一種碲鎘汞表面絕緣層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碲鎘汞表面絕緣層的制備方法，具體地說是一種在低于100°C的條件下基于原子層沉積技術(shù)在碲鎘汞表面生長絕緣性優(yōu)異的非晶氧化鋁層的方法。
技術(shù)背景
[0002]在自旋場效應(yīng)晶體管中，自旋是信息的有效載體，自旋取向的調(diào)控是實現(xiàn)自旋晶體管器件開關(guān)的關(guān)鍵步驟。自旋取向的調(diào)控是利用柵壓來改變Rashba自旋軌道耦合作用來實現(xiàn)的。自旋軌道耦合是一種相對論效應(yīng)，其大小和半導(dǎo)體材料的禁帶寬度成反比。碲鎘汞(Hgl xCdxTe，簡寫為MCT)材料的禁帶寬度隨組分的變化可以從OeV到1.5eV連續(xù)可調(diào)，因此零帶隙附近的碲鎘汞材料成為制備自旋場效應(yīng)晶體管器件的重要備選材料之一。此外，在碲化鎘量子阱中，利用自旋軌道耦合特性，在零磁場下觀察到了自旋拓撲絕緣態(tài)，這在未來的自旋電子器件中將有重要應(yīng)用。
[0003]在基于碲鎘汞材料的自旋場效應(yīng)晶體管器件中，需要通過電場調(diào)控自旋取向，因而要在碲鎘汞表面生長性能良好的絕緣膜。碲鎘汞表面絕緣膜需要滿足以下要求:(1)良好的絕緣體，有高的電阻率；(2)良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，不受器件制備工藝過程中所用的化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，在大氣環(huán)境下可以長期存放；(3)有大的禁帶寬度，禁帶內(nèi)沒有陷阱；(4)在碲鎘汞表面有良好的粘附性；(5)良好的介電性能，合適的折射率以滿足抗反射高透射功能，金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)器件要求高介電常數(shù)。目前絕緣層的淀積制備包括熱蒸發(fā)/磁控濺射制備硫化鋅膜、化學(xué)氣相沉積制備二氧化硅膜、電子回旋共振等離子體化學(xué)氣相沉積氮化硅膜等材料。但此類材料和淀積方法分別存在化學(xué)穩(wěn)定性/熱穩(wěn)定性較差、在碲鎘汞上粘附性差、或淀積過程能量過高損傷碲鎘汞襯底等問題。
[0004]在碲鎘汞材料中，汞具有易揮發(fā)的特性，過高的溫度會導(dǎo)致碲鎘汞材料的組分發(fā)生變化，因此碲鎘汞上的絕緣層的制備不能在太高的溫度下進行；另外，自旋場效應(yīng)晶體管器件有需要足夠高的電場來改變其自旋取向，所以絕緣層要具有優(yōu)異的耐壓性能。有研究者利用等離子體增強的化學(xué)氣相沉積技術(shù)在碲化鎘量子阱上制備了厚度110納米的氮化硅/氧化硅的超晶格絕緣層，其在4.2K的溫度下所能承受的電壓僅為-4V到+4V (參見論文:Semicond.Sc1.Technol.2006, 21，501-506);而采用磁控濺射方法在碲鎘汞上制備的厚度178納米的硫化鋅絕緣層，在77K的測試溫度下，所能承受的電壓在-5V到+5V之內(nèi)(參見論文:Infrared 2006，12，4_9)。目前報導(dǎo)的這些絕緣層所能承受的電場強度均不高于0.4MV/cm ο
[0005]非晶氧化鋁薄膜具有高的熱穩(wěn)定性/化學(xué)穩(wěn)定性、大的禁帶寬度、高的光透過率、較大的介電常數(shù)等物理化學(xué)性能，可滿足碲鎘汞對絕緣層的要求。目前采用原子層沉積技術(shù)，以三甲基鋁和水為原料，可以在200?400°C的溫度范圍內(nèi)生長絕緣性能優(yōu)異的非晶氧化鋁薄膜，原子層沉積生長是基于襯底表面吸附的自限制效應(yīng)，薄膜和襯底粘附性好，制備的非晶氧化鋁薄膜結(jié)構(gòu)致密、臺階覆蓋性好，而且該過程能量較低，不會對襯底產(chǎn)生損傷，因此，采用原子層沉積技術(shù)生長非晶氧化鋁薄膜，可以滿足碲鎘汞表面絕緣層生長的大多數(shù)要求。但碲鎘汞材料不能承受高溫，因此傳統(tǒng)的原子層沉積工藝由于溫度相對較高而不適合；需要尋找在更低溫度下氧化鋁薄膜的生長工藝。雖然有研究(參見論文:Chem.Mater.2004, 16，639-645)表明采用水作氧前驅(qū)體在100°C以下也可以實現(xiàn)原子層沉積，但其工藝需要很長的惰性氣體沖洗時間以實現(xiàn)水分子的單分子層吸附，使得其在制備過程中時間消耗過久，不利于提高效率；并且薄膜中氫雜質(zhì)含量較高，對材料的電學(xué)性質(zhì)有很大的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于上述已有技術(shù)存在的種種問題，本發(fā)明的目的是提出一種適合碲鎘汞的表面絕緣層制備方法。一方面滿足材料在高電場下絕緣的要求，另一方面也確保絕緣層生長過程不會對碲鎘汞襯底產(chǎn)生損傷。
[0007]本發(fā)明的一種碲鎘汞表面絕緣層的制備方法，具體是指一種在低于100°C的條件下基于原子層沉積技術(shù)在碲鎘汞表面制備絕緣層的方法。包括以下具體步驟:
A、原料
三甲基鋁、氧氣；氮氣或氬氣作為載氣和沖洗氣體，載氣純度至少為99.999% ;襯底為石市錦萊;
B、襯底的清洗和安裝
將襯底用無水乙醇沖洗后，用氮氣吹干，放置于樣品托盤上，送入原子層沉積系統(tǒng)或化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的真空反應(yīng)腔，抽真空使真空度達到l_3hpa ;
C、絕緣層的制備
固定在真空反應(yīng)腔的樣品托盤上的襯底保持在100°C以下；對裝有三甲基鋁的源瓶制冷使其溫度保持在15?22°C，氧氣和氮氣按照95: 5的體積比混合均勻后，通過臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧氣體；沉積系統(tǒng)內(nèi)通入氮氣或氬氣，使反應(yīng)腔內(nèi)及中間空間氣壓分別保持在1?3hpa和6?15hpa ;將鋁源及氧源依次通過管道送進真空反應(yīng)腔體，每次送入原料后通入惰性氣體脈沖進行沖洗真空反應(yīng)腔，對樣品托盤上的襯底多重循環(huán)生長，每個生長循環(huán)包括以下四個脈沖:
1、三甲基鋁脈沖0.1?1秒，使用氮氣或氬氣作為載氣輸送到反應(yīng)腔；
i1、氮氣或氬氣沖洗腔體2?8秒； i i 1、臭氧脈沖3?6秒；
iv、氮氣或氬氣沖洗腔體3?8秒。
[0008]利用自限制表面吸附效應(yīng)，制得非晶氧化鋁絕緣層，生長速率為0.087納米/循環(huán)。電容-電壓特性測試表明，在160K溫度下，絕緣層可以承受1.5 MV/cm的電場。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點在于采用臭氧作為氧源，具有以下優(yōu)點:(1)制備過程溫度低，避免了汞揮發(fā)；制備過程能量低，不會對碲鎘汞表面產(chǎn)生損傷；(2)所制備的薄膜耐壓能力強，能承受較高的電場強度；薄膜結(jié)構(gòu)致密、具有高的臺階覆蓋性；(3)縮短了制備周期；(4)可控性好，利用循環(huán)脈沖次數(shù)可精確控制材料的生長，可以大批量的制備。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明循環(huán)次數(shù)為1500次所得薄膜的AFM圖；
圖2為圖1所不AFM圖的尚度標(biāo)尺；
圖3為A1/A1203/MCT復(fù)合金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在160K溫度下的電容-電壓特性圖，其中的A1203生長循環(huán)次數(shù)為1500次，A1電極采用真空蒸發(fā)法在A1 203表面制作得到。
【具體實施方式】
[0011]本發(fā)明包括以下步驟：
A、原料三甲基鋁、氧氣；氮氣或氬氣作為載氣和沖洗氣體，載氣純度至少為99. 999% ;襯底為石市錦萊；
B、襯底的清洗和安裝將襯底用無水乙醇沖洗后，用氮氣吹干，放置于樣品托盤上，送入原子層沉積系統(tǒng)或化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的真空反應(yīng)腔，抽真空使真空度達到l_3hpa ;
C、絕緣層的制備固定在真空反應(yīng)腔的樣品托盤上的襯底保持在l〇〇°C以下；對裝有三甲基鋁的源瓶制冷使其溫度保持在15?22°C，氧氣和氮氣按照95 : 5的體積比混合均勻后，通過臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧氣體；沉積系統(tǒng)內(nèi)通入氮氣或氬氣，使反應(yīng)腔內(nèi)及中間空間氣壓分別保持在1?3hpa和6?15hpa ;將鋁源及氧源依次通過管道送進真空反應(yīng)腔體，每次送入原料后通入惰性氣體脈沖進行沖洗真空反應(yīng)腔，對樣品托盤上的襯底多重循環(huán)生長，每個生長循環(huán)包括以下四個脈沖：
i、三甲基鋁脈沖0. 1?1秒，使用氮氣或氬氣作為載氣輸送到反應(yīng)腔；
ii、氮氣或氬氣沖洗腔體2?8秒；i i i、臭氧脈沖3?6秒；
iv、氮氣或氬氣沖洗腔體3?8秒。
[0012]利用自限制表面吸附效應(yīng)，制得非晶氧化鋁絕緣層。
[0013]實施例1
將碲鎘汞襯底使用無水乙醇沖洗后，用氮氣吹干，放置于樣品托盤上，送入原子層沉積系統(tǒng)的真空反應(yīng)腔，抽真空使真空度達到3hpa。
[0014]固定在真空反應(yīng)腔的樣品托盤上的襯底保持在80°C ;對裝有二甲基錯的源瓶制冷使其溫度保持在20°C;氧氣和氮氣按照95 : 5的體積比混合均勻后，通過臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧氣體；沉積系統(tǒng)內(nèi)通入氮氣，使反應(yīng)腔內(nèi)、中間空間氣壓分別保持在3hpa、10hpa。每個的生長循環(huán)由以下脈沖依次組成：
i、三甲基鋁脈沖0. 1秒，使用氮氣或氬氣作為載氣輸送到反應(yīng)腔，載氣流量為150sccm ；
ii、氮氣沖洗腔體4秒，流量為150sccm ;
iii、臭氧脈沖3秒，臭氧流量為300sccm，使用氮氣作為載氣輸送到反應(yīng)腔，載氣流量為 150sccm ;
iv、氮氣沖洗腔體6秒，流量為150sccm。
[0015]生長1500循環(huán)，非晶氧化鋁絕緣層厚度約130納米。
[0016]參閱圖3,在160K溫度下進行電容-電壓特性測試，絕緣層可以承受20V的電壓(電場強度1. 5 MV/cm)。
【主權(quán)項】
1.一種碲鎘汞表面絕緣層的制備方法，其特征在于所述絕緣層是在低于100°c的條件下采用原子層沉積方式制得，其制備方法包括以下具體步驟: A、原料 三甲基鋁、氧氣；氮氣或氬氣作為載氣和沖洗氣體，載氣純度至少為99.999% ;襯底為石市錦萊; B、襯底的清洗和安裝 將襯底用無水乙醇沖洗后，用氮氣吹干，放置于樣品托盤上，送入原子層沉積系統(tǒng)或化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的真空反應(yīng)腔，抽真空使真空度達到l_3hPa ; C、絕緣層的制備 固定在真空反應(yīng)腔的樣品托盤上的襯底保持在100°C以下；對裝有三甲基鋁的源瓶制冷使其溫度保持在15?22°C，氧氣和氮氣按照95: 5的體積比混合均勻后，通過臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧氣體；沉積系統(tǒng)內(nèi)通入氮氣或氬氣，使反應(yīng)腔內(nèi)及中間空間氣壓分別保持在1?3hPa和6?15hPa ;將鋁源及氧源依次通過管道送進真空反應(yīng)腔體，每次送入原料后通入惰性氣體脈沖進行沖洗真空反應(yīng)腔，對樣品托盤上的襯底多重循環(huán)生長，每個生長循環(huán)包括以下四個脈沖: 1、三甲基鋁脈沖0.1?1秒，使用氮氣或氬氣作為載氣輸送到反應(yīng)腔； i1、氮氣或氬氣沖洗腔體2?8秒； i i 1、臭氧脈沖3?6秒； iv、氮氣或氬氣沖洗腔體3?8秒； 利用自限制表面吸附效應(yīng)，制得非晶氧化鋁絕緣層，生長速率為0.087納米/循環(huán)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碲鎘汞表面絕緣層的制備方法，該方法基于原子層沉積技術(shù)實現(xiàn)，采用臭氧作為氧源，在低于100oC的條件下在碲鎘汞上生長非晶絕緣層。本發(fā)明具有反應(yīng)溫度低、絕緣層質(zhì)量高、可控性好等優(yōu)點；本發(fā)明在紅外探測器和自旋器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【IPC分類】H01L21/02, H01L29/66
【公開號】CN105355539
【申請?zhí)枴緾N201510653717
【發(fā)明人】李亞巍, 喬琦, 商麗燕, 褚君浩
【申請人】華東師范大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年10月12日