原子層沉積系統(tǒng)在氮化鋁AlN薄膜工藝中的應(yīng)用

李新霞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊050051）

原子層沉積系統(tǒng)在氮化鋁AlN薄膜工藝中的應(yīng)用

李新霞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊050051）

介紹了原子層沉積系統(tǒng)（ALD）的原理、結(jié)構(gòu)，以及它和不同薄膜生長(zhǎng)設(shè)備相比所具有的特點(diǎn)。分析了影響ALD設(shè)備工藝性能的主要因素。在此基礎(chǔ)上，采用等離子增強(qiáng)型ALD技術(shù)在硅片上制備AlN薄膜，并測(cè)試分析了薄膜的成分和表面平整度，滿足工藝要求。

原子層沉積；前驅(qū)體；電流崩塌

作為一種特性優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，GaN可以被用來制備各種結(jié)構(gòu)的器件。尤其在高頻大功率應(yīng)用方面，GaN HEMT無疑是首選。但是仍然存在許多因素阻礙了器件特性向更高頻率、更大功率提升，電流崩塌就是其中最受關(guān)注的一個(gè)制約因素。

電流崩塌簡(jiǎn)單可以描述為：一定條件下漏電流值Ids比預(yù)計(jì)值下降，膝點(diǎn)電壓增大，輸出功率密度及功率附加效率降低，器件性能惡化的現(xiàn)象［1］。

抑制電流崩塌的方法主要有：生長(zhǎng)蓋帽層（cap layer）、加蓋場(chǎng)板（field plate）、表面鈍化（surface passivation）等，其中表面鈍化運(yùn)用最為廣泛。新的鈍化介質(zhì)，如SiO2、Al2O3、SiO等均有研究報(bào)道，并且具有不同程度的鈍化效果。但由于SiNx制備工藝成熟穩(wěn)定，因此仍然是被廣泛采用的鈍化材料。

采用PECVD生長(zhǎng)的SiNx作為鈍化介質(zhì)質(zhì)量并不高，它的熱導(dǎo)率低，會(huì)導(dǎo)致器件散熱性能變差。另外，SiNx與GaN之間大的晶格失配，帶來別的可靠性問題。為了獲得高質(zhì)量的鈍化介質(zhì)，新的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)如原子層沉積（ALD）開始被采用。Al2O3、AlN等新的鈍化材料也被廣泛研究。

1　原子層沉積系統(tǒng)簡(jiǎn)介

原子層沉積ALD（atomic layer deposition），是一種特殊的化學(xué)氣相沉積（CVD）方法。要實(shí)現(xiàn)氣相前驅(qū)體化學(xué)吸附在基材表面，前驅(qū)體以脈沖方式交替輸入腔體，而且必須具有足夠高的活化能［2］。相比于傳統(tǒng)的薄膜沉積方法，ALD擁有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。ALD可以實(shí)現(xiàn)材料的單原子層逐層生長(zhǎng)，使得材料厚度高度可控，同時(shí)具有良好的保型性和臺(tái)階覆蓋性，適用于各種形狀的襯底。

1.1原子層沉積的機(jī)理

原子層沉積在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)只形成一層薄膜，每層薄膜厚度為納米量級(jí)，在前驅(qū)體脈沖之間，需要用惰性氣體進(jìn)行清洗，然后生長(zhǎng)下一層。它一般選擇氣相物質(zhì)作為反應(yīng)前驅(qū)體，并且通入前驅(qū)體的量幾乎不會(huì)影響薄膜的生長(zhǎng)速度。

在反應(yīng)機(jī)理方面，原子層沉積和傳統(tǒng)的化學(xué)沉積CVD、物理氣相淀積PVD等相比，具有相似之處，又有區(qū)別。表1給出了ALD與傳統(tǒng)的CVD、PVD材料淀積方法的特點(diǎn)比較?？梢钥闯觯m然ALD的沉積速率相對(duì)較低，但對(duì)于精確到納米尺度的薄膜材料的淀積，速率不再是主要問題。

表1　ALD與CVD、PVD特點(diǎn)比較

目前原子層沉積系統(tǒng)的生長(zhǎng)模式主要有兩種，熱生長(zhǎng)（Thermal ALD）和等離子增強(qiáng)型（Plasma Enhanced ALD）［2］。

熱生長(zhǎng)模式是指前驅(qū)體在一定的反應(yīng)溫度下直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成所需的薄膜材料的生長(zhǎng)方式。這種模式得到的材料質(zhì)量好，保型性好，但缺點(diǎn)是對(duì)于反應(yīng)溫度控制要求高，前驅(qū)體離子活性要求高，淀積速率慢。

PEALD模式是在熱生長(zhǎng)模式的基礎(chǔ)上，在反應(yīng)室引入等離子體來增強(qiáng)前驅(qū)體間化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)機(jī)理于等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）相似。降低了反應(yīng)腔的溫度，避免高溫對(duì)于襯底材料的損傷，淀積速率相對(duì)于熱生長(zhǎng)較高，可淀積金屬與低阻的金屬氮化物、碳化物等。

1.2原子層沉積系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前生產(chǎn)原子層沉積設(shè)備的廠家有很多，這里以芬蘭BENEQ的TFS200ALD為例，對(duì)ALD系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。TFS 200ALD系統(tǒng)使用靈活，適用于做產(chǎn)品工藝和應(yīng)用研發(fā)。

圖1為ALD設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，有真空系統(tǒng)、射頻源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。它同時(shí)具有熱生長(zhǎng)和等離子增強(qiáng)兩種不同生長(zhǎng)模式。

它包括一個(gè)真空室，真空室里面是反應(yīng)室。真空室和反應(yīng)室在物理上并沒有完全隔離。

真空泵一直保持運(yùn)行狀態(tài)，通過質(zhì)量流量計(jì)控制一路氮?dú)饬髁縼碚{(diào)整真空室壓力，保證真空室的壓力要大于反應(yīng)室壓力，防止前驅(qū)體從反應(yīng)室泄漏到真空室。

圖1　原子層沉積系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)壓力的變化影響所有源的流量。通常情況下系統(tǒng)壓力允許有小變化，但是如果系統(tǒng)壓力和源的壓力接近，那么小的變化會(huì)對(duì)流量產(chǎn)生巨大影響。

PEALD模式下，需要利用射頻源和匹配網(wǎng)絡(luò)，用電容性耦合方式，使等離子氣體起輝、電離，產(chǎn)生等離子。

通過水冷和加熱系統(tǒng)來快速控制冷壁真空腔、熱壁反應(yīng)室、熱源、液態(tài)源的溫度。熱壁反應(yīng)室可使基底溫度均勻分布，同時(shí)避免前驅(qū)物的凝結(jié)和二次反應(yīng)。

圖2是ALD系統(tǒng)的管路示意圖。包括等離子氣體、壓縮空氣、載流氣體、加熱源和液態(tài)源等。具體種類根據(jù)用戶不同需要可以增減、更換。

前驅(qū)體的使用是原子層沉積工藝的基礎(chǔ)。

主要有三種類型前驅(qū)體源：氣體源、液態(tài)源（冷源）、熱源。其中熱源根據(jù)溫度不同分為：低溫HS200/HS300（200～300℃）和高溫?zé)嵩碒S500（500℃）［3］。高的熱源使前驅(qū)體有更多的選擇余地。

三種氣源混合時(shí)，首先混合氣體源和液體源，然后混合熱源，送入腔體。

氣體源：采用VCR連接。有單向閥，防止異常情況下，氣體逆向流入氣源。氣路上安裝有質(zhì)量流量計(jì)MFC。氣源常用作等離子氣體，淀積時(shí)，它不需要脈沖方式輸送。氣路上有一個(gè)脈沖閥和一個(gè)節(jié)流孔限制氣體流量。對(duì)于PEALD，氣體混合后通過腔體上蓋送入等離子電極。對(duì)于thermal ALD，氣體分成多路通過腔體底部進(jìn)入反應(yīng)室。

圖2　原子層沉積系統(tǒng)管路示意圖

液態(tài)源：也可以稱為冷源，適用于常溫下有相對(duì)高的蒸汽壓（〉500 Pa、20℃）的材料，安裝在一個(gè)恒溫的鋁架上，通過冷水機(jī)或循環(huán)水提供19～20℃溫度可以保證蒸汽壓不受室溫影響，而且避免管道結(jié)露。根據(jù)蒸汽壓不同有三種使用方式：

（1）如果源蒸汽壓（〉1 000 Pa）高于反應(yīng)室管道壓力，因此靠本身壓力，采用脈沖方式，經(jīng)過一個(gè)針閥輸送。流量可以通過針閥、脈沖時(shí)間改變，并受不同源溫度的影響。

（2）如果源的壓力不是足夠高，可以采用載氣輔助傳輸方式。輸送時(shí)，載氣閥門和脈沖閥同時(shí)打開，載氣經(jīng)過前驅(qū)體容器并帶動(dòng)前驅(qū)體輸送。

（3）如果源的壓力很低，就要采用“載氣輔助充壓模式”，就是載氣充入并提升源容器內(nèi)壓力，然后脈沖閥打開，將載氣和源蒸汽的混合氣體送入腔體。

熱源：對(duì)于蒸汽壓低的材料，常是固體，需要放入熱源才能使用。當(dāng)前體材料需要中度加熱時(shí)，就可以使用低溫?zé)嵩?。需要高溫加熱時(shí)，就可以使用高溫?zé)嵩础?/p>

低溫?zé)嵩春鸵簯B(tài)源類似。它可以靠材料自身的蒸汽壓或以充壓方式傳送。這種源可以加熱到200或300度，適用于液體或固體材料。利用惰性載氣流量隔離，防止脈沖間隔期間熱源泄漏到反應(yīng)室。

靠自身蒸汽壓傳送時(shí)溫度要足夠高，保證蒸汽壓高于系統(tǒng)壓力。熱源輸出沒有可調(diào)的針閥，因此熱源壓力只能略高于系統(tǒng)壓力，防止過沖浪費(fèi)。工藝上可以通過脈沖時(shí)間和改變?cè)礈囟葋碚{(diào)整流量。

采用充壓模式，可以避免低蒸汽壓的材料由于加熱而產(chǎn)生的熱分解反應(yīng)。首先脈沖方式充入載流氣體，提高源里面的壓力，然后釋放載流氣體和前驅(qū)體的混合物到反應(yīng)室。流量可以通過溫度或脈沖長(zhǎng)度改變。一般情況占空比是固定的。

1.3原子層沉積的工藝調(diào)整

根據(jù)工藝需要更改源的流量就可以獲得最佳工藝性能。而且溫度不僅可以用來調(diào)節(jié)反應(yīng)室或源的工藝要求，也可以改變流量。一般情況最好只調(diào)節(jié)MFC或針閥。

當(dāng)前驅(qū)體量低時(shí)，可以延長(zhǎng)脈沖時(shí)間、提高源加熱溫度；過量時(shí)，可以關(guān)小針閥。

通過改變?cè)O(shè)備關(guān)鍵參數(shù)就可以有效地優(yōu)化工藝，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和質(zhì)量。

2　PEALD的AlN薄膜制備

目前AlN薄膜淀積方式主要有：磁控濺射、直流濺射、化學(xué)氣相淀積、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積（MOCVD）等［4］。濺射速度快，但成膜質(zhì)量差、雜質(zhì)多，生長(zhǎng)完成后需要退火。CVD需要很高的生長(zhǎng)溫度（1 000～1 600℃）。MOCVD可以淀積高質(zhì)量的AlN薄膜，但同樣由于超過1 000℃的生長(zhǎng)溫度，所以幾乎不可能被用于鈍化工藝。ALD具備高致密性、厚度可控、低溫優(yōu)勢(shì)。下面是我們采用等離子增強(qiáng)原子層沉積在250℃下生長(zhǎng)AlN薄膜，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

PEALD生長(zhǎng)基于表面飽和反應(yīng)的循環(huán)往復(fù)生長(zhǎng)，每個(gè)循環(huán)包括兩個(gè)自限制的半反應(yīng)組成［5］?；环旁诟哒婵辗磻?yīng)室加熱，TMA與N2/H2等離子體以脈沖的形式交替送入反應(yīng)室，TMA與N、H自由基在基片表面發(fā)生反應(yīng)生成AlN。在脈沖間隙利用惰性氣體N2將未反應(yīng)的前驅(qū)體和反應(yīng)生成物帶出反應(yīng)室腔體［6］。

PEALD生長(zhǎng)的兩個(gè)半反應(yīng)：

AlNH*+Al（CH3）3→AlNAl（CH3）2*+CH4

AlCH3*+N+H→AlNH*+CH4

TMA和N2/H2（10∶1）混合氣體（其流量為100 mL/min）作為前驅(qū)體，H2是輔助激活N2，產(chǎn)生等離子體。腔體溫度約250℃，射頻源功率為100 W，鋁源溫度設(shè)定為20℃，詳細(xì)的薄膜淀積工藝條件如表2。

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表2　PEALD AlN薄膜生長(zhǎng)工藝條件

3　AlN薄膜材料表征分析

PEALD沉積得到AlN薄膜材料，首先需要進(jìn)行化學(xué)成分分析。掃描電子顯微鏡能譜儀可以對(duì)鈍化層進(jìn)行納米厚度范圍內(nèi)的表面成分分析。通過能譜儀測(cè)試得到EDS能譜圖，

經(jīng)過能譜分析表明該層薄膜中，Al元素和N元素原子比接近1∶1，表明薄膜從化學(xué)成分上來說為AlN。見表3。

表3　不同元素所占質(zhì)量比與原子比

此外對(duì)于沉積得到的薄膜，采用輕敲模式，對(duì)其進(jìn)行原子力顯微鏡掃描，薄膜表面的方根粗糙度Rms為0.202 nm，表明制備得到AlN薄膜材料表面是極其平整的。

4　結(jié)論

AlN材料相比傳統(tǒng)的SiNx材料，還具有大的禁帶寬度、高的擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率以及與GaN小的晶格失配等優(yōu)勢(shì)，是一種理想的鈍化介質(zhì)。

這樣，使用原子層沉積系統(tǒng)，生成AlN和SiNx復(fù)合鈍化層可以更好抑制器件的電流崩塌，對(duì)提高GaN HEMT器件的直流特性、射頻特性、高溫特性和表面態(tài)特性等性能具有指導(dǎo)意義。

參考資料：

［1］薛舫時(shí).GaN HFET中的電流崩塌和二維電子氣［J］.納米電子技術(shù)，2004（11）：15-18

［2］劉新坤.等離子體增強(qiáng)原子層沉積技術(shù)研究［D］.上海：東華大學(xué)，2013.

［3］Beneq.TFS200 operating instruction rev B［Z］.user manual，2011.

［4］N.Tsurumi，H.Ueno，T.Murata，et al.AlN passivation over AlGaN/GaN HFETs for surface heat spreading［J］. IEEE Transactions on Electron devices，2010，57（5）：980-990.

［5］馮嘉恒，唐立丹，劉邦武，等，等離子增強(qiáng)原子層沉積低溫生長(zhǎng)AlN薄膜［J］.物理學(xué)報(bào)，2013，62（11）：438-443.

The Application of the Atomic Layer Deposition System in the AlN thin Film Process

LI Xinxia
（The 13thResearch Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China）

This paper the principle and the structure of the atomic layer deposition system（ALD）are introduced，it's feature compared with different thin film equipments is discribed too.AlN thin film is deposited by plasma enhanced ALD on silicon substrate.The measurement and analysis on the film composition and surface roughness are provided.

Atomic layer deposition；Precursor；Current collapse

TN451

A

1004-4507（2016）01-0019-05

李新霞（1965-），女，高級(jí)工程師，河北石家莊人，1986年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)微波電磁場(chǎng)專業(yè)，曾從事微波小整機(jī)設(shè)計(jì)制造工作、進(jìn)口工藝設(shè)備專修和技術(shù)改造工作，現(xiàn)從事項(xiàng)目管理工作。

2015-12-15