DMACl中Al2O3的臭氧原子层沉积及其对硅表面钝化的影响

DMACl中Al2O3的臭氧原子层沉积及其对硅表面钝化的影响

       二甲基氯化铝(DMACl)作为一种铝源，在半导体工业中取代更昂贵和常用的三甲基铝，用于制备原子层沉积(ALD)薄膜，显示出良好的潜力。在这里，Al2O3 dmac工艺是通过用臭氧代替常见的ALD氧化剂水来改进的，臭氧提供了几个好处，包括更短的清洗时间，逐层生长和改善的薄膜附着力。结果表明，臭氧代替水的引入增加了Al2O3中碳和氯的含量，而长臭氧脉冲增加了硅表面界面氢的含量。这些被发现对表面钝化和更终装置操作是有益的影响。热处理(400°C和800°C)对于高质量的表面钝化是必不可少的，类似于传统前驱体沉积的ALD Al2O3，这与界面和相关杂质分布的变化有关。发现更佳沉积温度为250℃，该温度可提供热处理后更佳的化学钝化效果。

介绍

       如今，许多半导体器件包括高度绝缘的金属氧化物薄膜，以允许更小的器件尺寸，并防止例如湿气进入器件。金属氧化物还可用于为半导体表面的悬空键提供高质量的钝化，从而更大限度地减少少数载流子的复合，因此有利于半导体器件的运行。此类器件包括，例如，光电探测器、电容器、太阳能电池和晶体管。金属氧化物的主要沉积技术是原子层沉积（ALD），因为它在复杂结构上提供均匀的覆盖，并对膜厚度进行精确控制。在ALD中，高质量的半导体级三甲基铝（TMA）是常用的铝（Al）源；然而，在太阳能电池和消费电子产品等大规模生产设备中，高纯度TMA的价格可能会成为一个问题，因此较低级别的TMA或甚至更便宜的化学品二甲基氯化铝（DMACl）已成为Al2O3膜沉积的一种有趣的替代品。

DMACl是TMA合成中的中间产物，是另外两种Al前体（AlCl3和TMA）的混合物。因此，基于DMACl的ALD工艺可能显示出其母体化合物的特征，例如，膜中氯（Cl）含量的影响。事实上，与TMA相比，基于DMACl的ALD Al2O3的第一次表面钝化结果显示出相当的钝化质量，甚至更好的热稳定性。更高的热稳定性可能是由于膜中存在Cl。

       关于DMACl的早期工作一直依赖于水作为ALD表面反应中的氧化剂。通常，在ALD工艺中，水是优选的，因为它是无害的，允许更简单的沉积工具并提供高质量的电钝化。然而，据报道，水基ALD工艺在高温热处理后会出现局部薄膜分层，这对于半导体器件的可靠操作是不可接受的。在基于TMA的工艺中，用臭氧作为氧化剂代替水已经被证明可以抑制这种膜分层。此外，在ALD系统中，臭氧分子的粘性比水低，因此更容易清洗，尤其是在低温应用中。这减少了ALD循环时间，并节省了成本。此外，臭氧已被证明可为以下反应产生更具反应性的硅表面（SiOx层），从而在ALD的培养期内导致逐层生长，当将介电厚度降低到小于10nm时，这在半导体工业中变得很重要。更后，尽管一些研究表明，通过臭氧工艺沉积的ALD膜具有更高的平滑度、更低的漏电流、更少的缺陷和更小的平带电压偏移，但也存在矛盾的结果，尤其是在表面粗糙度和缺陷浓度方面。

       由于TMA工艺中臭氧与水的差异存在矛盾，目前尚不清楚DMACl工艺是否会因臭氧的使用而受益或受损。在这里，我们研究了在基于DMACl的ALD Al2O3工艺中使用臭氧作为氧化剂。研究了Al2O3薄膜的生长和元素分布与臭氧脉冲长度和生长温度的关系。此外，还探讨了热处理对薄膜性能的影响。同时，我们研究了DMACl–臭氧Al2O3膜在硅表面钝化中的应用。更后，我们讨论了上述薄膜性能与描述钝化质量的电学表征结果之间的相关性。该结果旨在深入了解钝化机理和更佳沉积参数。

结论

       研究了基于DMACl和臭氧的ALD Al2O3工艺及其对硅片钝化的性能。DMACl–臭氧过程类似于反应物饱和条件下的TMA–臭氧过程，但GPC略低。在200°C以上，增加ALD生长温度会增加GPC和膜密度，但也会降低Al2O3中的杂质量。关于薄膜中轻元素的组成，在200°C下生长的沉积样品中发现约4.1%的氢和3.4%的氯。发现较长的臭氧脉冲时间可降低Si/Al2O3界面处除氢以外的杂质浓度。

       通过监测有效寿命、界面缺陷密度和负电荷密度的变化，研究了表面钝化质量与热处理、臭氧脉冲时间和ALD生长温度的关系。在DMACl和基于臭氧的ALD Al2O3工艺的情况下，在400°C下进行30分钟的低温处理似乎不能提供足够的热能来激活钝化，而高温处理（800°C持续3 s）通过降低界面缺陷密度和增加场效应显著改善了钝化。

发现ALD中较长的臭氧脉冲对更终钝化质量具有积极影响，这可能是由于较高的界面氢浓度。发现ALD温度升高到250°C会导致更好的化学钝化和更高的膜GPC。此外，DMACl–臭氧工艺似乎解决了ALD Al2O3薄膜在热处理过程中的起泡问题。所获得的结果表明，DMACl–臭氧Al2O3工艺可以用于半导体器件的有效表面钝化。