等離子增強(qiáng)原子層沉積低溫生長GaN薄膜?

湯文輝 劉邦武 張柏誠 李敏 夏洋?

1)(山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266000)

2)(中國科學(xué)院微電子研究所,微電子設(shè)備技術(shù)研究室,北京 100029)3)(中國科學(xué)院嘉興微電子儀器與設(shè)備工程中心,嘉興 314006)

等離子增強(qiáng)原子層沉積低溫生長GaN薄膜?

湯文輝1)2)3)劉邦武2)張柏誠3)李敏1)?夏洋2)3)?

1)(山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266000)

2)(中國科學(xué)院微電子研究所,微電子設(shè)備技術(shù)研究室,北京 100029)3)(中國科學(xué)院嘉興微電子儀器與設(shè)備工程中心,嘉興 314006)

(2016年12月29日收到;2017年2月6日收到修改稿)

采用等離子增強(qiáng)原子層沉積技術(shù)在低溫下于單晶硅襯底上成功生長了GaN多晶薄膜,利用橢圓偏振儀、低角度掠入射X射線衍射儀、X射線光電子能譜儀對(duì)薄膜樣品的生長速率、晶體結(jié)構(gòu)及薄膜成分進(jìn)行了表征和分析.結(jié)果表明,等離子增強(qiáng)原子層沉積技術(shù)生長GaN的溫度窗口為210—270?C,薄膜在較高生長溫度下呈多晶態(tài),在較低溫度下呈非晶態(tài);薄膜中N元素與大部分Ga元素結(jié)合成N—Ga鍵生成GaN,有少量的Ga元素以Ga—O鍵存在,多晶GaN薄膜含有少量非晶態(tài)Ga2O3.

等離子增強(qiáng)原子層沉積,氮化鎵,低溫沉積

1 引 言

20世紀(jì)80年代以來,III族氮化物半導(dǎo)體體系材料(InN,AlN,GaN)及其合金InAlGaN在高飽和遷移率晶體管、發(fā)光二極管(LED)、紫外探測器等光電設(shè)備領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.該體系所構(gòu)成的組分可調(diào)的InAlGaN材料是目前惟一能覆蓋紫外至紅外波段的半導(dǎo)體材料［1].

由于GaN有著較寬的直接帶隙(3.4 eV),在LED、異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管、藍(lán)紫光激光器和紫外探測器等光電領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用［2],尤其是它較強(qiáng)的藍(lán)光發(fā)射波段以及低能耗等特性,使實(shí)現(xiàn)白光LED成為可能,從而在提高發(fā)光功效的同時(shí)降低了能源消耗.另外,GaN憑借其突出的熱穩(wěn)定和抗輻射等優(yōu)良特性,在高頻高功率光電器件方面有著重要應(yīng)用,與金剛石、ZnO、SiC等材料同被稱譽(yù)為第三代半導(dǎo)體材料［3].

在實(shí)際生產(chǎn)中,GaN薄膜目前的沉積技術(shù)主要有金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)［4,5]、分子束外延［6]和氫化物氣相外延［7].其中MOCVD是最為常用的GaN薄膜生長技術(shù),其生長溫度通常在1000?C以上,過高的溫度不僅與現(xiàn)有的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)不兼容,也與目前廣泛使用的溫度敏感膜器件相沖突［8].MOCVD法為裂解氮源(NH3)需要很高的溫度,但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致GaN薄膜中N的平衡蒸汽壓升高,這樣便增加了薄膜中的氮空位濃度,高的氮空位濃度是導(dǎo)致薄膜較高的背景載流子濃度(1017cm?3)的原因.因此,降低GaN的生長溫度有助于降低其背景載流子濃度.然而,如果單純地降低MOCVD法生長GaN的溫度會(huì)面臨一些困難:一是低溫下生長表面的反應(yīng)物活性較低,不利于反應(yīng)活性基團(tuán)遷移擴(kuò)散,二是低溫會(huì)降低NH3的裂解程度,二者綜合起來會(huì)降低薄膜的質(zhì)量.因此,尋求有效的低溫生長薄膜技術(shù)非常關(guān)鍵.

等離子增強(qiáng)原子層沉積(plasma-enhanced atomic layer deposition,PE-ALD)法是一個(gè)非常有潛力替代MOCVD實(shí)現(xiàn)低溫生長GaN薄膜的技術(shù).PE-ALD技術(shù)通過其獨(dú)有的自限制反應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜高均勻性、高保形性以及原子尺度厚度等方面控制［9,10].相比于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積,PE-ALD的獨(dú)特性在于反應(yīng)物是分別單獨(dú)地通入腔室,反應(yīng)物吸附于表面并發(fā)生反應(yīng),薄膜厚度可控制在埃米級(jí).20世紀(jì)90年代,人們開始以ALD法生長GaN,Kim等［11]利用GaCl3和NH3分別作為Ga源和N源以熱型ALD技術(shù)生長GaN,將生長溫度降低至500?C.Sumakeris等［12]采用加熱鎢絲輔助氮源(NH3)分解,在350?C下實(shí)現(xiàn)了GaN薄膜的生長.近些年來,Ozgit研究小組［13?16]在以PE-ALD法制備GaN薄膜方面進(jìn)行了大量的研究,以中空陰極等離子體活化氮源,在200?C的低溫下生長出了低雜質(zhì)濃度、高質(zhì)量的GaN薄膜.本文利用PE-ALD技術(shù)生長GaN薄膜,并利用射頻等離子體發(fā)生器大幅增強(qiáng)N源活性,采用N2/H2混合氣為氮源,從而進(jìn)一步降低了GaN薄膜的生長溫度(150—300?C),分析了GaN薄膜的組織結(jié)構(gòu)以及成分,并探討了薄膜的生長機(jī)理.

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 GaN薄膜的生長

采用PE-ALD設(shè)備(PEALD-200A,嘉興科民電子設(shè)備技術(shù)有限公司,中國)進(jìn)行GaN薄膜的生長.沉積之前,將襯底Si(100)依次通過異丙醇、丙酮、乙醇以及去離子水進(jìn)行超聲清洗.為了去除Si襯底表面的氧化物,Si襯底需經(jīng)約2 min的稀釋氫氟酸溶液(HF,2 vol%)浸泡,浸泡后用去離子水沖洗并用N2吹干干燥.清洗后的Si襯底立即放入腔室加熱盤上,先在120?C下預(yù)熱30 min以上,隨后分段加熱至生長所需溫度,待襯底達(dá)到生長溫度后保持30 min以上使其室內(nèi)的溫度分布穩(wěn)定后進(jìn)行沉積.采用三甲基鎵(trimethylgallium,TMG)作為鎵源,由于TMG在常溫下具有較高的蒸汽壓,室溫下為227 Torr［12](1 Torr=1.33× 102Pa),故采用自制的冷卻裝置將鎵源溫度維持在?1?C.以N2/H2混合等離子體作為氮源,N2,H2流量分別為20 sccm(1 sccm=1 mL/min).采用50 sccm的載流氣Ar將TMG和N2/H2混合氣代入反應(yīng)腔室,反應(yīng)腔室壓力為0.15 Torr,射頻等離子體發(fā)生器功率為250 W.采用的生長配方如下:0.01 s-TMG脈沖/3 s-reaction/50 s-吹掃/30 s-N2/H2混合等離子氣/50 s-吹掃,其中3 s-reaction是為了增加鎵源在腔室的滯留時(shí)間使其充分反應(yīng)吸附于襯底表面.

采用PE-ALD法生長GaN薄膜基本原理如圖1所示,以脈沖模式交替地向腔室內(nèi)通入TMG與N2/H2混合等離子體,在脈沖間隙利用載流氣Ar將多余的前驅(qū)體源與產(chǎn)物吹掃出腔室.在一個(gè)ALD過程中,TMG首先與襯底表面活性位點(diǎn)反應(yīng)并吸附于生長表面,表面達(dá)到飽和后反應(yīng)自動(dòng)停止,留下產(chǎn)物以及新的表面活性位點(diǎn)也就是說,前軀體TMG完全占據(jù)生長表面所有活性位點(diǎn)后,即使增加它的脈沖輸出時(shí)間,多余的TMG也不再與表面反應(yīng),之后反應(yīng)產(chǎn)物和多余的TMG一同被吹掃出反應(yīng)腔室.同理,N2/H2混合等離子體脈沖后,生長表面又會(huì)形成新的活性位點(diǎn).以這樣的周期性生長方式,使薄膜一層一層地逐層增厚.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)PE-ALD GaN原理圖Fig.1.(color online)The schematic diagram of the PE-ALD GaN.

2.2樣品測試

采用型號(hào)為Woollam-RC2的橢圓偏振儀在200—1000 nm波長范圍對(duì)薄膜樣品進(jìn)行測試,通過對(duì)數(shù)據(jù)模擬計(jì)算得出薄膜樣品的光學(xué)常數(shù)以及厚度.采用Thermo Scienti fi c公司的ESCALab250型X射線光電子能譜儀(XPS)對(duì)薄膜樣品進(jìn)行元素成分以及相應(yīng)的價(jià)態(tài)表征,激發(fā)源為單色化Al Kα X射線,通透能為30 eV.由于GaN經(jīng)Ar+刻蝕濺射時(shí)會(huì)被還原,造成Ga元素價(jià)態(tài)發(fā)生改變,因此本文中所有樣品的XPS測試數(shù)據(jù)都來源于未被刻蝕的薄膜表面.所有XPS數(shù)據(jù)根據(jù)結(jié)合能位于284.8 eV的烷基碳或污染碳的C 1s進(jìn)行校正,采用軟件XPSpeak4.1對(duì)HR-XPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,處理過程中并未對(duì)結(jié)合能和半高寬進(jìn)行約束.采用日本Rigaku公司Smartlab薄膜版X射線衍射儀以低角度略入射方式(GIXRD)表征了表膜的晶體結(jié)構(gòu),2θ角在20?—80?,步進(jìn)為0.02?.

3 結(jié)果與分析

為了確保本實(shí)驗(yàn)中GaN是以ALD模式(自限制反應(yīng))進(jìn)行生長,本實(shí)驗(yàn)在不同溫度(150—300?C)下進(jìn)行了一系列GaN薄膜的生長實(shí)驗(yàn),以確定GaN的生長溫度窗口,生長周期均為300 cycle,其他條件如前所述保持不變.圖2所示為GaN薄膜平均生長速率(growth rate per cycle,GPC)隨生長溫度變化情況,其中GPC(?/cycle)為薄膜厚度與生長周期數(shù)的比值.可以看到GaN薄膜的生長速率在溫區(qū)II(210—270?C)范圍內(nèi)為0.70 ?/cycle且保持平穩(wěn),表明在此溫度區(qū)間內(nèi)GaN的生長是自限制的.在溫區(qū)I中,薄膜生長速率隨溫度的上升有著明顯的增加,150?C時(shí)GPC為0.53 ?/cycle,當(dāng)溫度上升至210?C時(shí)為0.70 ?/cycle.由于前驅(qū)體TMG吸附于表面活性位點(diǎn)以及N,H自由基與表面活性基團(tuán)的反應(yīng)是熱激活過程［17],因此溫度顯然是影響薄膜生長的重要因素.在溫區(qū)I溫度較低(150?C)時(shí),加熱盤提供的熱能不足,無法促進(jìn)前驅(qū)體TMG或N,H自由基完全吸附在反應(yīng)表面上,導(dǎo)致低溫下GaN薄膜生長速率較低.隨著溫度升高,加熱盤可提供更多的能量,前驅(qū)體TMG和N,H自由基在生長表面的吸附效率升高,薄膜生長速率升高.當(dāng)溫度上升至溫區(qū)II開始點(diǎn)210?C,此時(shí)加熱盤提供薄膜生長的能量恰好使前驅(qū)體TMG和N,H自由基在生長表面達(dá)到飽和吸附,薄膜生長速率不再增加,即使溫度上升至270?C,溫區(qū)II內(nèi)的生長速率仍基本保持不變.生長速率保持平穩(wěn)體現(xiàn)出了PE-ALD獨(dú)有的自限制反應(yīng)本質(zhì).隨著進(jìn)一步升高溫度,薄膜生長速率迅速升高,300?C時(shí)高達(dá)0.91 ?/cycle,這是由于在較高溫(＞270?C)時(shí),TMG開始受熱分解,生長表面結(jié)構(gòu)開始不穩(wěn)定,薄膜的生長方式由ALD逐層生長模式轉(zhuǎn)變?yōu)镃VD島狀沉積模式,導(dǎo)致GPC迅速升高［18].因此,以PE-ALD技術(shù)生長GaN薄膜的溫度窗口為210—270?C.

圖2 生長溫度對(duì)GaN薄膜生長速率(GPC)的影響Fig.2.Dependence of PE-ALD GaN growth rate(GPC)on temperature.

采用GIXRD對(duì)GaN薄膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征,圖3(a)和圖3(b)分別為150?C和250?C下生長的GaN薄膜衍射譜圖.可看出150?C下生長的GaN薄膜無明顯的衍射峰,表明其為非晶薄膜,而250?C下生長的薄膜有明顯的衍射峰,峰位在2θ=32.4?,34.6?,36.9?, 分別對(duì)應(yīng)著GaN(100),(002)和(101)面,表明250?C下GaN薄膜呈多晶態(tài),并以(002)取向?yàn)橹?可看出,在低溫150?C情況下活性基團(tuán)熱運(yùn)動(dòng)時(shí)能量較低,加上生長表面吸附率低,阻礙了Ga,N原子遷移到能力最低的晶面進(jìn)行有序排列生成GaN晶體;當(dāng)溫度升高到250?C時(shí),Ga,N原子熱運(yùn)動(dòng)能量升高,能在短時(shí)間內(nèi)遷移至能量最低點(diǎn)進(jìn)行有序排列,從而構(gòu)成GaN多晶薄膜.

圖3 GaN薄膜的GIXRD圖譜 (a)150?C GaN;(b)250?C GaNFig.3.The GIXRD patterns of the GaN thin fi lm:(a)150?C GaN;(b)250?C GaN.

圖4 250?C下GaN薄膜的XPS寬掃圖譜Fig.4.The XPS survey pattern of the GaN thin fi lm grown at 250?C.

圖4所示為250?C下GaN薄膜的XPS寬掃圖譜,可以看出,PE-ALD生長GaN薄膜的主要組成元素為Ga,N,C,O.其中結(jié)合能為18.8,284.8,398.4,531.8 eV處的峰分別對(duì)應(yīng)Ga 3d,C 1s,N 1s和O 1s的特征峰;而結(jié)合能為103,158.9,1116.6,1143.4 eV處的峰分別對(duì)應(yīng)Ga 3p,Ga 3s,Ga 2p3/2和Ga 2p1/2特征峰.

表1所列為150?C和250?C下GaN薄膜中各組成元素情況,可以看到兩個(gè)薄膜均為富Ga薄膜.究其原因,生長過程中表面前驅(qū)體的甲基團(tuán)斷裂不完全,導(dǎo)致N自由基不完全地吸附于生長表面,形成富Ga少N薄膜;雜質(zhì)C來源于甲基殘留中的碳和環(huán)境污染,當(dāng)溫度從150?C上升至250?C時(shí),有更多的能量促進(jìn)甲基斷裂和N自由基的吸附,造成雜質(zhì)C含量降低和N含量升高;溫度變化并未明顯改變薄膜中的O含量,O元素與哪種元素鍵合需進(jìn)一步分析.

表1 150?C和250?C下GaN薄膜組成元素對(duì)比Table 1.The comparison of the component between the GaN thin fi lms grown at 150?C and 250?C.

另外值得注意的是,N 1s特征峰可能會(huì)受到Ga元素的俄歇峰Ga(LMM)的影響,如圖4中灰色區(qū)域所示,因此需對(duì)N 1s和Ga 3d特征峰進(jìn)行分峰擬合處理.圖5所示為250?C下GaN薄膜的Ga 3d和N 1s的分峰擬合結(jié)果.圖5(a)中,亞峰A的結(jié)合能為20.75 eV,對(duì)應(yīng)為Ga—O鍵,O雜質(zhì)的存在一方面來源于薄膜被空氣氧化所致,另一方面來源于交感耦合等離子石英管本身［19].在等離子體功率不變的情況下,薄膜吸收雜質(zhì)O含量也基本不變,因此生長溫度的升高并未顯著影響雜質(zhì)O含量;另前述中說明溫度的升高利于甲基的斷裂,反而促進(jìn)了O元素與Ga的結(jié)合,O含量微微上升.結(jié)合能位于20.17 eV的亞峰B對(duì)應(yīng)為Ga—N鍵［20,21],薄膜中Ga—N鍵衍射峰強(qiáng)度遠(yuǎn)高于Ga—O鍵衍射峰,說明大部分的Ga元素與N形成了GaN,只有少量的Ga元素與O生成了Ga2O3.位于17.00 eV的亞峰C來源于N 2s的內(nèi)層電子［22,23].圖5(b)中,結(jié)合能位于397.68 eV的亞峰a對(duì)應(yīng)為N—Ga鍵［24],結(jié)合能為395.92和392.96 eV的亞峰b和c都來自于Ga的俄歇峰Ga(LMM)［25],圖譜中不存在N—O鍵衍射峰.綜上所述,薄膜中所有的N元素與大部分Ga元素形成N—Ga鍵生成了GaN.結(jié)合GIXRD圖譜可知薄膜中不含Ga2O3相,由此可判斷少量的Ga2O3以非晶態(tài)形式存在于GaN多晶薄膜中.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)250?C下GaN薄膜中(a)Ga 3d和(b)N 1s的HR-XPS譜圖Fig.5.(color online)HR-XPS patterns of the(a)Ga 3d and(b)N 1s of the GaN thin fi lm grown at 250?C.

4 結(jié) 論

采用PE-ALD技術(shù)在低溫下于單晶硅襯底上成功生長了GaN多晶薄膜,對(duì)薄膜的生長速率、晶體結(jié)構(gòu)及薄膜成分進(jìn)行了表征和分析.結(jié)果表明:采用PE-ALD技術(shù)生長GaN的溫度窗口為210—270?C,此窗口內(nèi)GPC保持在0.70 ?/cycle不變;生長溫度較低時(shí)薄膜呈非晶態(tài),250?C時(shí),GaN薄膜呈多晶態(tài),以(002)取向?yàn)橹?薄膜中N元素全都以N—Ga鍵存在,大部分的Ga元素與N結(jié)合形成Ga—N鍵生成GaN,有少量的Ga元素與O雜質(zhì)元素結(jié)合成Ga—O鍵生成Ga2O3,多晶GaN薄膜含有少量非晶態(tài)Ga2O3;薄膜中C雜質(zhì)主要來源于甲基殘留和環(huán)境污染,O雜質(zhì)來源于空氣氧化和等離子石英管.PE-ALD生長過程中,薄膜的生長取決于N2/H2混合等離子體的活化程度以及薄膜表面上活性位點(diǎn)與前驅(qū)體的化學(xué)反應(yīng).本實(shí)驗(yàn)射頻等離子體發(fā)生器的功率為定值250 W,N2/H2混合等離子體的活化程度不變,因此后期工作可以通過增加表面反應(yīng)的時(shí)間,即增加配方中reaction步驟和N2/H2混合等離子體脈沖的時(shí)間使薄膜C雜質(zhì)含量降低.同時(shí),要降低薄膜O雜質(zhì)濃度,后期將采用中空陰極等離子體來活化N2/H2混合氣,改進(jìn)所得氮源的純度,以期得到低O濃度的薄膜.

感謝中國科學(xué)院微電子工程中心賈毅博士后和萬軍博士后的大力幫助.

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Low temperature depositions of GaN thin fi lms by plasma-enhanced atomic layer deposition?

Tang Wen-Hui1)2)3)Liu Bang-Wu2)Zhang Bo-Cheng3)Li Min1)?Xia Yang2)3)?

1)(School of Materials Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266000,China)2)(Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China)3)(Jiaxing Microelectronic Equipment Research Center,Chinese Academy of Sciences,Jiaxing 314006,China)

29 December 2016;revised manuscript

6 February 2017)

Metalorganic chemical vapour deposition and molecular beam epitaxy have already been demonstrated to be successful techniques for obtaining high-quality epitaxial GaN layers with low impurity concentrations and pretty good electrical properties.However,high growth temperature employed in both of these methods give rise to some intrinsic defects of the thin fi lms,such as high background-carrier concentrations.As a low-temperature thin fi lm deposition method,plasma-enhanced atomic layer deposition(PE-ALD)has more unique advantages compared to both methods for epitaxial growth of GaN.In this paper,the polycrystalline GaN thin fi lms were fabricated on Si(100)substrates at 150–300?C by PE-ALD.Trimethylgallium and N2/H2plasma gas mixture were used as the Ga and N precursors.The growth rate of the thin fi lms was demonstrated by the spectroscopic ellipsometer.The crystal structrue and composition of the GaN thin fi lms were characterized by X-ray di ff ractometer and X-ray photoelectron spectrometer(XPS).It is showed that the growth window for PE-ALD grown GaN thin fi lms is 210–270?C,where the growth rate remains constant at 0.70 ?/cycle.And it is known that it is the self-limiting nature of PE-ALD that is ascribed to the plateau of the growth rate.Films grown at relatively higher temperature are polycrystalline with a hexagonal wurtzite structure,while fi lms grown under relatively lower temperature are amorphous.The grazing incidence X-ray di ff raction(GIXRD)patterns of the polycrystalline thin fi lms reveal three main peaks located at 2θ =32.4?,34.6?and 36.9?,which are corresponding to the(100),(002)and(101)re fl ections.It is showed that the Ga,N atoms would get higher energy for more e ff ective migration to positions with lowest energy to form ordered crystalline arrange at higher growth temperature.The XPS results show that all the N elements of the as-grown thin fi lms are in the form of N—Ga bond,indicating that all the N elements are formed into GaN thin fi lms;and there is a little amount of the Ga elements that exist in Ga—O bond.The fact that there is no Ga2O3-related peaks in the GIXRD pattern suggests that there is small amount of amorphous Ga2O3dispersed in the polycrystalline GaN thin fi lms.In the future work,reducing the concentration of the C and O impurities may be achieved by increasing the time of the reaction and plasma pules in the process formula and replacing the inductively coupled plasma with the hollow cathode plasma,respectively.

plasma-enhanced atomic layer deposition,GaN,low-temperature deposition

10.7498/aps.66.098101

?浙江省科研院所扶持專項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào):2016F50009)資助的課題.

?通信作者.E-mail:kd_limin@126.com

?通信作者.E-mail:xiayang@ime.ac.cn

*Project supported by the Support Special Project Foundation for Scienti fi c Research Institutes of Zhejiang Province,China(Grant No.2016F50009).

?Corresponding author.E-mail:kd_limin@126.com

?Corresponding author.E-mail:xiayang@ime.ac.cn