專利名稱：利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別指一種利用離子束外延(IBE)生長設(shè)備制備氮化鉿(HfN)薄膜材料的方法。
背景技術(shù)：
具有氯化鈉(NaCl)結(jié)構(gòu)(B1型)的IVB族難熔金屬單氮化合物，主要包括氮化鈦(TiN)、氮化鉿(ZrN)、氮化鉿(HfN)三種，它們都具有高熔點(diǎn)、高密度、高硬度及亮麗的金黃色光澤，除是良好硬質(zhì)涂層和裝飾材料，在切割刀具、零配件防腐抗磨處理、裝飾等方面有重要應(yīng)用之外，因其還具有高電導(dǎo)率、與硅(Si)有好的晶格匹配及良好的熱、化學(xué)穩(wěn)定特性，在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域也有重要應(yīng)用，如可作為硅基大規(guī)模集成電路(Si-LSI)技術(shù)和太陽能電池技術(shù)中的防互擴(kuò)散或界面化學(xué)反應(yīng)的阻擋層材料，也可作為硅上外延生長大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料(如GaN、AlN、ZnO和SiC)的緩沖層材料等。從目前的研究狀況來看，氮化鈦(TiN)薄膜材料因其制備生長的原材料成本低及生長技術(shù)相對成熟等，目前已在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用；氮化鉿(ZrN)薄膜材料雖然其制備生長的成本稍高，但隨著目前其制備技術(shù)的逐漸走向成熟，對其開發(fā)和應(yīng)用的前景也被看好；而相比較而言(參見表1)，在這三種IVB族難熔金屬單氮化合物中，雖然氮化鉿(HfN)更受關(guān)注，因其具有更好的導(dǎo)電性、與硅(Si)之間有最好的晶格匹配和最小的熱膨脹系數(shù)差異、最好的熱、化學(xué)穩(wěn)定性，且與重要的第三代化合物半導(dǎo)體材料氮化鎵(GaN)的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)更接近，是硅襯底上外延生長高質(zhì)量氮化鎵(GaN)外延層的理想緩沖層材料，更適合在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用。但由于其制備生長的原材料成本相對較高、且生長高質(zhì)量氮化鉿(HfN)薄膜的技術(shù)目前還不很成熟等原因，其在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域中的研究和開發(fā)工作目前還很少。
表1IVB族難熔金屬單氮化合物物理性質(zhì) 目前用來進(jìn)行氮化鉿(HfN)薄膜制備生長的方法主要有磁控濺射、脈沖激光沉積(PLD)、離子束輔助沉積(IBAD)、等離子體氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)及電子束蒸發(fā)等，可是要制備生長適合應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域的氮化鉿(HfN)薄膜，上述方法還存在以下不足1)現(xiàn)有的常用制備生長方法，通常對原材料的純度要求都很高，而高純度的含鉿原材料要比同樣純度的含鈦、鉿的原材料價(jià)格昂貴得多。就氮化鉿(HfN)薄膜制備中最常用的磁控濺射方法而言，熔煉制備高熔點(diǎn)金屬鉿靶或燒結(jié)制備的高熔點(diǎn)的氮化鉿(HfN)靶材，工藝復(fù)雜不說，純度也很難保證，特別是金屬鉿靶材的制備過程還容易被氧化。因原材料難提純而帶來的高成本問題，極大的制約了目前氮化鉿(HfN)薄膜在半導(dǎo)體領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用和推廣；2)現(xiàn)有的常用制備生長方法，其生長過程通常都是在有輔助工作氣體的較低真空環(huán)境下生長，有些還是通過控制輔助生長的含氮?dú)怏w(如氮?dú)?、氨?的分壓來控制生長得到的薄膜成分中的化學(xué)配比，生長工藝優(yōu)化的難度大、重復(fù)性也不能很好保證，故不利于獲得高純、正化學(xué)配比及高結(jié)晶質(zhì)量的薄膜。雜質(zhì)特別是氧的引入和非正化學(xué)配比會降低薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和電導(dǎo)率，進(jìn)而影響器件性能；3)現(xiàn)有的常用制備生長方法，其生長溫度通常都較高，在生長的初始階段，很可能會在界面處形成硅化物或其他中間化合物，而影響后續(xù)薄膜生長的質(zhì)量，還可能會增大接觸電阻。需要低的襯底溫度(560℃以下)，也是目前的微電子技術(shù)的要求；4)現(xiàn)有的常用制備生長方法，在降低氮化鉿(HfN)膜層中內(nèi)應(yīng)力、提高薄膜表面的平整度和致密度等方面還有不盡如人意。表面起伏大不利于二次外延和后續(xù)工藝的進(jìn)行，如針孔密度大阻擋效果差且漏電流大，薄膜的力學(xué)性質(zhì)不好還可能會影響后續(xù)工藝進(jìn)行和器件的使用性能；基于上述分析，如何降低制備成本、獲得高純、正化學(xué)配比、表面平坦、致密的高質(zhì)量薄膜，仍是目前氮化鉿(HfN)薄膜材料的生長研究中需要解決的問題。
20世紀(jì)九十年代初，出現(xiàn)一種新的薄膜材料制備方法--離子束外延(IBE)，有時(shí)也稱質(zhì)量分離的低能離子束沉積。因其具有獨(dú)特的質(zhì)量分離功能與荷能離子沉積特點(diǎn)，可使得材料的提純與薄膜外延生長在同一過程中完成，被認(rèn)為是生長難提純、高熔點(diǎn)、易氧化的二元化合物薄膜材料的理想方法。該方法所采用的生長設(shè)備，其離子束部分通常具有雙束結(jié)構(gòu)，每束各有獨(dú)立的離子源、磁分析器、電或磁四極透鏡及靜電偏轉(zhuǎn)電極等裝置，雙束共用的減速透鏡裝置位于生長室內(nèi)，整個(gè)生長系統(tǒng)的真空設(shè)計(jì)采用差分抽氣的方式設(shè)計(jì)，從離子源到生長室的真空逐級提高，超高真空生長室的動(dòng)態(tài)真空度≤5.0×10-7Pa。該系統(tǒng)的離子源幾乎可產(chǎn)生元素周期表中質(zhì)量數(shù)從1(H)到208(Pb)的所有元素的離子，并通過該系統(tǒng)的磁分析器裝置按照質(zhì)量數(shù)進(jìn)行選擇提純。用純度不是很高的原材料能產(chǎn)生出同位素純的材料離子，并在超高真空生長室內(nèi)實(shí)現(xiàn)薄膜的超純生長和低溫優(yōu)質(zhì)外延，是該方法的一大特色。質(zhì)量分離的低能離子束外延法目前已在稀土薄膜材料的生長制備研究方面取得成功，但利用該方法如何進(jìn)行高熔點(diǎn)、難提純的過渡族第IVB族難熔金屬氮化物的生長研究還鮮有報(bào)道。本發(fā)明的目的是提供一種利用離子束外延(IBE)生長設(shè)備制備可應(yīng)用于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的氮化鉿(HfN)薄膜材料的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種利用離子束外延(IBE)生長設(shè)備制備氮化鉿(HfN)薄膜材料的方法。目的在于降低氮化鉿(HfN)薄膜材料的制備成本，實(shí)現(xiàn)其高純、正化學(xué)配比的優(yōu)質(zhì)生長及低溫外延，發(fā)展一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的制備生長應(yīng)用于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域氮化鉿(HfN)薄膜材料的方法。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案在具有質(zhì)量分離功能與荷能離子沉積特點(diǎn)的雙離子束外延(IBE)生長設(shè)備上，選用純度要求不高的氯化鉿(HfCl4)固體粉末和氮?dú)?N2)分別作為產(chǎn)生同位素純低能金屬鉿離子(Hf+)束和氮離子(N+)束的原材料，通過準(zhǔn)確控制參與生長的兩種同位素純低能離子的交替沉積束流劑量與配比、離子能量、離子束斑形狀及生長溫度，在超高真空生長室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了氮化鉿(HfN)薄膜的低成本高純、正化學(xué)配比的優(yōu)質(zhì)生長與低溫外延。
根據(jù)本發(fā)明的利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1選用純度要求不高的低成本氯化鉿固體粉末作為I束的伯納斯型固體離子源產(chǎn)生鉿離子束的原材料，將氯化鉿固體粉末裝入伯納斯型固體離子源的蒸發(fā)器型坩堝內(nèi)；步驟2選用純度要求不高的低成本氮?dú)庾鳛镮I束的伯納斯型氣體離子源產(chǎn)生氮離子束的原材料，將盛裝氮?dú)獾娜萜髋c伯納斯型氣體離子源外的進(jìn)氣導(dǎo)管連接，通過其上的針閥控制進(jìn)氣流量；步驟3將清洗后的襯底置入生長室，抽生長系統(tǒng)的真空；步驟4離子源烘烤去氣，I束的伯納斯型固體離子源可通過調(diào)整其燈絲加熱電流、坩堝加熱電流及弧室加熱電流來控制烘烤加熱的溫度，II束的伯納斯型氣體離子源通過調(diào)整其燈絲加熱電流來控制烘烤加熱的溫度；步驟5生長室內(nèi)的襯底烘烤去氣步驟6調(diào)整I束的伯納斯型固體離子源的燈絲加熱電流、坩堝加熱電流及弧室加熱電流，繼續(xù)升高伯納斯型固體離子源的溫度，使其緩慢蒸發(fā)出氯化鉿氣氛；步驟7打開II束的伯納斯型氣體離子源外的進(jìn)氣針閥，向源內(nèi)通氮?dú)猓徊襟E8由I束的伯納斯型固體離子源產(chǎn)生含有鉿離子的高能離子束；步驟9由II束的伯納斯型氣體離子源產(chǎn)生出具有氮離子的高能離子束；步驟10用兩個(gè)離子束上各自的磁分析器裝置對兩個(gè)離子源產(chǎn)生出來的高能離子束按照質(zhì)量數(shù)進(jìn)行分離，分別選擇出生長所需要的同位素純的鉿離子束和氮離子束；步驟11用兩個(gè)離子束上的電或磁四極透鏡裝置將質(zhì)量分離得到的兩束同位素純高能離子束進(jìn)行二次聚焦；步驟12用靜電偏轉(zhuǎn)電極裝置將二次聚焦后的兩束同位素純高能離子束偏轉(zhuǎn)去除高能中性粒子后，打開生長室與離子束匯合處的真空隔斷閥，按照離子源束流調(diào)控裝置調(diào)控的分時(shí)切割導(dǎo)通周期，兩束同位素純的高能離子束交替地的直入射進(jìn)超高真空生長室內(nèi)的減速透鏡裝置中；步驟13用減速透鏡裝置將進(jìn)入超高真空生長室內(nèi)的兩束同位素純高能離子束減低能量；步驟14再通過調(diào)整電或磁四極透鏡裝置及靜電偏轉(zhuǎn)電極裝置的電磁場，使得交替沉積到襯底上的兩束低能同位素純離子的束斑形狀大小相同，且位置重合；步驟15按照離子束束流測量裝置設(shè)定的交替沉積的兩種離子的劑量和配比，兩束低能同位素純離子交替地在襯底上外延生長，生長溫度可由襯底的加熱裝置提供。
其中步驟4中的烘烤去氣前的離子源內(nèi)真空應(yīng)達(dá)到10-4Pa。
其中步驟4中的I束伯納斯型固體離子源烘烤去氣的烘烤溫度通常不超過140℃。
其中進(jìn)行步驟6前，伯納斯型固體離子源烘烤去氣后的真空度應(yīng)達(dá)到10-4Pa，繼續(xù)升溫的離子源內(nèi)的氯化鉿氣氛的氣壓升到1.5×10-3Pa時(shí)，適當(dāng)降低燈絲加熱電流、坩堝加熱電流及弧室加熱電流，暫時(shí)停止繼續(xù)升溫，以維持該離子源內(nèi)的氣壓穩(wěn)定。
根據(jù)本發(fā)明的利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法，其中進(jìn)行步驟7前伯納斯型氣體離子源烘烤去氣后的真空度應(yīng)達(dá)到10-4Pa，氮?dú)獾倪M(jìn)氣流量以維持該離子源內(nèi)的氣壓在1.5×10-3Pa左右為準(zhǔn)。
其中步驟8、9中的高能離子束，其能量范圍在15-40KeV之間，大小由離子束外延生長設(shè)備工作時(shí)的加速電壓決定。
其中步驟13中的離子能量范圍在15eV到1KeV之間。
其中步驟15中的生長溫度可由襯底的加熱裝置提供，襯底加熱溫度范圍為室溫到800℃。
以氯化鉿固體粉末作為伯納斯型固體離子源的工作物質(zhì)產(chǎn)生鉿離子束，其離子源的工作溫度范圍通常為150到300℃，工作氣壓范圍通常為0.8×10-3Pa到4.0×10-3Pa，其特征在于，其中，產(chǎn)生出含有鉿離子的離子束具體的過程如下1)、離子源開始工作前，先適當(dāng)減小伯納斯型固體離子源的燈絲加熱電流、坩堝加熱電流和弧室加熱電流，防止起弧后離子源內(nèi)溫度突然升高，致使氯化鉿原材料大量噴出；2)、加離子束系統(tǒng)工作的加速電壓、離子源的弧室電壓和聚焦引出極電壓；3)、升離子源源磁場電流和燈絲加熱電流，使進(jìn)入離子源弧室體內(nèi)的氯化鉿氣氛起弧離化出含有鉿離子的離子；4)、離化出來的離子經(jīng)離子束系統(tǒng)工作的加速電壓加速成形后，由離子源引出聚焦極的負(fù)高壓電場作用引出離子束；5)調(diào)整離子源燈絲加熱電流和源磁場電流來控制產(chǎn)生的弧流大小，待弧流穩(wěn)定后，再適當(dāng)增加離子源弧室加熱電流和坩堝加熱電流，通過調(diào)控離子源內(nèi)工作溫度，維持蒸發(fā)出來的氯化鉿氣氛的工作氣壓穩(wěn)定，并使得離子源穩(wěn)定地產(chǎn)生出大的含有鉿離子的離子束流。
其中，伯納斯型氣體離子源利用直接通入的氮?dú)庾鳛楣ぷ魑镔|(zhì)產(chǎn)生與鉿離子束化合的氮離子束，該離子源的工作氣壓范圍通常為0.8×10-3Pa到4.0×10-3Pa，適當(dāng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣針閥的開關(guān)來升高或降低該離子源的工作氣壓，其特征在于，其產(chǎn)生出含有氮離子的離子束具體過程如下1)、加離子束系統(tǒng)工作的加速電壓后，加離子源的弧室電壓和引出聚焦極電壓；2)、升離子源的源磁場電流和燈絲加熱電流，使進(jìn)入離子源弧室體內(nèi)的氮?dú)獾臍夥掌鸹?，離化出氮離子；3)、離化出來的離子經(jīng)離子束系統(tǒng)工作的加速電壓加速成形后，由離子源的引出聚焦極的負(fù)高壓電場作用引出離子束；4)、調(diào)整離子源的燈絲加熱電流和源磁場電流來控制產(chǎn)生的弧流大小，并使得離子源穩(wěn)定地產(chǎn)生出大的含有氮離子的離子束流。
其中，離子源束流調(diào)控裝置的分時(shí)切割導(dǎo)通周期，由離子束束流測量裝置設(shè)定的每種離子單次沉積到襯底上的離子劑量計(jì)數(shù)值調(diào)控，離子源束流調(diào)控裝置的離子導(dǎo)通周期的范圍為0.1--∞秒，由離子束束流測量裝置設(shè)定兩種離子的交替沉積的劑量計(jì)數(shù)值和配比。
其中，在5×10-7Pa的超高真空生長室內(nèi)，采用具有200eV能量的同位素純鉿離子(Hf+)束和氮離子(N+)束，在硅(Si)襯底上，以較低的350℃生長溫度，外延生長得到表面具有原子尺度光滑平整的致密高結(jié)晶質(zhì)量氮化鉿(HfN)薄膜。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如下，其中圖1是離子束外延(IBE)生長設(shè)備，制備氮化鉿(HfN)薄膜材料示意圖，其中，(1.1)為伯納斯型固體離子源，(1.2)為伯納斯型氣體離子源，(2)為離子源束流調(diào)控裝置，(3)為磁分析器裝置，(4.1)為鉿離子(Hf+)束，(4.2)為氮離子(N+)束，(5.1)為電四極透鏡裝置，(5.2)為磁四極透鏡裝置，(6)為靜電偏轉(zhuǎn)電極裝置，(7)為減速透鏡裝置，(8)為襯底，(9)為離子束束流測量裝置，(10)為超高真空生長室；圖2是Si(111)襯底上，利用離子束外延(IBE)生長設(shè)備制備得到HfN薄膜樣品的X射線衍射測試結(jié)果a為樣品的X射線衍射(XRD)譜，b為樣品HfN(111)峰的X射線搖擺曲線(XRC)。結(jié)果表明樣品具有很高的結(jié)晶質(zhì)量，其高度擇優(yōu)取向的HfN(111)峰的XRC半高寬(FWHM)為2.965o；圖3是Si(111)襯底上，利用離子束外延(IBE)生長設(shè)備制備得到的HfN薄膜樣品的原子力表面形貌(AFM)圖5×5μm2尺度內(nèi)的方均根粗糙度(RMS)僅為0.22nm。結(jié)果表明HfN樣品表面具有原子尺度的光滑平整；圖4是Si(111)襯底上，利用離子束外延生長設(shè)備制備得到的HfN薄膜樣品的X射線光電子能譜(XPS)測試結(jié)果a為樣品的XPS全譜，b為樣品中Hf的價(jià)態(tài)譜，c為樣品中N的價(jià)態(tài)譜，d為樣品表面吸附和氧化的O的價(jià)態(tài)譜。結(jié)果表明樣品具有HfN的化學(xué)結(jié)構(gòu)狀態(tài)(注被測樣品表面存在吸附的氧雜質(zhì)和部分氧化)；圖5是Si(111)襯底上，利用離子束外延生長設(shè)備制備得到的HfN薄膜樣品的俄歇能譜(AES)測試結(jié)果a為樣品的膜層深度分析AES全譜，b為樣品表面的AES微分譜，c為樣品表面濺射6分鐘后的AES微分譜。結(jié)果表明膜層中Hf、N成分分布均勻、接近正化學(xué)配比，膜厚約為184.5nm，且只在樣品表面存在吸附的氧雜質(zhì)和部分氧化；圖6是Si(111)襯底上，利用離子束外延生長設(shè)備制備得到的HfN薄膜樣品的盧瑟福背散射(RBS)測試結(jié)果a為樣品實(shí)驗(yàn)測得的RBS曲線，b為利用SIMNRA 4.0程序模擬計(jì)算的RBS曲線。結(jié)果表明模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果吻合很好，通過模擬計(jì)算得到的膜層中化學(xué)配比Hf∶N＝1∶1，膜厚約為180.6nm。
具體實(shí)施例方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明用于氮化鉿(HfN)薄膜材料制備生長的離子束外延生長設(shè)備制備具有雙束結(jié)構(gòu)，I束和II束，每束各有獨(dú)立的離子源裝置1.1與1.2、離子源束流調(diào)控裝置2、磁分析器裝置3、電或磁四極透鏡裝置5.1與5.2、靜電偏轉(zhuǎn)電極裝置6，雙束共用的減速透鏡裝置7、襯底8和離子束束流測量裝置9位于超高真空生長室10內(nèi)。整個(gè)系統(tǒng)的真空采用差分抽氣式設(shè)計(jì)，從離子源1.1與1.2到生長室(靶室)10的真空逐次提高，生長室10的本底真空可高達(dá)2×10-7Pa。鉿離子(Hf+)束4.1和與氮離子(N+)束4.2的產(chǎn)生及氮化鉿(HfN)薄膜材料的制備生長步驟如下步驟1選用純度要求不高的低成本氯化鉿固體粉末作為I束的伯納斯型固體離子源1.1產(chǎn)生鉿離子束的原材料，將氯化鉿固體粉末裝入伯納斯型固體離子源1.1的蒸發(fā)器型坩堝內(nèi)；
步驟2選用純度要求不高的低成本氮?dú)庾鳛镮I束的伯納斯型氣體離子源1.2產(chǎn)生氮離子束的原材料，將盛裝氮?dú)獾娜萜髋c伯納斯型氣體離子源1.2外的進(jìn)氣導(dǎo)管連接，通過其上的針閥控制進(jìn)氣流量；步驟3將清洗后的襯底8置入生長室10，抽生長系統(tǒng)的真空；步驟4離子源內(nèi)真空達(dá)到10-4Pa，開始烘烤去氣，I束的伯納斯型固體離子源1.1可通過調(diào)整其燈絲加熱電流、坩堝加熱電流及弧室加熱電流來控制烘烤加熱的溫度，該離子源烘烤去氣的烘烤溫度通常不超過140℃。II束的伯納斯型氣體離子源1.2通過調(diào)整其燈絲加熱電流來控制烘烤加熱的溫度；步驟5生長室10內(nèi)的襯底8烘烤去氣；步驟6烘烤去氣后的離子源真空再次達(dá)到10-4Pa后，調(diào)整I束的伯納斯型固體離子源1.1的燈絲加熱電流、坩堝加熱電流及弧室加熱電流，繼續(xù)升高伯納斯型固體離子源1.1的溫度，使其緩慢蒸發(fā)出氯化鉿氣氛，當(dāng)離子源內(nèi)的氯化鉿氣氛的氣壓升到1.5×10-3Pa時(shí)，適當(dāng)降低燈絲加熱電流、坩堝加熱電流及弧室加熱電流，暫時(shí)停止繼續(xù)升溫，以維持該離子源內(nèi)的氣壓穩(wěn)定；步驟7烘烤去氣后的離子源真空再次達(dá)到10-4Pa后，打開II束的伯納斯型氣體離子源1.2外的進(jìn)氣針閥，向源內(nèi)通氮?dú)?，氮?dú)獾倪M(jìn)氣流量以維持該離子源內(nèi)的氣壓在1.5×10-3Pa左右為準(zhǔn)。
步驟8由I束的伯納斯型固體離子源1.1產(chǎn)生含有鉿離子的高能離子束，其能量范圍在15--40KeV之間，大小由離子束系統(tǒng)工作時(shí)加的加速電壓決定。產(chǎn)生出含有鉿離子的離子束的具體過程如下先適當(dāng)減小伯納斯型固體離子源1.1的弧室加熱電流、坩堝加熱電流和燈絲加熱電流，然后加離子束系統(tǒng)工作的加速電壓、離子源1.1的弧室電壓和聚焦引出極電壓，接下來升離子源1.1的源磁場電流和燈絲加熱電流，使進(jìn)入離子源1.1弧室體內(nèi)的氯化鉿氣氛起弧離化出鉿離子，產(chǎn)生的離子經(jīng)離子束系統(tǒng)工作的加速電壓加速成形后，由離子源1.1引出聚焦極的負(fù)高壓電場作用引出離子束?？赏ㄟ^調(diào)整離子源1.1的燈絲加熱電流和源磁場電流來控制產(chǎn)生的弧流大小，待弧流穩(wěn)定后，再適當(dāng)增加離子源1.1的弧室加熱電流和坩堝加熱電流，通過控制離子源1.1內(nèi)的工作溫度，維持蒸發(fā)出來的氯化鉿氣氛的工作氣壓穩(wěn)定，以使得離子源1.1穩(wěn)定地產(chǎn)生出大的含有鉿離子的離子束流。利用伯納斯型固體離子源1.1，以氯化鉿作為工作物質(zhì)來產(chǎn)鉿離子的工作溫度范圍通常為150到300℃，工作氣壓范圍通常為0.8×10-3Pa到4.0×10-3Pa，可根據(jù)生長速率的需要，適當(dāng)升高或降低該離子源1.1的工作溫度和氣壓；；步驟9由II束的伯納斯型氣體離子源1.2產(chǎn)生出具有氮離子的高能離子束，其能量范圍在15-40KeV之間，大小由離子束系統(tǒng)工作時(shí)加的加速電壓決定，具體的過程如下加離子源1.2的弧室電壓和引出聚焦極電壓，接下來升離子源1.2的源磁場電流和燈絲加熱電流，使進(jìn)入離子源1.2弧室體內(nèi)的工作氣體氮?dú)?N2)起弧離化出氮離子(N+)，產(chǎn)生的離子經(jīng)離子束系統(tǒng)工作的加速電壓加速成形后，由該離子源1.2的引出聚焦極的負(fù)高壓電場作用引出離子束?？赏ㄟ^調(diào)整離子源1.2的燈絲加熱電流和源磁場電流來控制產(chǎn)生的弧流大小，離子源1.2產(chǎn)生氮離子(N+)的工作氣壓范圍通常為0.8×10-3Pa到4.0×10-3Pa，可根據(jù)生長速率的需要，適當(dāng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣針閥的開關(guān)來升高或降低離子源1.2的工作氣壓；步驟10用I、II兩個(gè)離子束上各自的磁分析器裝置3對兩個(gè)離子源產(chǎn)生出來的高能離子束按照質(zhì)量數(shù)進(jìn)行分離，分別選擇出生長所需要的同位素純的鉿離子(Zr+)束4.1和氮離子(N+)束4.2；步驟11用I離子束上的電四極透鏡裝置5.1和II離子束上的磁四極透鏡裝置5.2將質(zhì)量分離得到的兩束同位素純高能離子束進(jìn)行二次聚焦；步驟12用靜電偏轉(zhuǎn)電極裝置6將二次聚焦后的兩束同位素純高能離子束4.1和4.2偏轉(zhuǎn)去除高能中性粒子后，打開生長室與離子束匯合處的真空隔斷閥，按照離子源束流調(diào)控裝置2調(diào)控的分時(shí)切割導(dǎo)通周期，同位素純高能離子束4.1和4.2交替地直入射進(jìn)超高真空生長室內(nèi)的減速透鏡裝置7中，其中，離子源束流調(diào)控裝置2的分時(shí)切割導(dǎo)通周期，由離子束束流測量裝置9設(shè)定的每種離子單次沉積到襯底8上的離子劑量計(jì)數(shù)值調(diào)控，其導(dǎo)通周期的范圍為0.1-∞秒；步驟13用減速透鏡裝置7將進(jìn)入超高真空生長室10的同位素純高能離子束4.1和4.2減低能量，減低后的離子能量范圍在15eV到1KeV之間，其大小可根據(jù)生長需要確定；
步驟14再通過調(diào)整電四極透鏡裝置5.1、磁四極透鏡裝置5.2及靜電偏轉(zhuǎn)電極裝置6的電磁場，使得交替沉積到襯底8上的兩束低能同位素純離子的束斑形狀大小相同，且位置重合；步驟15按照離子束束流測量裝置9設(shè)定的交替沉積的兩種離子的劑量和配比，兩束低能同位素純離子交替地在襯底8上沉積生長，可根據(jù)生長需要，由離子束束流測量裝置9設(shè)定兩種離子的交替沉積的劑量計(jì)數(shù)值和配比，薄膜樣品的生長溫度可由襯底8的加熱裝置提供，襯底8加熱溫度范圍為室溫到800℃。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的有益效果本發(fā)明的利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法氮化鉿(HfN)薄膜材料的制備是在具有雙束結(jié)構(gòu)的離子束外延系統(tǒng)上進(jìn)行，選用純度要求不高的氯化鉿(HfCl4)固體粉末和氮?dú)夥謩e作為雙離子束外延系統(tǒng)的兩個(gè)離子源產(chǎn)生金屬鉿離子(Hf+)束和氮離子(N+)束的原材料，降低了氮化鉿(HfN)薄膜材料制備生長的原材料成本；利用離子束外延生長設(shè)備的質(zhì)量分離功能和離子減速功能，得到同位素純，且具有較低能量的金屬鉿離子(Hf+)束和氮離子(N+)束，并在無任何輔助工作氣體的超高真空生長室內(nèi)進(jìn)行薄膜材料的制備生長，實(shí)現(xiàn)了難提純的氮化鉿(HfN)薄膜的高純生長；用來進(jìn)行薄膜材料制備生長的同位素純低能金屬鉿離子(Hf+)和氮離子(N+)，與襯底和生長中的薄膜相互作用，還可起局部加熱作用，實(shí)現(xiàn)了高熔點(diǎn)、難化合的氮化鉿(HfN)薄膜材料的低溫外延；
用來進(jìn)行薄膜材料制備生長的原子態(tài)同位素純低能金屬鉿離子(Hf+)和氮離子(N+)，具有更好的化學(xué)活性并帶有電荷，可通過準(zhǔn)確控制兩種離子的交替沉積劑量與配比、離子能量、離子束斑形狀及生長溫度來優(yōu)化生長工藝，進(jìn)而獲得具有正化學(xué)配比、表面平坦、致密的高結(jié)晶質(zhì)量氮化鉿(HfN)薄膜；本發(fā)明提供的離子束外延(IBE)生長設(shè)備制備氮化鉿(HfN)薄膜材料的方法與目前常用的氮化鉿(HfN)薄膜材料制備方法，如磁控濺射、脈沖激光沉積(PLD)、離子束輔助沉積(IBAD)、等離子體氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、電子束蒸發(fā)等相比，本發(fā)明的方法可利用低成本的原材料實(shí)現(xiàn)氮化鉿(HfN)薄膜的高純、正化學(xué)配比的優(yōu)質(zhì)生長及低溫外延，且生長工藝便于調(diào)控和優(yōu)化，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的制備應(yīng)用于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域氮化鉿(HfN)薄膜材料的方法。
實(shí)現(xiàn)發(fā)明的最好方式1、實(shí)現(xiàn)發(fā)明的主要設(shè)備離子束外延生長設(shè)備、真空設(shè)備(機(jī)械真空泵、渦輪分子泵、低溫泵、離子泵等)、半導(dǎo)體襯底材料的清洗設(shè)備等；2.根據(jù)生長設(shè)備的具體情況和所要制備的氮化鉿(HfN)薄膜的要求，設(shè)計(jì)本發(fā)明的實(shí)施的技術(shù)路線。
實(shí)施例具體實(shí)施例見表2的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖2、3、4、5、6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
表2Si(111)襯底上，利用離子束外延(IBE)生長設(shè)備制備氮化鉿(HfN)薄膜材料的實(shí)驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果


測試分析

權(quán)利要求
1.一種利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1選用純度要求不高的低成本氯化鉿固體粉末作為I束的伯納斯型固體離子源產(chǎn)生鉿離子束的原材料，將氯化鉿固體粉末裝入伯納斯型固體離子源的蒸發(fā)器型坩堝內(nèi)；步驟2選用純度要求不高的低成本氮?dú)庾鳛镮I束的伯納斯型氣體離子源產(chǎn)生氮離子束的原材料，將盛裝氮?dú)獾娜萜髋c伯納斯型氣體離子源外的進(jìn)氣導(dǎo)管連接，通過其上的針閥控制進(jìn)氣流量；步驟3將清洗后的襯底置入生長室，抽生長系統(tǒng)的真空；步驟4離子源烘烤去氣，I束的伯納斯型固體離子源可通過調(diào)整其燈絲加熱電流、坩堝加熱電流及弧室加熱電流來控制烘烤加熱的溫度，II束的伯納斯型氣體離子源通過調(diào)整其燈絲加熱電流來控制烘烤加熱的溫度；步驟5生長室內(nèi)的襯底烘烤去氣步驟6調(diào)整I束的伯納斯型固體離子源的燈絲加熱電流、坩堝加熱電流及弧室加熱電流，繼續(xù)升高伯納斯型固體離子源的溫度，使其緩慢蒸發(fā)出氯化鉿氣氛；步驟7打開II束的伯納斯型氣體離子源外的進(jìn)氣針閥，向源內(nèi)通氮?dú)?；步驟8由I束的伯納斯型固體離子源產(chǎn)生含有鉿離子的高能離子束；步驟9由II束的伯納斯型氣體離子源產(chǎn)生出具有氮離子的高能離子束；步驟10用兩個(gè)離子束上各自的磁分析器裝置對兩個(gè)離子源產(chǎn)生出來的高能離子束按照質(zhì)量數(shù)進(jìn)行分離，分別選擇出生長所需要的同位素純的鉿離子束和氮離子束；步驟11用兩個(gè)離子束上的電或磁四極透鏡裝置將質(zhì)量分離得到的兩束同位素純高能離子束進(jìn)行二次聚焦；步驟12用靜電偏轉(zhuǎn)電極裝置將二次聚焦后的兩束同位素純高能離子束偏轉(zhuǎn)去除高能中性粒子后，打開生長室與離子束匯合處的真空隔斷閥，按照離子源束流調(diào)控裝置調(diào)控的分時(shí)切割導(dǎo)通周期，兩束同位素純的高能離子束交替地的直入射進(jìn)超高真空生長室內(nèi)的減速透鏡裝置中；步驟13用減速透鏡裝置將進(jìn)入超高真空生長室內(nèi)的兩束同位素純高能離子束減低能量；步驟14再通過調(diào)整電或磁四極透鏡裝置及靜電偏轉(zhuǎn)電極裝置的電磁場，使得交替沉積到襯底上的兩束低能同位素純離子的束斑形狀大小相同，且位置重合；步驟15按照離子束束流測量裝置設(shè)定的交替沉積的兩種離子的劑量和配比，兩束低能同位素純離子交替地在襯底上外延生長，生長溫度可由襯底的加熱裝置提供。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法，其特征在于，其中步驟4中的烘烤去氣前的離子源內(nèi)真空應(yīng)達(dá)到10-4Pa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法，其特征在于，其中步驟4中的I束伯納斯型固體離子源烘烤去氣的烘烤溫度通常不超過140℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法，其特征在于，其中進(jìn)行步驟6前，伯納斯型固體離子源烘烤去氣后的真空度應(yīng)達(dá)到10-4Pa，繼續(xù)升溫的離子源內(nèi)的氯化鉿氣氛的氣壓升到1.5×10-3Pa時(shí)，適當(dāng)降低燈絲加熱電流、坩堝加熱電流及弧室加熱電流，暫時(shí)停止繼續(xù)升溫，以維持該離子源內(nèi)的氣壓穩(wěn)定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法，其特征在于，其中進(jìn)行步驟7前伯納斯型氣體離子源烘烤去氣后的真空度應(yīng)達(dá)到10-4Pa，氮?dú)獾倪M(jìn)氣流量以維持該離子源內(nèi)的氣壓在1.5×10-3Pa左右為準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法，其特征在于，其中步驟8、9中的高能離子束，其能量范圍在15-40KeV之間，大小由離子束外延生長設(shè)備工作時(shí)的加速電壓決定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法，其特征在于，其中步驟13中的離子能量范圍在15eV到1KeV之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法，其特征在于，其中步驟15中的生長溫度可由襯底的加熱裝置提供，襯底加熱溫度范圍為室溫到800℃。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法，以氯化鉿固體粉末作為伯納斯型固體離子源的工作物質(zhì)產(chǎn)生鉿離子束，其離子源的工作溫度范圍通常為150到300℃，工作氣壓范圍通常為0.8×10-3Pa到4.0×10-3Pa，其特征在于，其中，產(chǎn)生出含有鉿離子的離子束具體的過程如下1)、離子源開始工作前，先適當(dāng)減小伯納斯型固體離子源的燈絲加熱電流、坩堝加熱電流和弧室加熱電流，防止起弧后離子源內(nèi)溫度突然升高，致使氯化鉿原材料大量噴出；2)、加離子束系統(tǒng)工作的加速電壓、離子源的弧室電壓和聚焦引出極電壓；3)、升離子源源磁場電流和燈絲加熱電流，使進(jìn)入離子源弧室體內(nèi)的氯化鉿氣氛起弧離化出含有鉿離子的離子；4)、離化出來的離子經(jīng)離子束系統(tǒng)工作的加速電壓加速成形后，由離子源引出聚焦極的負(fù)高壓電場作用引出離子束；5)調(diào)整離子源燈絲加熱電流和源磁場電流來控制產(chǎn)生的弧流大小，待弧流穩(wěn)定后，再適當(dāng)增加離子源弧室加熱電流和坩堝加熱電流，通過調(diào)控離子源內(nèi)工作溫度，維持蒸發(fā)出來的氯化鉿氣氛的工作氣壓穩(wěn)定，并使得離子源穩(wěn)定地產(chǎn)生出大的含有鉿離子的離子束流。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法，其中，伯納斯型氣體離子源利用直接通入的氮?dú)庾鳛楣ぷ魑镔|(zhì)產(chǎn)生與鉿離子束化合的氮離子束，該離子源的工作氣壓范圍通常為0.8×10-3Pa到4.0×10-3Pa，適當(dāng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣針閥的開關(guān)來升高或降低該離子源的工作氣壓，其特征在于，其產(chǎn)生出含有氮離子的離子束具體過程如下1)、加離子束系統(tǒng)工作的加速電壓后，加離子源的弧室電壓和引出聚焦極電壓；2)、升離子源的源磁場電流和燈絲加熱電流，使進(jìn)入離子源弧室體內(nèi)的氮?dú)獾臍夥掌鸹?，離化出氮離子；3)、離化出來的離子經(jīng)離子束系統(tǒng)工作的加速電壓加速成形后，由離子源的引出聚焦極的負(fù)高壓電場作用引出離子束；4)、調(diào)整離子源的燈絲加熱電流和源磁場電流來控制產(chǎn)生的弧流大小，并使得離子源穩(wěn)定地產(chǎn)生出大的含有氮離子的離子束流。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法，其特征在于，其中，離子源束流調(diào)控裝置的分時(shí)切割導(dǎo)通周期，由離子束束流測量裝置設(shè)定的每種離子單次沉積到襯底上的離子劑量計(jì)數(shù)值調(diào)控，離子源束流調(diào)控裝置的離子導(dǎo)通周期的范圍為0.1-∞秒，由離子束束流測量裝置設(shè)定兩種離子的交替沉積的劑量計(jì)數(shù)值和配比。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束外延生長設(shè)備制備氮化鉿薄膜材料的方法，其特征在于，其中，在5×10-7Pa的超高真空生長室內(nèi)，采用具有200eV能量的同位素純鉿離子束和氮離子束，在硅襯底上，以較低的350℃生長溫度，外延生長得到表面具有原子尺度光滑平整的致密高結(jié)晶質(zhì)量氮化鉿薄膜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用離子束外延(IBE)生長設(shè)備制備氮化鉿(HfN)薄膜材料的方法。在具有質(zhì)量分離功能與荷能離子沉積特點(diǎn)的雙離子束外延生長設(shè)備上，選用純度要求不高的氯化鉿(HfCl
文檔編號C23C14/06GK1778985SQ20041000981
公開日2006年5月31日 申請日期2004年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月18日
發(fā)明者楊少延, 柴春林, 劉志凱, 陳涌海, 陳諾夫, 王占國 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所