臭氧和水ALD工藝中DMACl基Al2O3膜主體中元素濃度的比較

DMACl-臭氧作為ALD過程

在ALD工藝中，每周期生長量(GPC)是描述薄膜生長的重要參數(shù)。如果GPC在ALD生長潛伏期后達到恒定值，則表明生長為純ALD。在我們的DMACl -臭氧過程中，使用橢偏儀測量的樣品在200°C下沉積的GPC圖如圖1所示。由圖可知，當臭氧脈沖時間為7秒或20秒時，每循環(huán)的飽和GPC值為0.76 Å，可以看出膜的生長是恒定的。較短的脈沖時間導致薄膜厚度不均勻;然而，脈沖時間可以從根本上減少使用更強大的臭氧發(fā)生器。

圖1：在DMACl–臭氧過程中，Al2O3膜的線性生長是ALD循環(huán)次數(shù)的函數(shù)。在200°C的沉積溫度下，在ALD中使用7或20 s的臭氧脈沖時間。

與典型的ALD Al2O3工藝相比，測量的GPC是合理的，僅略低于相同ALD條件下獲得的dmac -水工藝(1.04 Å /循環(huán))。與基于臭氧的ALD工藝相比，這里獲得的GPC與TMA33相當(在200°C時每循環(huán)0.76 Å)，而比AlCl316高兩倍(在300°C時每循環(huán)0.4 Å)。雖然ALD中較長的臭氧脈沖并沒有顯示出GPC的明顯增加，但它確實導致了較好的薄膜，在沉積樣品中測量到的折射率(RI)從1.57增加到1.60。

DMACl基Al2O3工藝中臭氧與水的關(guān)系

Al2O3膜通常除了純鋁和氧之外還含有許多雜質(zhì)。這些雜質(zhì)可能對電膜性能、GPC以及在我們的應用中對硅表面的鈍化產(chǎn)生重大影響。表1比較了臭氧和水ALD工藝之間DMACl基Al2O3膜中存在的測量的元素濃度和雜質(zhì)。薄膜的元素組成通過飛行時間彈性反沖檢測分析（ToF-ERDA）方法確定。38我們可以看到，臭氧過程導致碳（C）和氯（Cl）濃度更高，分別是10倍和3倍以上。這與早期報道的TMA–臭氧ALD Al2O3薄膜一致，其中臭氧導致的C含量高于相應的TMA-水工藝，分別為1 at%和0.2 at%。

表1 DMACl -臭氧和DMACl -水ALD中大部分Al2O3薄膜中元素濃度的比較。在200℃下沉積400個ALD循環(huán)。

表1:在DMACl–臭氧過程中，Al2O3膜的線性生長是ALD循環(huán)次數(shù)的函數(shù)。在200°C的沉積溫度下，在ALD中使用7或20 s的臭氧脈沖時間。

結(jié)果也間接得到了橢偏儀和x射線反射率(XRR)測量的支持，即臭氧處理的反射率(1.57)和膜質(zhì)量密度(2.8 g cm−3)低于水處理(分別為1.60和3.0 g cm−3)。在相同沉積條件下，DMACl與臭氧的反應較DMACl與水的反應不完全。這也許可以解釋在GPC中觀察到的差異。另一方面，我們發(fā)現(xiàn)臭氧工藝的薄膜附著力更好，即我們在dmac -臭氧工藝中沒有觀察到熱處理后的起泡現(xiàn)象，這與之前的研究一致，臭氧在膜分層方面優(yōu)于水(以tma為基礎的工藝)。

熱處理效果

ALD被認為是一種低溫工藝，但通常在薄膜沉積后，樣品需要在器件制造序列中經(jīng)歷一個或幾個高溫工藝步驟。有時這樣的溫度步驟可以提高膜的質(zhì)量，有時會使膜退化。在Al2O3的情況下，達到高水平鈍化的很佳溫度約為400℃我們選擇了低溫(LT)和高溫(HT)兩種典型的熱處理方式，分別為400°C和800°C，研究它們對DMACl -臭氧基Al2O3薄膜的影響。
我們用少數(shù)載流子壽命作為表面鈍化的度量。通常，半導體器件的有效運行需要接近毫秒的壽命值，例如，參考中與太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系。10和39。界面質(zhì)量的另一個度量包括界面缺陷密度(Dit)，它描述了界面上懸垂鍵的鈍化程度，通常被稱為化學鈍化。因此，Dit應該被很小化，并且在高質(zhì)量界面的情況下，Dit值低于1 × 1011 eV−1 cm−2與表面鈍化有關(guān)的第三個電子參數(shù)稱為負電荷密度(Qf)。它描述了如何有效地將少數(shù)載流子從表面推開，從而在界面處將重組很小化。因此，它通常被稱為場效應鈍化。Qf應很大化以獲得很佳性能，并且在熱ALD工藝中通常以大于3 × 1012 cm−2的值為目標

圖2顯示，由于高Dit (3 × 1012 eV−1 cm−2)和低Qf (2 × 1011 cm−2)值，沉積樣品僅表現(xiàn)出較差的鈍化(壽命約5µs)。LT改善了鈍化，這是ALD Al2O3薄膜的典型行為。另一方面，人們常常發(fā)現(xiàn)HT步驟對這類電影是有害的而在dmac -臭氧過程中，高溫步進使鈍化過程接近毫秒級。電容電壓(CV)測量結(jié)果表明，較好的化學鈍化和較強的場效應鈍化都能增強鈍化效果，這與之前報道的DMACl +水過程的鈍化行為相似。因此，定性行為類似于水的過程。確切的數(shù)值不應該比較，因為我們將看到它們受到臭氧脈沖長度和沉積溫度的影響。

圖2。樣品在ALD（AS）后立即測量，在400°C的N2中退火30分鐘（LT）后測量，在800°C的第二次退火3秒（LT+HT）后測量。在200°C下沉積100個ALD循環(huán)，臭氧脈沖長度為7 s，DMACl脈沖長度為0.2 s。

圖3顯示了7s臭氧脈沖(圖b)和7s(圖c)和20s(圖d)臭氧脈沖長度熱處理后沉積樣品的Al2O3膜的元素深度分布圖。沉積樣與熱處理樣的主要區(qū)別是熱處理后雜質(zhì)氫和氯含量較低。氯相當均勻地分布在薄膜上，而氫和碳則有一些不均勻性。圖3b、d中樣品使用的測量參數(shù)略有不同，禁止從這兩個深度剖面的形狀中得出額外的結(jié)論。

圖3：在ToF-ERDA測量中，可以通過測量每個反沖原子的飛行時間和能量來分離不同的質(zhì)量。Al2O3膜的元素深度分布：b）用7秒臭氧脈沖時間沉積時，c）用20秒臭氧脈沖LT+HT處理后，以及d）用7 s臭氧脈沖LT+T處理后。a） 與（c）中的深度剖面相對應的直方圖。該膜在200°C下以400次ALD循環(huán)沉積。注：由于直方圖中Al和Si在Si/Al2O3界面處的截面重疊，因此將Al和Si的深度分布繪制為一體。