Thermal and plasma-enhanced atomic layer deposition: the study of and employment in various nanotechnology applications

Abstract

This thesis focuses on atomic layer deposition (ALD) and presents results divided between two parts. The first part examines plasma-enhanced atomic layer deposition (PEALD) of AlN and the effects processing conditions have on material properties and growth. The second part focuses on the employment of various ALD thin films for diverse nanotechnology applications. For PEALD AlN films deposited using a capacitively coupled plasma source it was demonstrated that the choice of plasma gas, processing temperature, and plasma bias voltage have a marked effect on the growth and physical properties. PEALD AlN was further investigated as a dry etch mask for SF6-based silicon plasma etching. Experiments using inductively coupled plasma-reactive ion etch and reactive ion etch systems show the material to be an excellent hard mask, akin to ALD Al2O3. A surface stack consisting of PEALD AlN and ALD HfO2 was deposited on GaAs to form high-k metal insulator semiconductor capacitors. Surface passiv-ation of GaAs by PEALD AlN was established by showing Fermi level unpinning at the interface using capacitance-voltage and current-voltage measurements. ALD Al-doped ZnO (AZO) was investigated as a platform for GaAs nanowire (NW) growth on a variety of materials not normally conducive to NW growth. The GaAs NWs were uniform irrespective of the underlying substrate. Photoluminescence measurements indicate the NWs incorporated Zn from AZO and illuminated even at room temperature. ALD TiO2 and Al2O3 were studied as intermediary layers between ZnO nanorods (ZnOr) and a porphyrin based organic layer. Fluorescence measurements indicate that a 5 nm-thick Al2O3 layer allows the study of the organic layer alone by isolating it from the ZnOr. A 5 nm-thick TiO2 however results in an interaction between the organic layer and ZnOr layer. Femtosecond absorption spectroscopy revealed that a 5 nm-thick TiO2 shell enables charge separation to occur between the organic and semiconductor materials. Dye sensitized solar cell experiments further validate that this TiO2 shell decreases charge recombination. A new type of graphene-alumina composite membrane was developed and mechanically assessed using the bulge test. The composite membrane is significantly more robust than plain Al2O3, withstanding at least 3 times more differential pressure. Raman measurements indicated the graphene reinforcing layer remains undamaged after bulge testing despite cracking in the ALD layer.

Tässä väitöskirjassa käsiteltiin atomikerroskasvatusta (engl. ALD) ja sen tulokset esitetään jaettuna kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa käsitellään AlN:n plasma-avusteista atomikerroskasvatusta (engl. PEALD) ja esitetään havaintoja sen prosessiolosuhteiden vaikutuksesta materiaalin ominaisuuksiin ja kasvuun. Toisessa osassa käsitellään erilaisten ALD-ohutkalvojen käyttämistä osana erilaisia nanoteknologian sovelluksia. PEALD AlN-ohutkalvoja valmistettiin käyttämällä kapasitiivisesti kytkettyä plasmalähdettä. Tutkimukset osoittivat plasmakaasun, prosessilämpötilan ja plasman tasajännitteen vaikuttavan ohutkalvojen kasvuun ja fysikaalisiin ominaisuuksiin. Tämän lisäksi PEALD AlN:ä tutkittiin kuivaetsausmaskina SF6-pohjaiselle piin plasmaetsaukselle. Induktiivisesti kytkettyä plasma-reaktiivista sekä reaktiivista ionietsausta käyttäen tehdyt kokeet osoittivat materiaalin olevan erinomainen kovamaski, samoin kuin Al2O3. Myös korkean permittiivisyyden omaavia metallieriste-puolijohdekondensaattoreita valmistettiin GaAs alustalle PEALD AlN ja ALD HfO2-kerrosrakenteilla. GaAs-pinnan passivointi saavutettiin PEALD AlN:llä todentamalla rajapinnan Fermi tason irtoaminen käyttäen kapasitanssi-jännite ja virta-jännite -mittauksia. ALD Al-seostettua ZnO:a (AZO) tutkittiin GaAs-nanolankojen kasvualustana moninaisille materiaaleille jotka eivät normaalisti tue nanolankojen kasvua. Tuotetut GaAs-nanolangat olivat tasalaatuisia riippumatta alustasubstraatista. Fotoluminesenssimittaukset osoittivat AZO:sta peräisin olevan sinkin olevan osa nanolankoja, jotka emittoivat valoa jopa huoneen lämpötilassa. Jatkotutkimuksessa ALD TiO2:a ja Al2O3:a käytettiin ZnO-nanosauvojen ja porfyriinipohjaisen orgaanisen kerroksen välikerroksena. Fluoresenssimittaukset osoittivat 5 nm paksun Al2O3-kerroksen eristävän ZnO-nanosauvat orgaanisesta kerroksesta, tehden sen tutkimisen mahdolliseksi. 5 nm paksu TiO2 sen sijaan johti vuorovaikutukseen orgaanisen ja ZnO-nanosauvakerroksen välillä. Femtosekunti-absorptio-spektroskopia paljasti 5 nm paksun TiO2-kuoren mahdollistavan varauserotuksen orgaanisen ja puolijohdemateriaalin välillä. Väriaineherkistetyt aurinkokennokokeet vahvistivat tulokset että TiO2-kuori todella vähentää varausrekombinaatiota. Osana tätä työtä kehitettiin myös uuden tyyppinen grafeeni-alumiinioksidi komposiittimembraani ja sitä arvioitiin mekaanisesti aluevenymäkoejärjestelmällä. Komposiittimembraanin todettiin olevan huomattavasti kestävämpi kuin pelkkä Al2O3 olisi, kestäen jopa kolme kertaa suuremman differentiaalisen paineen. Ramanmittaukset osoittivat vahvistavan grafeeni-kerroksen pysyvän vahingoittumattomana aluevenymäkokeen jälkeen, vaikka ALD-kerroksessa havaittiin säröytymistä.