等离子体增强原子层沉积制备高质量氮化硅超薄膜：BDEAS前驱体与N2等离子体工艺优化研究

《Materials Science and Engineering: R: Reports》：V 2CT x MXene-modified perovskite /SnO 2 interface for efficient and stable perovskite solar cells

本研究针对等离子体增强原子层沉积(PEALD)制备氮化硅(SixNy)超薄膜过程中存在的碳氧污染问题，通过优化BDEAS前驱体与N2等离子体工艺参数，成功获得了折射率达1.92@390nm、碳氧含量分别降至14.3%和10.7%的高质量薄膜。该研究为低温半导体和光子集成电路应用提供了重要技术支撑。

　　

在半导体工业飞速发展的今天，氮化硅(Si_xN_y)作为关键薄膜材料，在栅极电介质、钝化层、光学滤波器等领域发挥着不可替代的作用。然而，传统制备工艺面临着一个严峻挑战：如何在低温条件下获得高纯度、理想化学计量比的氮化硅薄膜？特别是采用含碳前驱体时，如何有效控制碳氧杂质的掺入，成为制约薄膜质量提升的技术瓶颈。

为了解决这一难题，葡萄牙米尼奥大学的研究团队开展了一项创新性研究，聚焦于等离子体增强原子层沉积(PEALD)技术，使用双(二乙氨基)硅烷(BDEAS)作为硅前驱体，N₂等离子体作为共反应气体，系统探索了高质量氮化硅超薄膜的制备工艺。这项重要研究成果发表在材料科学领域权威期刊《Materials Science and Engineering: R: Reports》上。

研究人员采用多项关键技术方法开展本研究：利用配备原位光谱椭偏仪的PEALD系统实时监控薄膜生长；通过X射线光电子光谱(XPS)进行表面和体相元素分析；采用光谱椭偏仪测量光学性能；系统优化沉积温度、压力、等离子体暴露时间等工艺参数；实施预处理和后处理N₂等离子体清洁程序。

光学表征结果

通过光谱椭偏仪分析发现，在400°C沉积温度、20Pa压力、6秒N₂等离子体暴露时间条件下制备的样品#S3表现出最佳光学性能，折射率达到1.92@390nm。特别值得注意的是，该样品在环境空气中表现出良好的抗氧化稳定性，折射率随时间变化较小，表明薄膜具有优异的化学稳定性。

元素表面XPS研究

XPS分析揭示了不同工艺参数对薄膜表面化学成分的显著影响。样品#S3展现出最理想的氮硅比(N:Si)1.468，最接近Si₃N₄的理想化学计量比1.333。同时，该样品的碳污染水平控制在16.9%，硅2p结合能更接近Si_xN_y特征峰(101.8eV)，而非SiO₂的特征峰(103.2eV)，证实了高质量的氮化硅形成。

元素体相XPS研究

深度剖面XPS分析进一步验证了样品#S3的优越性能。在薄膜体相区域，氮浓度显著提升至36.8%，氧浓度降至10.7%，碳污染进一步减少到14.3%。虽然体相N:Si比(0.963)较表面值有所下降，但仍远优于其他对比样品，表明该工艺条件能够有效促进氮元素的体相掺入。

本研究通过系统优化PEALD工艺参数，成功实现了高质量氮化硅超薄膜的可控制备。研究结果表明，适当的预处理和后处理程序、优化的沉积温度(400°C)以及合理的N₂等离子体暴露时间(6秒)是获得高性能薄膜的关键因素。样品#S3展现出的高折射率、理想的化学计量比和低污染水平，为低温半导体工艺和光子集成电路应用提供了可靠的材料解决方案。这项研究不仅深化了对PEALD工艺机理的理解，更为先进电子器件制造提供了重要的技术支撑，特别是在热预算敏感的应用场景中具有广阔的应用前景。