表面化学调控实现HfO2薄膜区域选择性沉积的实验与DFT研究

这篇研究通过实验与密度泛函理论（DFT）结合，揭示了稀释氢氟酸（HF）预处理调控SiO2表面羟基化以促进HfO2选择性原子层沉积（AS-ALD）的机制，提出"沉积-蚀刻超循环"策略抑制SiN/Pt基底成核，为纳米电子器件自对准图案化提供了新思路。

　　

Highlight

本研究通过实验与理论计算揭示了HfO₂在SiO₂表面实现区域选择性原子层沉积（AS-ALD）的关键机制：0.5%氢氟酸（HF）预处理在SiO₂表面构建的丰富羟基（-OH）能显著降低四乙基甲基氨基铪（TEMAH）前驱体的吸附活化能，而SiN和铂（Pt）基底的高能垒导致成核延迟。通过周期性插入HF蚀刻步骤的"ALD-蚀刻超循环"策略，可清除非目标区域的HfO₂晶核，维持高选择性。

DFT-Guided Reaction Pathways of TEMAH

密度泛函理论（DFT）计算显示，TEMAH前驱体在羟基化SiO₂表面通过氢键形成物理吸附层后，质子会从-OH基团转移至乙基甲基氨基配体，该过程能垒比SiN-NH₂和Pt-H表面低47%和62%。这种差异解释了SiO₂上快速成核而其他基底出现生长滞后的现象。

Conclusion

实验与DFT计算的协同分析证明：通过HF活化SiO₂表面并结合蚀刻超循环，可在250°C实现HfO₂的高选择性沉积。X射线光电子能谱（XPS）证实该策略能获得化学计量比精准、碳污染极少的薄膜，为半导体制造中的自对准工艺提供了新范式。