Plasma-enhanced atomic layer deposition of aluminum nitride : characteristics and applications

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-02-02
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
114
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 6/2024
Abstract
Plasma-enhanced atomic layer deposition (PEALD) offers a variety of advantages over other thin film growth techniques, such as conformal coverage of complex surface structures. However, low crystallinity has been a drawback for PEALD aluminum nitride (AlN) thin films, which makes it impossible to use in many applications. In this thesis, a process for reaching a higher quality AlN grown with PEALD was studied. The process included an added plasma step into the PEALD cycle, atomic layer annealing (ALA). The results of this thesis are divided into material characteristics of the improved PEALD ALA AlN and use of PEALD ALA AlN and PEALD AlN thin films in diverse applications. AlN grown with the PEALD ALA process has improved stoichiometry, crystallinity, and c-axis orientation, and contained less carbon and hydrogen impurities. Amount of oxygen impurities has increased. Post deposition annealing at high temperature in vacuum reduced impurities but did not improve the crystallinity further. The substrate also has an impact on the obtained crystal quality of the film and could aid the AlN film to achieve the preferred structure. The ALA AlN was measured to be piezoelectric when deposited on an aluminum substrate. In addition, ALA AlN grows crystalline on vertical sidewalls. The use of PEALD ALA AlN as a transition layer for further metalorganic chemical vapor deposition regrowth was demonstrated successfully. Silicon surface passivation was demonstrated with PEALD AlN. The film provides passivation for the surface and the highest carrier lifetime was obtained with higher deposition temperature and a combination of annealing and firing as a postdeposition heat treatment.

Plasma-avusteisella atomikerroskasvatuksella (eng. plasma-enhanced atomic layer deposition, PEALD) on useita etuja verrattuna moniin ohutkalvojen kasvatustekniikoihin, kuten esimerkiksi monimutkaisten rakenteiden tasainen pinnoittaminen. Huonolaatuinen kiteisyys on kuitenkin PEALD:lla kasvatettujen alumiininitridiohutkalvojen (AlN) heikkous, mikä on estänyt niiden käytön monissa sovelluksissa. Tässä väitöskirjassa tutkittiin PEALD-prosessia, jolla voitaisiin saavuttaa parempi kidelaatu AlN-ohutkalvoihin. Tutkitussa prosessissa PEALD-jaksoon on lisätty ylimääräinen plasmavaihe, atomikerroshehkutus (eng. atomic layer annealing, ALA). Väitöskirjan tulokset on jaettu uuden AlN-materiaalin ominaisuuksiin sekä PEALD ALA AlN - ja PEALD AlN -ohutkalvojen käyttöön erinäisissä sovelluksissa. PEALD ALA -prosessilla saavutettiin parempi stoikiometria, kiteisyys sekä c-akselin mukainen suuntautuminen AlN:lle. Lisäksi materiaalissa on vähemmän hiili- ja vetyepäpuhtauksia, mutta enemmän happiepäpuhtauksia. Hehkutus tyhjiössä korkeassa lämpötilassa kasvatuksen jälkeen poistaa epäpuhtauksia kalvosta, muttei paranna kiteisyyttä. Pinnoitettavan substraatin kiteisyys vaikuttaa myös kalvon kidelaatuun, ja sillä voi edistää AlN:n kasvua haluttuun kiderakenteeseen. Mittauksissa todettiin ALA AlN:n olevan pietsosähköinen kasvatettuna alumiinille. Lisäksi se kasvaa kiteisenä pystysuorille sivuseinille. PEALD ALA AlN:n käyttö siirtymäkerroksena uudelleenkasvatettavaksi metalliorgaanista kemiallista kaasufaasipinnoitusta käyttäen osoitettiin onnistuneesti. PEALD AlN todettiin toimivaksi piin pintapassivointimateriaaliksi. Kalvo passivoi pinnan, ja pisimmät varauksenkuljettajien elinajat saatiin korkeampaa kasvatuslämpötilaa käyttämällä sekä hehkutuksen että nopean kuumennuksen (engl. firing) yhdistelmää kasvatuksen jälkeisenä lämpökäsittelynä.

Plasmaförstärkt atomlagerdeponering (eng. plasma-enhanced atomic layer deposition, PEALD) erbjuder många fördelar, såsom konform täckning av komplexa ytstrukturer, vilket är inte möjligt med flera andra tunnfilmstillväxttekniker. Svagt kristallinitet har varit en brist hos PEALD aluminiumnitrid (AlN) vilket har gjort det omöjligt att använda i många tillämpningar. I denna avhandling studerades en process för att uppnå ett högre materialkvalitet på AlN med PEALD. Den studerade processen hade ett ytterligare plasmasteg i PEALD-cykeln, atomär lagerglödgning (eng. atomic layer annealing, ALA). Resultaten av denna avhandling innefattar materialegenskaper hos den förbättrade PEALD ALA AlN materialen och användning av PEALD ALA AlN och PEALD AlN tunnfilmer i olika tillämpningar. PEALD ALA AlN har förbättrad stökiometri, kristallinitet och orientering längs c-axeln. Den innehåller mindre kol- och vätestörämnen men däremot har mängden syrestörämne ökat. Glödgning vid hög temperatur i vakuum efter deponeringen minskar mängden störämne men förbättrade kristalliniteten inte ytterligare. Substratet inverkar på filmens kristallkvalitet och kan hjälpa AlN-filmen att nå den föredragna kristallstrukturen. ALA AlN mättes vara piezoelektriskt när deponerat på aluminium och dessutom växer den kristallint på vertikala sidoväggar. Användningen av PEALD ALA AlN som ett övergångsskikt för återdeponering med metallorganisk kemisk gasfasdeponering demonstrerades framgångsrikt. Passivering av kiselytor demonstrerades med PEALD AlN. Filmen passiverar ytan och den högsta bärarlivslängden erhölls med högre deponeringstemperatur och en kombination av glödgning och snabb uppvärming (eng. firing) som en värmebehandling efter deponeringen.
Description
Supervising professor
Lipsanen, Harri, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Thesis advisor
Suihkonen, Sami, Dr., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Kauppinen, Christoffer, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd., Finland
Keywords
plasma-enhanced atomic layer deposition, AlN, atomic layer annealing, thin films, plasma-avusteinen atomikerroskasvatus, AlN, atomikerroshehkutus, ohutkalvot
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Heli Seppanen, Iurii Kim, Jarkko Etula, Evgeniy Ubyivovk, Alexei Bouravleuv, and Harri Lipsanen. Aluminum nitride transition layer for power electronics applications grown by plasma-enhanced atomic layer deposition. Materials, 12, 406, 2019.
    DOI: 10.3390/ma12030406 View at publisher
  • [Publication 2]: Heli Seppanen, Igor Prozheev, Christoffer Kauppinen, Sami Suihkonen, Kenichiro Mizohata, and Harri Lipsanen. Effect of atomic layer annealing in plasma-enhanced atomic layer deposition of aluminum nitride on silicon. Journal of Vacuum Science & Technology A, 41, 052401, 2023.
    DOI: 10.1116/6.0002705 View at publisher
  • [Publication 3]: Elmeri Osterlund, Heli Seppanen, Kristina Bespalova, Ville Miikkulainen, and Mervi Paulasto-Krockel. Atomic layer deposition of AlN using atomic layer annealing—Towards high-quality AlN on vertical sidewalls. Journal of Vacuum Science & Technology A, 39, 032403, 2021.
    DOI: 10.1116/6.0000724 View at publisher
  • [Publication 4]: Paivikki Repo, Yameng Bao, Heli Seppanen, Perttu Sippola, and Hele Savin. Silicon Surface Passivation with atomic layer deposited aluminum nitride. In 2016 IEEE 43rd Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), Portland, OR, USA, June 2016.
    DOI: 10.1109/PVSC.2016.7750205 View at publisher
Citation