Quality, Microstructural Refinement and Stability of Atomic-layer-deposited Aluminum Nitride and Aluminum Oxide Films

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Vuorinen, Vesa, Dr., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
dc.contributor.author Broas, Mikael
dc.date.accessioned 2018-09-04T09:03:19Z
dc.date.available 2018-09-04T09:03:19Z
dc.date.issued 2018
dc.identifier.isbn 978-952-60-8130-4 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-8129-8 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/33794
dc.description.abstract High-quality, stable ALD films are required in microelectronics when the films are exposed to further processing during device manufacturing, or if the films are exposed to a demanding environment. For example, front-end-of-line processing exposes the deposited materials to high temperatures and aggressive chemicals during process steps such as dopant activation and wafer cleaning. Furthermore, a protective film against humidity and corrosion may need to maintain its structural integrity for the lifetime of the device which can be several years. Therefore, engineering the film quality and understanding the effects of high-temperature processing on thin films are required for the successful integration of the films to a semiconductor device. The goal of this thesis was to study the quality, microstructural refinement, and the stability of ALD AlN and Al2O3 films. The results were divided to the process development of ALD AlN and Al2O3 films, the examination of their microstructural development due to high-temperature thermal treatments, and the resulting stability of the ALD films. Film stability was understood to encompass thermal stability (e.g. oxidation) and chemical stability (ability to resist dissolution and corrosion). Film quality comprised of attributes such as the amount of impurities, stoichiometry, and crystallinity which were characterized for the as-deposited films and after the high-temperature treatments. The emphasis on ALD AlN was in process development. Trimethylaluminum (TMA) -based AlN was amorphous and contained a high amount of hydrogen when deposited at 200 °C. The hydrogen outgassed during high-temperature treatments and the AlN films began to oxidize at and above 800 °C. AlCl3-based AlN films, processed closer to 500 °C, had less impurities and a polycrystalline microstructure as opposed to the TMA-based films deposited at 200 °C. The AlN film residual stress was also tunable in the plasma-enhanced AlCl3 process by adjusting the plasma time of the nitrogen precursor. ALD AlN studied in this thesis and the literature review show promise of the film quality continuously improving. The main challenges are in improving the crystalline quality and minimizing the amount of impurities, such as hydrogen, in the AlN films. The focus on ALD Al2O3 was in understanding the effects of the high-temperature treatments. As-deposited ALD Al2O3 was amorphous and dissolved into wet chemical cleaning solutions. Heat treatments at and above 800 °C crystallized the films. However, high vacuum annealing caused blistering of the alumina films, whereas atmospheres with hydrogen and nitrogen produced crystalline films without blisters. The fully-crystallized alumina films were stable in SC-1 and HF cleaning solutions. The crystallized alumina films are demonstrated to be suitable for technologies such as silicon on insulator. Furthermore, crystallized ALD alumina could be utilized as a protective layer in a variety of applications that withstand the crystallization temperature. en
dc.description.abstract Mikroelektroniikan valmistuksessa käytettävien kalvojen täytyy olla korkealaatuisia ja stabiileja, erityisesti jos kalvot pinnoitetaan prosessoinnin alkuvaiheessa tai jos kalvot altistuvat käytön aikana aggressiiviselle ympäristölle. Esimerkiksi valmistuksen alkupäässä pinnoitetut materiaalit altistuvat korkeille lämpötiloille ja aggressiivisille kemikaaleille seosteiden aktivoinnin ja kiekkopesujen aikana. Kosteudelta ja korroosiolta suojaavan kalvon täytyy pysyä ehjänä tuotteen elinkaaren ajan, joka voi olla useita vuosia. Ohutkalvojen laadun muokkaus ja ymmärrys korkealämpökäsittelyjen vaikutuksesta kalvojen rakenteeseen ovat edellytyksenä kalvojen käyttöön teollisessa mikroelektroniikan valmistuksessa. Tämän väitöstyön tavoitteena oli tutkia atomikerroskasvatettujen AlN- ja Al2O3-kalvojen laatua, mikrorakenteen muokkausta ja stabiilisuutta. Tulokset jaettiin AlN- ja Al2O3-kalvojen prosessikehitykseen, mikrorakenteen kehittymisen tarkasteluun lämpökäsittelyjen seurauksena ja kyseisten ALD-kalvojen stabiilisuuteen. Kalvojen stabiilisuutta käsiteltiin termisen stabiliteetin (esim. hapettuminen) ja kemiallisen stabiliteetin (kyky vastustaa liukenemista ja korroosiota) kannalta. Kalvojen laatu käsitti ominaisuuksia kuten epäpuhtauksien määrän, stoikiometrian ja kiteisyyden, jotka karakterisoitiin kasvatuksen ja lämpökäsittelyjen jälkeen. AlN:n tarkastelu painottui prosessikehitykseen. Trimetyylialumiiniin pohjautuvat AlN-kalvot olivat kasvatuksen jälkeen amorfisia ja sisälsivät runsaasti vetyä, kun kasvatus tapahtui 200 °C:ssa. Lämpökäsittelyjen seurauksena vedyn määrä kalvoissa väheni huomattavasti, mutta AlN-kalvot alkoivat hapettua 800 °C:ssa. Lähellä 500 °C:ta kasvatetut AlCl3:een perustuvat AlN-kalvot olivat monikiteisiä ja sisälsivät vähemmän epäpuhtauksia kuin 200 °C:ssa kasvatetut trimetyylialumii-nipohjaiset kalvot. AlCl3-pohjaisten AlN-kalvojen jännitystilaa oli lisäksi mahdollista muokata plasmapohjaisella prosessilla säätämällä typpiprekursorin plasmapulssin aikaa. Tässä työssä kasvatetun AlN:n ja kirjallisuuskatsauksen perusteella AlN:n prosessointi kehittyy jatkuvasti ja kalvojen laadun voidaan odottaa paranevan tulevaisuudessa. Kidelaadun parantaminen ja epäpuhtauksien minimointi AlN-kalvoissa ovat tämänhetkisiä tärkeimpiä haasteita. Al2O3:n tarkastelu painottui lämpökäsittelyjen vaikutusten ymmärtämiseen. Kasvatuksen jälkeiset Al2O3-kalvot olivat amorfisia ja liukenivat puhdistuskemikaaleihin. Lämpökäsittely yli 800 °C:ssa kiteytti alumiinioksidin. Korkeatyhjiössä hehkutus kuitenkin aiheutti alumiinioksidissa rakkuloitumista. Vetyä tai typpeä sisältävässä suojakaasuhehkutuksessa rakkuloita ei havaittu. Täysin kiteytyneet Al2O3-kalvot olivat stabiileja SC-1- ja HF-liuoksissa. Kiteytettyjen aloksikalvojen käyttöä demonstroidaan pii eristeen päällä -teknologiassa. Kiteytettyjä aloksikalvoja voitaisiin käyttää myös suojaavana pinnoitteena sovelluksissa, jotka kestävät kalvon kiteytymislämpötilan. fi
dc.format.extent 75 + app. 79
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 151/2018
dc.relation.haspart [Publication 1]: Broas, M., Sippola, P., Sajavaara, T., Vuorinen, V., Pyymaki Perros, A., Lipsanen, H., Paulasto-Kröckel, M. Structural and chemical analysis of annealed plasma-enhanced atomic layer deposition aluminum nitride films, Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 34, 2016, p. 041506. DOI: 10.1116/1.4953029
dc.relation.haspart [Publication 2]: Broas, M., Kanninen, O., Vuorinen, V., Tilli, M., Paulasto-Kröckel, M. Chemically stable atomic-layer-deposited Al2O3 films for processability,” ACS Omega, 2, (2017), pp. 3390-3398. DOI: 10.1021/acsomega.7b00443
dc.relation.haspart [Publication 3]: Broas, M., Jiang, H., Graff, A., Sajavaara, T., Vuorinen, V., Paulasto-Kröckel, M. Blistering mechanisms of atomic-layer-deposited AlN and Al2O3 films, Applied Physics Letters, 111, (2017), p. 141606. DOI: 10.1063/1.4994974
dc.relation.haspart [Publication 4]: Rontu, V., Sippola, P., Broas, M., Ross, G., Sajavaara, T., Lipsanen, H., Paulasto-Kröckel, M., Franssila, S. Atomic layer deposition of AlN from AlCl3 using NH3 and Ar/NH3 plasma,” Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 36, (2018), p. 021508. DOI: 10.1116/1.5003381
dc.relation.haspart [Publication 5]: Broas, M., Lemettinen, J., Sajavaara, T., Tilli, M., Vuorinen, V., Suihkonen, S., Paulasto-Kröckel, M. In-situ annealing characterization of atomic-layer-deposited Al2O3 in N2, H2, and vacuum atmospheres, Submitted.
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.title Quality, Microstructural Refinement and Stability of Atomic-layer-deposited Aluminum Nitride and Aluminum Oxide Films en
dc.title Atomikerroskasvatettujen alumiininitridi- ja alumiinioksidikalvojen laatu, mikrorakenteellinen muokkaus ja stabiilisuus fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Sähkötekniikan ja automaation laitos fi
dc.contributor.department Department of Electrical Engineering and Automation en
dc.subject.keyword atomic layer deposition en
dc.subject.keyword annealing en
dc.subject.keyword thin film stability en
dc.subject.keyword AlN en
dc.subject.keyword Al2O3 en
dc.subject.keyword microstructure en
dc.subject.keyword impurities en
dc.subject.keyword stoichiometry en
dc.subject.keyword transmission electron microscopy en
dc.subject.keyword atomikerroskasvatus fi
dc.subject.keyword korkealämpökäsittely fi
dc.subject.keyword ohutkalvon stabiilisuus fi
dc.subject.keyword mikrorakenne fi
dc.subject.keyword epäpuhtaudet fi
dc.subject.keyword stoikiometria fi
dc.subject.keyword läpivalaisuelektronimikroskopia fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-8130-4
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Paulasto-Kröckel, Mervi, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
dc.opn Leskelä, Markku, Prof., University of Helsinki, Finland
dc.opn Trampert, Achim, Dr., Paul Drude Institute for Solid State Electronics, Germany
dc.contributor.lab Unit of Electronics Integration and Reliability en
dc.rev De Wolf, Ingrid, Prof., KU Leuven, Belgium
dc.rev Mayrhofer, Paul H., Prof., TU Wien, Austria
dc.date.defence 2018-09-13
local.aalto.acrisexportstatus checked


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account