DMACl中Al2O3的臭氧原子層沉積及其對硅表面鈍化的影響
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工藝是通過用臭氧代替常見的ALD氧化劑水來改進(jìn)的，臭氧提供了幾個好處，包括更短的清洗時間，逐層生長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，而長臭氧脈沖增加了硅表面界面氫的含量。這些被發(fā)現(xiàn)對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)體器件的運行。此類器件包括，例如，光電探測器、電容器、太陽能電池和晶體管。金屬氧化物的主要沉積技術(shù)是原子層沉積（ALD），因為它在復(fù)雜結(jié)構(gòu)上提供均勻的覆蓋，并對膜厚度進(jìn)行精確控制。在ALD中，高質(zhì)量的半導(dǎo)體級三甲基鋁（TMA）是常用的鋁（Al）源；然而，在太陽能電池和消費電子產(chǎn)品等大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備中，高純度TMA的價格可能會成為一個問題，因此較低級別的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，因為它是無害的，允許更簡單的沉積工具并提供高質(zhì)量的電鈍化。然而，據(jù)報道，水基ALD工藝在高溫?zé)崽幚砗髸霈F(xiàn)局部薄膜分層，這對于半導(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，當(dāng)將介電厚度降低到小于10nm時，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薄膜的生長和元素分布與臭氧脈沖長度和生長溫度的關(guān)系。此外，還探討了熱處理對薄膜性能的影響。同時，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工藝及其對硅片鈍化的性能。DMACl–臭氧過程類似于反應(yīng)物飽和條件下的TMA–臭氧過程，但GPC略低。在200°C以上，增加ALD生長溫度會增加GPC和膜密度，但也會降低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)較長的臭氧脈沖時間可降低Si/Al2O3界面處除氫以外的雜質(zhì)濃度。
通過監(jiān)測有效壽命、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、臭氧脈沖時間和ALD生長溫度的關(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激活鈍化，而高溫處理（800°C持續(xù)3 s）通過降低界面缺陷密度和增加場效應(yīng)顯著改善了鈍化。
發(fā)現(xiàn)ALD中較長的臭氧脈沖對最終鈍化質(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薄膜在熱處理過程中的起泡問題。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。
