一种采用原子层沉积制备金属Fe薄膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种采用原子层沉积制备金属Fe薄膜的方法，目的在于，使制备方法操作简单，原料廉价且安全无毒、无污染、利于量产和与现有IC工艺兼容；方法制备的Fe薄膜具有很好的三维保形性，薄膜厚度在单原子层量级的精确可控，所采用的技术方案为：1)将平面或三维结构的Si基片或Pt/Si基片送入原子层沉积设备的真空反应腔体中备用；2)以二茂铁为铁源，以氧气作为氧源，在惰性气体氛围中，进行原子层沉积循环，直至在Si或Pt/Si基片的表面上均匀沉积均匀保形的Fe3O4薄膜；3)沉积完Fe3O4薄膜后，往真空反应腔体里面充入惰性气体，并让Si基片或Pt/Si基片自然冷却至室温后取出；4)将表面沉积有Fe3O4薄膜的Si基片或Pt/Si基片放入管式炉中，并在还原性气氛下进行退火处理，即得到均匀保形的金属Fe薄膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于原子层沉积法制备薄膜
，具体涉及一种采用原子层沉积(ALD)制备高质量金属Fe薄膜的方法。
技术介绍
自旋电子学和微电子学推动着超薄和三维保形高质量金属薄膜的需求，使得超薄和三维保形金属薄膜的可控生长成为急需解决的关键性技术难题，如高密度信息存储、传感器和自旋电子学等等。然而，迄今为止，制备Fe薄膜的方法主要有以下几种：(1)利用电子束蒸发在惰性气氛保护下进行蒸镀，此方法工艺比较简单，但是薄膜厚度和均匀性很难控制，而且无法实现三维均匀保形覆盖。(2)利用磁控溅射法在惰性保护气氛下溅射金属靶制备金属Fe薄膜，此方法具有较好的成膜质量和平面均匀性，然而在薄膜厚度精确控制方面依然很难实现亚纳米级的精确可控，尤其是在具有三维结构的衬底上无法实现均匀保形覆盖。(3)利用CVD法在还原性气氛下高温沉积Fe薄膜，此方法具有一定的三维保形性和能够沉积大面积的Fe薄膜，但是此方法在膜厚精确控制和在具有较大三维结构的衬底上仍然无法实现均匀保形覆盖。综上所述，现有制备金属Fe薄膜的方法均有膜厚无法精确控制和无法实现三维保形覆盖的瓶颈性难题。然而当今微电子技术的飞速发展，22nm及以下线宽的微电子电路已经采用Fin-FET或Tri-Get这样的三维结构。这标志着微电子电路从平面性结构过渡到三维结构已是大势所趋，如何解决从平面过渡到三维结构后传统PVD和CVD技术面临的技术瓶颈难题(三维保形均匀性)是关键性难题。原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)薄膜沉积技术为一种自我限制的表面生长方式，所以ALD可以实现薄膜厚度在单原子层量级的精确可控和在三维纳米结构上100％均匀保形的薄膜覆盖。事实上在微电子领域ALD已经作为一种制备动态随机存取存储器(DRAMs)沟槽电容器的高质量电介质层和CMOS晶体管的高介电常数的栅极氧化物层制备的关键技术。ALD是一种能够实现原子层逐层生长的自我限制的薄膜沉积技术，其特点在于可在任何形状的基片上都能够实现100％均匀保形的薄膜生长，这刚好满足制备新一代三维微电子器件的需求。然而用ALD制备金属Fe薄膜仍然是件很有挑战性的工作，因为Fe是一种较为活波的金属，很容易被氧化成各种价态的Fe氧化物薄膜。所以迄今为止未见利用ALD制备金属Fe薄膜的相关报道。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提出一种采用原子层沉积制备金属Fe薄膜的方法，方法操作简单，原料廉价且安全无毒、无污染、利于量产和与现有IC工艺兼容；方法制备的Fe薄膜具有很好的三维保形性，薄膜厚度在单原子层量级的精确可控。为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案为，包括以下步骤：1)将洁净的平面或三维结构的Si基片或Pt/Si基片送入原子层沉积设备的真空反应腔体中备用；2)以二茂铁为铁源，以氧气作为氧源，将二茂铁蒸汽和氧气通入原子层沉积设备的载气系统，然后由载气系统送入真空反应腔体中，在惰性气体氛围中，进行原子层沉积循环，直至在Si或Pt/Si基片的表面上均匀沉积均匀保形的Fe3O4薄膜；3)沉积完Fe3O4薄膜后，往真空反应腔体里面充入惰性气体，并让Si基片或Pt/Si基片自然冷却至室温后取出；4)将表面沉积有Fe3O4薄膜的Si基片或Pt/Si基片放入管式炉中，并在还原性气氛下进行退火处理，即得到均匀保形的金属Fe薄膜。所述步骤1)中Si基片或Pt/Si基片在真空反应腔体中在惰性气体气氛下加热至350～450℃。所述步骤1)中Si基片或Pt/Si基片首先用浓硫酸和双氧水的混合液浸泡10～15分钟；然后用去离子水反复超声清洗3～5次，每次各5～10分钟；最后清洗完成后将Si基片或Pt/Si基片取出用干燥的氮气吹干。所述浓硫酸和双氧水的混合液采用98％浓硫酸和30％双氧水按照浓度比为(1:4)～(1:10)制得。步骤2)中Fe3O4薄膜通过原子层沉积原位制备。所述步骤2)中原子层沉积循环包括以下步骤：首先进行1～4s氧气源脉冲；然后用氮气清洗6-16s；其次进行0.1～0.4s二茂铁源脉冲；最后用氮气清洗6～16s。所述步骤2)中二茂铁蒸汽是将二茂铁在原子层沉积设备的固态源加热装置中加热至140～160℃后得到。所述步骤2)中通过响应速度为毫秒级的ALD脉冲阀来控制二茂铁蒸汽和氧气进入真空反应腔体的量。所述步骤4)中还原性气氛为H2和N2按照体积比为(1:9)～(1:15)的混合气体。所述步骤4)中退火处理的退火温度为500～700℃，退火时间为1～3小时。与现有技术相比，本专利技术选用价格低廉的二茂铁和氧气作为铁和氧的前驱体源，通过原子层沉积(ALD)设备使二茂铁与氧气发生反应，在平面或三维结构的Si基片或Pt/Si基片表面同时沉积均匀的Fe3O4薄膜，所沉积的薄膜厚度和成分都非常均匀，表面光滑，退火后可以获得大面积均匀的Fe薄膜。所制备的Fe薄膜厚度和成分高度均匀。本专利技术方法可以制备三维均匀保形的Fe薄膜，Fe薄膜的厚度可以简单地通过ALD循环数精确控制在单原子层量级。本专利技术方法操作简单，原料无毒无污染，可实现大面积和批量生产。经本专利技术方法制得的Fe薄膜通过X射线衍射仪(XRD)，场发射扫描电子显微镜(FSEM)，电子顺磁共振波谱仪(ESR)进行测试和分析，确定具有以下性质：1、Fe薄膜具有非常好的三维均匀保形性；2、Fe薄膜具有为立方结构；3、Fe薄膜表面形貌均匀，薄膜厚度均匀且亚纳米级精确可控；4、Fe薄膜具有较强的面内和面外磁各向异性。进一步地，每个原子层沉积循环包括以下四步：0.1～0.4秒的二茂铁源脉冲，氮气清洗6～16秒将没有反应的二茂铁排走，1～4秒氧气脉冲，然后再用氮气清洗6～16秒，重复以上过程数次直到所生长的薄膜厚度达到自己的要求，薄膜的厚度也可通过设定ALD循环数来简单地实现精确可控。进一步地，将ALD原位生长的Fe3O4薄膜在还原性气氛下后续退火处理，能够进一步的提高获得的金属Fe薄膜的质量。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的Fe3O4薄膜的XRD图；图2为本专利技术实施例1在Si基片上制备Fe薄膜的XRD图；图3为按本专利技术实施例1在Si基片上面所制得Fe薄膜的SEM图；图4为按本专利技术实施例1在Si基片上面所制得Fe薄膜的能谱图(EDS)；图5为按本专利技术实施例1所制备Fe薄膜的电子顺磁共波谱图；图6为按本专利技术实施例2在Pt/Si基片上所制得Fe薄膜的扫描电镜形貌图。具体实施方式下面结合具体的实施例和说明书附图对本专利技术作进一步的解释说明。本专利技术包括以下步骤：1)将平面或三维结构的Si基片或Pt/Si基片先用98％浓硫酸和30％双氧水的混合液浸泡10～15分钟，混合液是浓硫酸和双氧水按照浓度比为1:4～1:10制得，再用去离子水反复超声清洗3～5次，每次各5～10分钟，清洗完成后Si基片或Pt/Si基片取出用干燥的氮气吹干，然后将洁净的Si基片或Pt/Si基片送入原子层沉积设备中，并在N2气氛下加热至350～450℃备用；2)以二茂铁为铁源，将二茂铁在原子层沉积系统的固态源加热装置中加热至140～160℃后得到二茂铁蒸汽，以氧气作为氧源，将二茂铁蒸汽和氧气通入原子层沉积设备的载气系统，然后由载气系统送入真空反应腔体中，通过响应速度为毫秒级本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用原子层沉积制备金属Fe薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将洁净的平面或三维结构的Si基片或Pt/Si基片送入原子层沉积设备的真空反应腔体中备用；2)以二茂铁为铁源，以氧气作为氧源，将二茂铁蒸汽和氧气通入原子层沉积设备的载气系统，然后由载气系统送入真空反应腔体中，在惰性气体氛围中，进行原子层沉积循环，直至在Si或Pt/Si基片的表面上均匀沉积均匀保形的Fe3O4薄膜；3)沉积完Fe3O4薄膜后，往真空反应腔体里面充入惰性气体，并让Si基片或Pt/Si基片自然冷却至室温后取出；4)将表面沉积有Fe3O4薄膜的Si基片或Pt/Si基片放入管式炉中，并在还原性气氛下进行退火处理，即得到均匀保形的金属Fe薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种采用原子层沉积制备金属Fe薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将洁净的平面或三维结构的Si基片或Pt/Si基片送入原子层沉积设备的真空反应腔体中备用；2)以二茂铁为铁源，以氧气作为氧源，将二茂铁蒸汽和氧气通入原子层沉积设备的载气系统，然后由载气系统送入真空反应腔体中，在惰性气体氛围中，进行原子层沉积循环，直至在Si或Pt/Si基片的表面上均匀沉积均匀保形的Fe3O4薄膜；3)沉积完Fe3O4薄膜后，往真空反应腔体里面充入惰性气体，并让Si基片或Pt/Si基片自然冷却至室温后取出；4)将表面沉积有Fe3O4薄膜的Si基片或Pt/Si基片放入管式炉中，并在还原性气氛下进行退火处理，即得到均匀保形的金属Fe薄膜。2.根据权利要求1所述的一种采用原子层沉积制备金属Fe薄膜的方法，其特征在于，所述步骤1)中Si基片或Pt/Si基片在真空反应腔体中在惰性气体气氛下加热至350～450℃。3.根据权利要求2所述的一种采用原子层沉积制备金属Fe薄膜的方法，其特征在于，所述步骤1)中Si基片或Pt/Si基片首先用浓硫酸和双氧水的混合液浸泡10～15分钟；然后用去离子水反复超声清洗3～5次，每次各5～10分钟；最后清洗完成后将Si基片或Pt/Si基片取出用干燥的氮气吹干。4.根据权利要求3所述的一种采用原子层沉积制备金属F...

【专利技术属性】
技术研发人员：张易军，刘明，任巍，张乐，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61