一种基于ALD生长高质量NiO材料的工艺方法

本发明涉及功能薄膜材料制备，尤其涉及一种基于原子层沉积（atomiclayer deposition，ald）生长高质量氧化镍（nio）材料的工艺方法。

背景技术：

1、nio作为一种典型的宽带隙p型半导体材料，因其良好的化学稳定性、电致变色特性及空穴传输能力，在非易失性阻变存储器、电致变色器件、钙钛矿太阳能电池空穴传输层及气体传感器等领域具有广阔的应用前景。目前，制备nio薄膜的主流方法包括磁控溅射、电子束蒸发及溶胶-凝胶法等物理和化学方法。然而，这些方法在薄膜厚度精确控制、大面积均匀性及三维结构衬底的保形覆盖方面存在固有局限。例如，磁控溅射法制备的nio薄膜虽结晶度较好，但在纳米级厚度精确控制、台阶覆盖及大面积均匀性方面难以满足高端器件需求。ald技术基于自限性表面化学反应，通过前驱体交替脉冲及惰性气体吹扫，可实现原子层级精度的薄膜厚度控制、优异的大面积均匀性及三维结构衬底的高保形覆盖，因此被认为是制备高质量nio薄膜的主要技术路径之一。

2、目前，对于高质量nio薄膜的制备，采用原子层沉积技术，通过前驱体交替脉冲及惰性气体吹扫实现自限性表面反应。然而，现有ald制备nio薄膜技术仍面临诸多挑战：首先，适用于ald的镍前驱体种类有限，部分前驱体（如nicl2）需要较高沉积温度（>300℃）且可能引入氯杂质，同时有机配体分解不彻底易导致碳杂质残留，使得薄膜纯度较低；其次，常规ald工艺制备的nio薄膜多为非晶态或结晶度较低，限制了其在需要高结晶质量场景中的应用；此外，为改善薄膜结晶质量和去除杂质，现有技术往往依赖后退火处理，但退火工艺增加了热预算，且可能与部分器件工艺不兼容。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的是提供一种基于ald生长高质量nio材料的工艺方法，解决现有技术的薄膜纯度较低，限制了nio薄膜在需要高结晶质量场景中的应用，以及依赖后退火处理的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明实施例提供如下技术方案：

3、本发明第一方面提供一种基于ald生长高质量nio材料的工艺方法，包括：

4、将衬底置于ald反应腔体中，抽真空并将衬底加热至150℃；

5、以二(甲基环戊二烯)镍为镍前驱体，以h2o和/或o3为氧源，交替脉冲通入镍前驱体源和氧源，并在每次脉冲后通入惰性气体吹扫，执行一个或多个ald循环，以在衬底上原位生长nio薄膜；其中，每个ald循环中，镍前驱体脉冲时间为0.02秒，惰性气体吹扫时间为1秒，氧源脉冲时间为1.5秒，惰性气体吹扫时间为5秒；nio薄膜在生长后不进行后退火处理。

6、在一些实施例中，氧源为h2o。

7、在一些实施例中，二(甲基环戊二烯)镍的源瓶的加热温度为90℃，源瓶至ald反应腔体的传输管路的加热温度不低于源瓶的加热温度。

8、在一些实施例中，源瓶至ald反应腔体的传输管路的加热温度为120℃。

9、在一些实施例中，nio薄膜的生长速率为2.0å/循环，nio薄膜的表面粗糙度rq为0.8nm。

10、在一些实施例中，工艺方法执行125个ald循环，nio薄膜的厚度为25nm。

11、在一些实施例中，nio薄膜为非晶态或纳米晶态。

12、在一些实施例中，衬底为蓝宝石衬底。

13、本发明第二方面提供一种基于ald生长高质量nio材料的nio薄膜结构，nio薄膜结构包括衬底和设置在衬底上的nio薄膜；nio薄膜由二(甲基环戊二烯)镍和h2o和/或o3作为前驱体，在150℃下通过ald交替脉冲沉积形成，且未经过后退火处理；nio薄膜的厚度为25nm，表面粗糙度rq为0.8nm。

14、在一些实施例中，nio薄膜结构用于非易失性存储器、钙钛矿太阳能电池空穴传输层、电致变色器件或p型氧化物薄膜晶体管。

15、相较于现有技术，本发明提供的一种基于ald生长高质量nio材料的工艺方法，将衬底置于ald反应腔体中，抽真空并将衬底加热至150℃；以二(甲基环戊二烯)镍为镍前驱体，以h2o和/或o3为氧源，交替脉冲通入镍前驱体源和氧源，并在每次脉冲后通入惰性气体吹扫，执行一个或多个ald循环，以在衬底上原位生长nio薄膜；其中，每个ald循环中，镍前驱体脉冲时间为0.02秒，惰性气体吹扫时间为1秒，氧源脉冲时间为1.5秒，惰性气体吹扫时间为5秒；nio薄膜在生长后不进行后退火处理。本发明采用二(甲基环戊二烯)镍作为镍前驱体，并匹配h2o和/或o3作为氧源，避免了含氯前驱体的使用；同时通过0.02秒短脉冲和1秒/5秒充分吹扫，有效减少了未反应前驱体及副产物在薄膜中的残留，实现了高纯度。在150℃沉积温度下，通过交替脉冲和吹扫执行ald循环，利用ald自限性表面反应实现原子层级逐层生长，且生长后不进行后退火处理，仍可获得结晶状态可控的nio薄膜，因此实现了高结晶质量。明确限定nio薄膜在生长后不进行后退火处理，因此该工艺无需依赖后退火即可获得高质量nio薄膜，避免了后退火带来的热预算增加和器件兼容性问题。

1.一种基于ald生长高质量nio材料的工艺方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于ald生长高质量nio材料的工艺方法，其特征在于，所述氧源为h2o。

3.根据权利要求1所述的基于ald生长高质量nio材料的工艺方法，其特征在于，所述二(甲基环戊二烯)镍的源瓶的加热温度为90℃，所述源瓶至所述ald反应腔体的传输管路的加热温度不低于所述源瓶的加热温度。

4.根据权利要求3所述的基于ald生长高质量nio材料的工艺方法，其特征在于，所述源瓶至所述ald反应腔体的传输管路的加热温度为120℃。

5.根据权利要求1所述的基于ald生长高质量nio材料的工艺方法，其特征在于，所述nio薄膜的生长速率为2.0å/循环，所述nio薄膜的表面粗糙度rq为0.8nm。

6.根据权利要求1所述的基于ald生长高质量nio材料的工艺方法，其特征在于，所述工艺方法执行125个ald循环，所述nio薄膜的厚度为25nm。

7.根据权利要求1所述的基于ald生长高质量nio材料的工艺方法，其特征在于，所述nio薄膜为非晶态或纳米晶态。

8.根据权利要求1所述的基于ald生长高质量nio材料的工艺方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底。

9.一种基于ald生长高质量nio材料的nio薄膜结构，其特征在于，适用于权利要求1-8任一项所述的基于ald生长高质量nio材料的工艺方法，所述nio薄膜结构包括衬底和设置在所述衬底上的nio薄膜；所述nio薄膜由二(甲基环戊二烯)镍和h2o和/或o3作为前驱体，在150℃下通过ald交替脉冲沉积形成，且未经过后退火处理；所述nio薄膜的厚度为25nm，表面粗糙度rq为0.8nm。

10.根据权利要求9所述的基于ald生长高质量nio材料的nio薄膜结构，其特征在于，所述nio薄膜结构用于非易失性存储器、钙钛矿太阳能电池空穴传输层、电致变色器件或p型氧化物薄膜晶体管。