aalto1 untyped-item.component.html
Precursor efficiency in atomic layer deposition system with Al2O3
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
60
Series
Abstract
Atomic layer deposition (ALD) is an advanced thin film fabrication technique that has enabled the miniaturization of microelectronics and thus have had a great impact in the development of more efficient semiconductor devices. Although the modern semiconductor industry is considered essential in the search for more sustainable energy solutions, it is also a great source of pollution. Hence the optimization of the processes involved, such as ALD, is crucial to reduce the environmental impacts of the industry.
In this work the precursor utilization efficiencies of trimethyl aluminium (TMA) and water were studied by comparing the precursor consumption with the achieved aluminium oxide (Al2O3) thin film in an ALD system. The precursor doses and chamber pressures were varied to study the impact of the process parameters on the growth per cycle (GPC), film thickness non-uniformity (NU%) and precursor utilization efficiency. The chemical bottles were weighed before and after each deposition to calculate the precursor consumption, and the film thicknesses, densities, and compositions were analysed using ellipsometry, x-ray reflective spectroscopy, and time-of-flight elastic recoil detection analysis to estimate the mass of the achieved thin films. The ratio between the consumed and deposited elements were then calculated by first converting the mass of the consumed precursors and deposited thin films into molar concentrations of aluminium and oxygen.
The results showed that a TMA pulse time of 0.5 s with a 1.0 s water pulse yielded in a relatively high TMA utilization efficiency of 12.3%, combined with a 1.02 Å GPC and a thickness NU% of 1.38. Although the utilization efficiency dropped to 4.15% when the water pulse time was 2.0 s with a fixed TMA pulse of 1.0 s, the GPC increased to 1.10 Å and NU% decreased to 1.09%. An increase in the chamber pressure during the deposition also had an impact on the film properties without remarkably affecting the precursor utilization efficiency. It is therefore important to optimize the processes to reduce the environmental impact of ALD without significantly lowering the thin film qualities or increasing the costs.
Atomikerroskasvatus (atomic layer deposition, ALD) on edistyksellinen ohutkalvojen valmistustekniikka, joka on osaltaan mahdollistanut mikroelektroniikan pienentämisen ja täten johtanut yhä tehokkaampien puolijohdekomponenttien kehittämiseen. Vaikka modernia puolijohdeteollisuuta pidetään keskeisenä tekijänä uusien ja kestävämpien energiaratkaisujen kehittämisessä, se on myös merkittävä saastuttaja. Tästä syystä puolijohdeteollisuuteen liittyvien prosessien, kuten ALD-prosessien optimointi on erityisen tärkeää teollisuuteen liittyvien ympäristövaikutusten vähentämiseksi.
Tässä työssä tutkittiin trimetyylialumiinin (TMA) ja veden hyötysuhdetta vertaamalla kyseisten lähtöaineiden kulutusta ALD systeemissä saavutettuun alumiinioksidikalvoon (Al2O3). Prosessiparametrien vaikutusta kalvon syklikohtaiseen kasvunopeuteen (growth per cycle, GPC), kalvonpaksuuksien epäyhtenäisyyteen (non-uniformity, NU%) sekä lähtöaineiden hyötysuhteeseen tutkittiin vaihtelemalla lähtöaineiden annostusta ja reaktiokammion prosessipaineita. Lähtöaineiden kulutusta mitattiin punnitsemalla kemikaalipullot kalvonkasvatusten välissä ja Al2O3-kalvojen paksuutta, tiheyttä ja kemiallista koostumusta tutkittiin ellipsometrian, röntgenheijastuksen sekä lentoaika-rekyylispektrometrian avulla, kalvojen massan arvioimiseksi. Lähtöaineiden hyötysuhde saatiin laskemalla lähtöaineiden ja saavutettujen ohutkalvojen alumiinin ja hapen moolien suhde massa-arviointien avulla.
Tulokset osoittivat, että 0.5 s TMA-pulssin ja 1.0 s vesipulssin ALD-prosessi tuotti Al2O3-kalvoja, joissa TMA:n hyötysuhde oli 12.3 % eli suhteellisen korkea. Lisäksi GPC oli 1.02 Å ja kalvonpaksuuden NU% oli 1.38 %. Vaikka veden hyötysuhde laski 4.15 %:iin, 2.0 s vesipulssin ja 1.0 s TMA-pulssin ALD-prosessin kalvojen GPC oli 1.10 Å ja kalvonpaksuuden epäyhtenäisyys 1.09 %. Reaktiokammion prosessipaineen nostamisella oli myös vaikutusta GPC:hen ja kalvon epäyhtenäisyyteen ilman, että lähtöaineiden hyötysuhteet muuttuivat merkitsevästi. Prosessien optimointi on täten erittäin tärkeää ympäristövaikutusten vähentämiseksi niin, ettei sillä ole liian suurta vaikutusta kalvon laatuun tai prosessien hintaan.
Description
Supervisor
Karppinen, MaaritThesis advisor
Kalliomäki, JesseBlomberg, Tom