碳纳米管上HfO2原子层沉积的基础研究：从工艺窗口验证到网络与定向结构的性能对比

这篇研究系统探讨了HfO2在碳纳米管（CNT）上的原子层沉积（ALD）工艺，通过验证200°C自限制反应窗口（TDMAH/H2O体系），对比了随机网络（N-CNTs）与定向阵列（A-CNTs）两种基底上90°C低温ALD（LT-ALD）与常规工艺的差异。研究发现低温工艺可提升覆盖均匀性但导致氧富集（Hf:O≈1:2.3），而水蒸气预浸润能优化薄膜致密度，为CNT晶体管栅极堆叠工程提供关键指导。

　　

Highlight

N-CNTs与A-CNTs薄膜制备

对于随机网络CNTs（N-CNTs），将4英寸SiO₂/Si晶圆浸入含聚咔唑（PCz）包裹的高纯度半导体CNT溶液中；定向阵列CNTs（A-CNTs）则通过二甲基硅烷（HMDS）疏水化处理后的晶圆在CNT溶液中垂直浸渍，并添加1,4-丁烯二醇形成二元液体界面定向排列。

自限制ALD工艺窗口验证

为确立真实的ALD工艺，我们系统研究了TDMAH/H₂O体系中前驱体脉冲时长、吹扫时间及沉积温度（T_dep）对单循环生长量（GPC）的影响。固定200°C和15秒吹扫时间时，TDMAH脉冲≥0.5秒后GPC趋于稳定，证实表面反应自限制特性。

结论

本研究通过对比N-CNTs与A-CNTs上HfO₂的ALD沉积，揭示了工艺温度对薄膜性能的调控机制：200°C ALD虽生成化学计量比（Hf:O≈1:2）的非晶膜，但CNT表面成核性差；90°C LT-ALD在两种基底上均实现更均匀覆盖，但氧含量偏高（RBS验证）。水预浸润可进一步提升低温薄膜的致密性，为CNT基器件栅极优化提供了理论依据。