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

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.