[發明專利]基于硅基可協變襯底制備氧化鋅薄膜的方法

在審

• 申請號: 202210293497.5
• 申請日: 2022-03-24
• 公開（公告）號: CN114664664A
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 倪明堂;趙健州;何立波;吳俊美
• 申請（專利權）人: 廣東省智能機器人研究院
• 主分類號: H01L21/365
• 分類號: H01L21/365;H01L27/12
• 代理公司: 東莞卓為知識產權代理事務所(普通合伙) 44429
• 代理人: 湯冠萍

一種基于硅基可協變襯底制備氧化鋅薄膜的方法，包括：選用頂部具有超薄硅單晶層的SOI材料作為硅基可協變襯底，放入MOCVD設備中；排凈MOCVD設備中反應室中的空氣；在MOCVD設備中利用載氣通入鋅源，在襯底上生長一層鋅隔離層；在MOCVD設備中利用載氣通入鋅源和氧源，使得在鋅隔離層上生長氧化鋅薄膜；待反應室壓強升至常壓，溫度降至常溫后，關閉載氣，從MOCVD設備中取出氧化鋅薄膜樣品。本發明采用頂部具有超薄硅單晶層的SOI材料作為可協變襯底，可以協調Si襯底上制備生長的ZnO外延層的失配應變，既降低了膜層內積聚的殘余應力，還提高了薄膜的生長質量。本發明的原材料和設備成本低，工藝簡單，提高了樣品的清潔度和結晶質量。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種基于硅基可協變襯底制備氧化鋅薄膜的方法。

背景技術

氧化鋅(ZnO)作為第三代寬禁帶半導體材料的代表，可用于制作平板顯示器件、發光二極管、激光器等光電子器件。此外，ZnO來源豐富，原材料價格低廉，制備方法又相對比較簡單，具有非常好商用價值。盡管ZnO在半導體領域的研究與應用開發近年來受到國內外的空前重視，可是一些關鍵的基礎問題仍沒有得到根本解決，比如高質量ZnO薄膜的單晶外延生長問題和P型摻雜問題。而就ZnO薄膜的單晶外延問題而言，除了受到材料制備手段的功能局限，無合適的襯底也是主要的障礙。

ZnO薄膜的生長方法較多，比如分子束外延(MBE)、金屬有機氣相沉積(MOCVD)、脈沖激光沉積(PLD)及磁控濺射方法等。較于其它方法，MOCVD法因為其可以實現大面積生長、易于控制、重復性好、易實現商業化等而更具實用性。因此，大尺寸ZnO體單晶價格昂貴，直接影響到商業應用。同時，由于ZnO晶體的(0001)面具有最小的表面自由能，沿c軸生長遠遠快于其他方向，長出的ZnO往往傾向于沿c軸一維生長而形成棒狀或柱狀結構，很難形成表面平整的二維薄膜。

目前，高質量ZnO薄膜的制備研究目前仍主要采用異質襯底為主。其中，硅(Si)是ZnO異質外延生長最常用的大尺寸廉價襯底之一。但由于Si與ZnO間存在大的晶格失配，所制備得到的薄膜膜層內往往積聚較大的應力，結晶質量和表面形貌都也一直難以獲得更大程度的提高，這極大限制和影響了Si基ZnO薄膜材料的應用。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術中的不足，提供一種在Si基可協變襯底上，先在襯底上生長一層鋅隔離層，再使用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)的方法生長出氧化鋅晶體薄膜的方法。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

基于硅基可協變襯底制備氧化鋅薄膜的方法，包括如下步驟：

步驟1：選用頂部具有超薄硅單晶層的SOI材料作為硅基可協變襯底，放入MOCVD設備中；

步驟2：將MOCVD設備中反應室抽真空至10Torr以下，再向反應室中充氮氣升壓，再抽至10Torr以下，如此反復兩次，以排凈反應室中的空氣；

步驟3：在MOCVD設備中利用載氣通入鋅源，在襯底上生長一層鋅隔離層；

步驟4：在MOCVD設備中，將反應室低溫區的壓強調整為至300Torr，溫度調整為至500℃，利用載氣通入鋅源和氧源，鋅源從襯底側面流入，氧源從襯底上部流入，氧源與鋅源反應，在鋅隔離層上得到一層氧化鋅薄膜材料，3-8分鐘后，關閉鋅源和氧源，將氧化鋅薄膜材料轉至反應室高溫區進行退火，退火溫度是1000℃，1分鐘后，將氧化鋅薄膜材料轉至反應室低溫區，重復此步驟三次；

步驟6：待反應室壓強升至常壓，溫度降至常溫后，關閉載氣，從MOCVD設備中取出氧化鋅薄膜樣品。

優選地，所述步驟1中SOI材料是采用高能氧離子注入方法制備的頂部具有30-50nm厚度的超薄Si單晶層、中間具有350-450nm厚度的氧化硅絕緣層和底部具有(100)取向硅單晶襯底的三層結構的SOI材料。