DMACl中Al2O3的臭氧原子層沉積及其對(duì)硅表面鈍化的影響

發(fā)布時(shí)間:2024-04-13
dmacl中al2o3的臭氧原子層沉積及其對(duì)硅表面鈍化的影響
二甲基氯化鋁(dmacl)作為一種鋁源,在半導(dǎo)體工業(yè)中取代更昂貴和常用的三甲基鋁,用于制備原子層沉積(ald)薄膜,顯示出良好的潛力。在這里,al2o3 dmac工藝是通過(guò)用臭氧代替常見(jiàn)的ald氧化劑水來(lái)改進(jìn)的,臭氧提供了幾個(gè)好處,包括更短的清洗時(shí)間,逐層生長(zhǎng)和改善的薄膜附著力。結(jié)果表明,臭氧代替水的引入增加了al2o3中碳和氯的含量,而長(zhǎng)臭氧脈沖增加了硅表面界面氫的含量。這些被發(fā)現(xiàn)對(duì)表面鈍化和最終裝置操作是有益的影響。熱處理(400°c和800°c)對(duì)于高質(zhì)量的表面鈍化是的,類似于傳統(tǒng)前驅(qū)體沉積的ald al2o3,這與界面和相關(guān)雜質(zhì)分布的變化有關(guān)。發(fā)現(xiàn)沉積溫度為250℃,該溫度可提供熱處理后的化學(xué)鈍化效果。
介紹
如今,許多半導(dǎo)體器件包括高度絕緣的金屬氧化物薄膜,以允許更小的器件尺寸,并防止例如濕氣進(jìn)入器件。金屬氧化物還可用于為半導(dǎo)體表面的懸空鍵提供高質(zhì)量的鈍化,從而限度地減少少數(shù)載流子的復(fù)合,因此有利于半導(dǎo)體器件的運(yùn)行。此類器件包括,例如,光電探測(cè)器、電容器、太陽(yáng)能電池和晶體管。金屬氧化物的主要沉積技術(shù)是原子層沉積(ald),因?yàn)樗趶?fù)雜結(jié)構(gòu)上提供均勻的覆蓋,并對(duì)膜厚度進(jìn)行精確控制。在ald中,高質(zhì)量的半導(dǎo)體級(jí)三甲基鋁(tma)是常用的鋁(al)源;然而,在太陽(yáng)能電池和消費(fèi)電子產(chǎn)品等大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備中,高純度tma的價(jià)格可能會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題,因此較低級(jí)別的tma或甚至更便宜的化學(xué)品二甲基氯化鋁(dmacl)已成為al2o3膜沉積的一種有趣的替代品。
dmacl是tma合成中的中間產(chǎn)物,是另外兩種al前體(alcl3和tma)的混合物。因此,基于dmacl的ald工藝可能顯示出其母體化合物的特征,例如,膜中氯(cl)含量的影響。事實(shí)上,與tma相比,基于dmacl的ald al2o3的次表面鈍化結(jié)果顯示出相當(dāng)?shù)拟g化質(zhì)量,甚至更好的熱穩(wěn)定性。更高的熱穩(wěn)定性可能是由于膜中存在cl。
關(guān)于dmacl的早期工作一直依賴于水作為ald表面反應(yīng)中的氧化劑。通常,在ald工藝中,水是優(yōu)選的,因?yàn)樗菬o(wú)害的,允許更簡(jiǎn)單的沉積工具并提供高質(zhì)量的電鈍化。然而,據(jù)報(bào)道,水基ald工藝在高溫?zé)崽幚砗髸?huì)出現(xiàn)局部薄膜分層,這對(duì)于半導(dǎo)體器件的可靠操作是不可接受的。在基于tma的工藝中,用臭氧作為氧化劑代替水已經(jīng)被證明可以抑制這種膜分層。此外,在ald系統(tǒng)中,臭氧分子的粘性比水低,因此更容易清洗,尤其是在低溫應(yīng)用中。這減少了ald循環(huán)時(shí)間,并節(jié)省了成本。此外,臭氧已被證明可為以下反應(yīng)產(chǎn)生更具反應(yīng)性的硅表面(siox層),從而在ald的培養(yǎng)期內(nèi)導(dǎo)致逐層生長(zhǎng),當(dāng)將介電厚度降低到小于10nm時(shí),這在半導(dǎo)體工業(yè)中變得很重要。最后,盡管一些研究表明,通過(guò)臭氧工藝沉積的ald膜具有更高的平滑度、更低的漏電流、更少的缺陷和更小的平帶電壓偏移,但也存在矛盾的結(jié)果,尤其是在表面粗糙度和缺陷濃度方面。
由于tma工藝中臭氧與水的差異存在矛盾,目前尚不清楚dmacl工藝是否會(huì)因臭氧的使用而受益或受損。在這里,我們研究了在基于dmacl的ald al2o3工藝中使用臭氧作為氧化劑。研究了al2o3薄膜的生長(zhǎng)和元素分布與臭氧脈沖長(zhǎng)度和生長(zhǎng)溫度的關(guān)系。此外,還探討了熱處理對(duì)薄膜性能的影響。同時(shí),我們研究了dmacl–臭氧al2o3膜在硅表面鈍化中的應(yīng)用。最后,我們討論了上述薄膜性能與描述鈍化質(zhì)量的電學(xué)表征結(jié)果之間的相關(guān)性。該結(jié)果旨在深入了解鈍化機(jī)理和沉積參數(shù)。
結(jié)論
研究了基于dmacl和臭氧的ald al2o3工藝及其對(duì)硅片鈍化的性能。dmacl–臭氧過(guò)程類似于反應(yīng)物飽和條件下的tma–臭氧過(guò)程,但gpc略低。在200°c以上,增加ald生長(zhǎng)溫度會(huì)增加gpc和膜密度,但也會(huì)降低al2o3中的雜質(zhì)量。關(guān)于薄膜中輕元素的組成,在200°c下生長(zhǎng)的沉積樣品中發(fā)現(xiàn)約4.1%的氫和3.4%的氯。發(fā)現(xiàn)較長(zhǎng)的臭氧脈沖時(shí)間可降低si/al2o3界面處除氫以外的雜質(zhì)濃度。
通過(guò)監(jiān)測(cè)有效壽命、界面缺陷密度和負(fù)電荷密度的變化,研究了表面鈍化質(zhì)量與熱處理、臭氧脈沖時(shí)間和ald生長(zhǎng)溫度的關(guān)系。在dmacl和基于臭氧的ald al2o3工藝的情況下,在400°c下進(jìn)行30分鐘的低溫處理似乎不能提供足夠的熱能來(lái)激活鈍化,而高溫處理(800°c持續(xù)3 s)通過(guò)降低界面缺陷密度和增加場(chǎng)效應(yīng)顯著改善了鈍化。
發(fā)現(xiàn)ald中較長(zhǎng)的臭氧脈沖對(duì)最終鈍化質(zhì)量具有積極影響,這可能是由于較高的界面氫濃度。發(fā)現(xiàn)ald溫度升高到250°c會(huì)導(dǎo)致更好的化學(xué)鈍化和更高的膜gpc。此外,dmacl–臭氧工藝似乎解決了ald al2o3薄膜在熱處理過(guò)程中的起泡問(wèn)題。所獲得的結(jié)果表明,dmacl–臭氧al2o3工藝可以用于半導(dǎo)體器件的有效表面鈍化。
關(guān)鍵詞:電容器 電池
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