[发明专利]一种指导ALD制备氧化物半导体薄膜的光谱探测方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，涉及利用近红外光谱技术探测C-H、H-Cl等有机基团，确定CH₃、CH₄、HCl含量，从而表征所制备的ZnO、Al₂O₃或TiO₂等氧化物薄膜的晶体质量，指导ALD制备氧化物薄膜的生长条件。 

背景技术

原子层沉积技术在半导体器件、光学器件、生物材料、微纳机电系统等多个领域有重要的应用前景。其反应过程是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器，在衬底上通过化学吸附反应形成沉积膜的一种方法。特有的化学吸附自限制和顺次反应自限制过程，使其相比MOCVD和PVD等薄膜制备方法，在控制薄膜厚度和材料组分等方面具有先天优势。以制备Al₂O₃薄膜为例，其反应方程式为: 

2Al(CH₃)₃+3H₂O→Al₂O₃+6CH₄

可以看出，通过化学吸附反应形成Al₂O₃和CH₄，其中CH₄是由金属源TMA中的-CH₃基团与H₂O中的-H结合形成的，随后以副产物形式排放掉。但在ALD反应中，由于金属源的活性、化学吸附和脱附过程均受生长温度影响，因此生长温度将对薄膜生长速度、均匀性及薄膜质量产生重要影响。

目前对沉积薄膜质量的检测主要集中在生长结束之后，通过X射线衍射(XRD)测试薄膜的晶体质量，通过衍射峰强度及半峰宽表征所制备薄膜的晶体质量。但X射线使用时存在一定风险，且XRD设备价格较高，不易普及。且目前缺少能够有效对薄膜质量进行实时监测的手段，这样就对优化生长参数，控制材料质量，了解反应进程产生了不利的影响。但通过Al₂O₃薄膜的反应方程我们可以看出，在TMA反应之前会有大量的CH₃基团存在，而在反应之后CH₃基团转变成CH₄基团，如果反应完全则CH₃基团完全消失，因此可以通过测量CH₃/CH₄含量来判断反应程度，以确定制备的Al₂O₃薄膜质量。 

近红外光谱是基于物质对近红外谱区的电磁波的吸收的一种光谱技术，其一般的测定波长范围是780-2526nm，在这个范围囊括了很多元素的吸收峰（例如-CH₃基团吸收峰为2692±10 cm^-1，2872±10 cm^-1，-CH₂-基团吸收峰为2926±5 cm^-1，2853±10 cm^-1，-CH-吸收峰为2890±10 cm^-1，=C-H基团吸收峰为3100-3000 cm^-1），而分子在近红外区的吸收主要由C-H，O-H，N-H等基团的合频吸收与倍频吸收组成，可以反映出有机物的大量信息。近红外光谱的信息源主要是分子或原子的振动基频在2000cm^-1以上的倍频与合频吸收，主要包括C-H，N-H，O-H，S-H，C=O等基团的有机物，不同物质有不同的分子结构，每种分子都有自己的特征振动，吸收红外光后产生各种各样的红外光谱。倍频与合频发生的几率远低于基频，NIR 比MIR的检测限低1～2个数量级；随着基频振动合频和倍频的增加，吸收峰重叠越严重。近红外光谱的信息和信号特点决定了它的应用：近红外光谱几乎可以用于所有与含氢基团有关的样品物理和化学性质分析。由于不破坏样品，样品预处理简单或无需预处理，适用于各种固体、液体和气体样品分析，成为检测CH₃/CH₄含量的理想方法。因此将傅立叶变换红外光谱技术应用于检测ALD领域，是一种方面、快捷、有效的测定薄膜质量的方法。 

发明内容