎn)單易行，利用原子層沉積單層循環(huán)生長(zhǎng)的特點(diǎn)，在氧化鋅薄膜生長(zhǎng)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)均勻的在整個(gè)薄膜結(jié)構(gòu)中摻雜氮原子，使得摻雜后的薄膜結(jié)構(gòu)完整，性能顯著。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中硅襯底表面經(jīng)過(guò)處理的形成Si-H鍵的示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中向原子層沉積反應(yīng)腔通入氯化鋅的示意圖3為本發(fā)明實(shí)施例中氯化鋅和硅襯底表面發(fā)生反應(yīng)，鋅原子吸附在硅襯底表面的示意圖4為本發(fā)明實(shí)施例中向原子層沉積反應(yīng)腔通入氮?dú)夂蜌錃獾氖疽鈭D； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中氮?dú)夂蜌錃庠谠訉映练e反應(yīng)腔中電離的示意圖； 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中氮?dú)怆婋x后的氮原子部分沉積與硅襯底表面的鋅原子形成共價(jià)鍵的示意圖7為本發(fā)明實(shí)施例中向原子層沉積反應(yīng)腔通入水，硅襯底里表面未與氮原子反應(yīng)的鋅原子與氧原子形成鋅-氧鍵的示意圖8為本發(fā)明實(shí)施例中一個(gè)反應(yīng)周期結(jié)束后的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明實(shí)施例提供一種摻氮氧化鋅薄膜的制備方法，具體包括如下步驟
步驟101，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)液和氫氟酸處理硅襯底表面，在硅襯底表面形成硅氫鍵，如圖1所示，其中，標(biāo)準(zhǔn)液是指1號(hào)液，濃硫酸雙氧水=4 1 ;2號(hào)液，氨水純凈水雙氧水=1:5:1; 3號(hào)液，鹽酸雙氧水純凈水=1:1:6 ；將進(jìn)行氫化處理后的硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中；
步驟102，開啟原子層沉積設(shè)備，調(diào)整工作參數(shù)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需工作環(huán)境；向原子層沉積反應(yīng)腔中通入氯化鋅飽和氣體， 如圖2所示；氯化鋅氣體和硅襯底表面發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)式為
Si-H + Zn-Cl^ Si-Zn + HCl個(gè)，形成硅鋅鍵，如圖3所示；
步驟103，以氮?dú)鉃檩d氣向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中輸送少量氫氣，如圖4所示，并進(jìn)行等離子放電，如圖5所示；電離產(chǎn)生的部分氮原子與硅襯底表面鋅原子發(fā)生反應(yīng)，形成共價(jià)鍵，反應(yīng)式為Zn—Ci+ -H+—N-+ 八,氮原子未成鍵的電子和電離
的氫原子成鍵，如圖6所示；通入氫氣的目的一方面是有利于氮?dú)獾碾婋x，另一方面是有利于氮原子和鋅原子成鍵；
其中氮?dú)獾牧髁繛镮sccm-lOOOsccm，優(yōu)選地為lkccm，進(jìn)氣時(shí)間為0. ls_ls，優(yōu)選地為ls，反應(yīng)時(shí)間為ls-lOs，優(yōu)選地為5s，清洗時(shí)間為5s-60s，優(yōu)選地為20s，基盤溫度為 IOO0C _500°C，優(yōu)選地為300°C ；其中氫氣的流量為lsccm-6sccm ；其中等離子放電功率為1W-100W，優(yōu)選地為40W，放電時(shí)間為ls-lOs，優(yōu)選的為3s ； 步驟104，向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入水，未與氮原子發(fā)生反應(yīng)的鋅原子與水中的氧原子形成鋅-氧鍵，反應(yīng)式為Ζ -α + — 0 + ,如圖7所示；
步驟105，步驟102至步驟104這一反應(yīng)周期結(jié)束后，如圖8所示，硅襯底表面全為氫原子，此時(shí)重復(fù)步驟102至步驟104，可以逐層生長(zhǎng)含氮原子的氧化鋅薄膜；氮原子沉積在每一層中的不同位置，數(shù)量少于氧的含量。本發(fā)明通過(guò)ALD逐層循環(huán)的生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)氧化鋅薄膜，在此期間通過(guò)氮等離子體的形成來(lái)生成氮原子，在氮原子和襯底元素的相互作用形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而在氧化鋅薄膜生長(zhǎng)的過(guò)程中逐漸插入氮原子，形成所需要的氮摻雜結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的方法能夠?qū)崿F(xiàn)氮元素的摻雜，而且方法簡(jiǎn)單，利用原子層沉積單層循環(huán)生長(zhǎng)的特點(diǎn)，在氧化鋅薄膜生長(zhǎng)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)均勻的在整個(gè)薄膜結(jié)構(gòu)中摻雜氮原子， 摻雜后的氧化鋅薄膜結(jié)構(gòu)完整，性能顯著。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種摻氮氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟步驟(1)，將硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中；步驟(2)，向所述原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入含鋅源氣體，所述含鋅源氣體中的鋅原子吸附在所述硅襯底上；步驟(3)，以氮?dú)鉃檩d氣向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中輸送氫氣，同時(shí)進(jìn)行等離子體放電，所述氮?dú)怆婋x后部分氮原子與部分所述鋅原子形成共價(jià)鍵，氮原子未成鍵的電子和電離的氫原子成鍵；步驟(4)，向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入含氧源，未與所述氮原子反應(yīng)的鋅原子與所述含氧源中的氧原子形成鋅氧鍵；步驟(5 )，重復(fù)步驟(2 )、( 3 )、( 4 )即可逐層生長(zhǎng)含氮原子的氧化鋅薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的摻氮氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)之前還包括所述硅襯底的表面經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)液和氫氟酸處理，在所述硅襯底的表面形成硅氫鍵。
3.如權(quán)利要求1所述的摻氮氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中的含鋅源氣體為氯化鋅。
4.如權(quán)利要求1所述的摻氮氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中氮?dú)獾牧髁繛镮sccm-lOOOsccm，進(jìn)氣時(shí)間為0. ls_ls，反應(yīng)時(shí)間為ls-lOs，清洗時(shí)間為5s_60s， 基盤溫度為100°C -500°C。
5.如權(quán)利要求4所述的摻氮氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中氮?dú)獾牧髁繛閘kccm，進(jìn)氣時(shí)間為ls，反應(yīng)時(shí)間為5s，清洗時(shí)間為20s，基盤溫度為300°C。
6.如權(quán)利要求1所述的摻氮氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中氫氣的流量為lsccm-6sccm，等離子體放電功率為1W-100W，放電時(shí)間為ls_10s。
7.如權(quán)利要求6所述的摻氮氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中等離子體放電功率為40W，放電時(shí)間為3s。
8.如權(quán)利要求1所述的摻氮氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中的含氧源為水。
全文摘要
本發(fā)明涉及氧化鋅制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種摻氮氧化鋅薄膜的制備方法。所述制備方法，包括將硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中；向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入含鋅源氣體，含鋅源氣體中的鋅原子吸附在硅襯底上；以氮?dú)鉃檩d氣向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中輸送氫氣，同時(shí)進(jìn)行等離子體放電；向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入含氧源，未與氮原子反應(yīng)的鋅原子與含氧源中的氧原子形成鋅氧鍵；重復(fù)上述步驟即可逐層生長(zhǎng)含氮原子的氧化鋅薄膜。本發(fā)明利用ALD設(shè)備對(duì)氧化鋅薄膜進(jìn)行氮摻雜，該方法簡(jiǎn)單易行，利用原子層沉積單層循環(huán)生長(zhǎng)的特點(diǎn)，在氧化鋅薄膜生長(zhǎng)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)均勻的在整個(gè)薄膜結(jié)構(gòu)中摻雜氮原子，使得摻雜后的薄膜結(jié)構(gòu)完整，性能顯著。
文檔編號(hào)H01L31/0296GK102304700SQ20111028707
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者萬(wàn)軍, 劉鍵, 夏洋, 李勇滔, 李超波, 石莎莉, 陳波, 饒志鵬, 黃成強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所