1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Микроэлектроника
  4. T. 52, № 4, 2023

Микроэлектроника, 2023, T. 52, № 4, стр. 336-344

Механизмы перераспределения углеродных загрязнений в пленках, сформированных методом атомно-слоевого осаждения

А. В. Фадеев a, *, А. В. Мяконьких a, Е. А. Смирнова a, С. Г. Симакин b, К. В. Руденко a

a Физико-технологический институт им. К.А. Валиева Российской академии наук
117218 Москва, Нахимовский пр-т, 36/1, Россия

b Ярославский Филиал Физико-технологического института им. К.А. Валиева Российской академии наук
150007 Ярославль, Россия

* E-mail: alexvfadeev@gmail.com

Поступила в редакцию 20.03.2023
После доработки 20.04.2023
Принята к публикации 22.04.2023

Аннотация

Экспериментально и теоретически изучено распределение примеси углерода по глубине в пленках оксида гафния, полученных методом плазмостимулированного атомно-слоевого осаждения. Предложена аналитическая модель, описывающая зависимость профиля концентрации примеси углерода в пленке. Модель учитывает, что причиной образования примеси углерода в растущей пленке может быть неполное протекание реакции окисления металлорганического прекурсора. Диффузионное перераспределение примеси определяется механизмами, учитывающими наличие углерода в состояниях разной природы: нерастворимом состоянии (карбиды, карбонаты), высокоподвижном состоянии (CO, CO2) и неустойчивом состоянии, время жизни которого больше времени роста пленки. Показана возможность контроля примеси углерода как в глубоких, так и в приповерхностных слоях. Предсказания модели были подтверждены экспериментально с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов в пленках, полученных методом атомно-слоевого осаждения. Для проверки теории были разработаны специальные структуры оксида гафния, состоящие из нескольких слоев, в которых изменялось время воздействия плазмой на образец при одинаковой дозировке металорганического прекурсора. На подложку наносился слой с наименьшим временем воздействия плазмой, затем такое же количество циклов на следующем слое проходило, при условии увеличения времени экспозиции в n раз. Это позволило углубить переходные зоны и тем самым защитить их от воздействия атмосферы.

Ключевые слова: атомно-слоевое осаждение, примесь углерода, гафния, масс-спектрометрия вторичных ионов

Список литературы

  1. Atomic Layer Deposition of Nanostructured Materials. // Edited by Nicola Pinna and Mato Knez. Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, Germany, 2012. 435 p.

  2. Uenuma M., Takahashi K., Sonehara S., Tominaga Y., Fujimoto Y., Ishikawa Y., Uraoka Y. Influence of carbon impurities and oxygen vacancies in Al2O3 film on Al2O3/GaN MOS capacitor characteristics // AIP ADVANCES 2018. V. 8. P. 105103.

  3. Kinnunen S., Arstila K., Sajavaara T. Al2O3 ALD films grown using TMA + rare isotope 2H216O and 1H218O precursors // Appl. Surf. Sci. 2021. V. 546. P. 148909.

  4. Vihervaara A., Hatanpää T., Mizohata K., Chundak M., Popov G., Ritala M. A low-temperature thermal ALD process for nickel utilizing dichlorobis(triethylphosphine)nickel(II) and 1,4-bis(trimethylgermyl)-1,4-dihydropyrazine // Dalton Trans. 2022. V. 51. P. 10898.

  5. Chung H.K., Won S.O., Park Y., Kim J.-S., Park T.J., Kim S.K. Atomic-layer deposition of TiO2 thin films with a thermally stable (CpMe5)Ti(OMe)3 precursor // Appl. Surf. Sci. 2021. V. 550. P. 149381.

  6. Butcher K.S.A., Georgiev V., Georgieva D., Gergova R., Terziyska P., Binsted P.W. Downstream Electric Field Effects during Film Deposition with a Radio Frequency Plasma and Observations of Carbon Reduction // Coatings. 2022. V. 12. P. 1581.

  7. Kia A.M., Speulmanns J., Bönhardt S., Emara J., Kühnel K., Haufe N., Weinreich W. Spectroscopic analysis of ultra-thin TiN as a diffusion barrier for lithi.um-ion batteries by ToF-SIMS, XPS, and EELS // Appl. Surf. Sci. 2021. V. 564. P. 150457.

  8. Sultan S.M., Clark O.D., Masaud T.B., Fang Q., Gunn R., Hakim M.M.A., Sun K., Ashburn P., Chong H.M.H. Remote plasma enhanced atomic layer deposition of ZnO for thin film electronic applications // Microelectronic Engineering. 2012. V. 97. P. 162–165.

  9. Alen P., Juppo M., Ritala M., Sajavaara T., Keinonen J., Leskela M. Atomic Layer Deposition of Ta(Al)N(C) Thin Films Using Trimethylaluminum as a Reducing Agent // J. The Electrochemical Society. 2001. V. 148(10). P. G566–G571.

  10. Knoops H.C.M., Peuter K., Kessels W.M.M. Redeposition in plasma-assisted atomic layer deposition: Silicon nitride film quality ruled by the gas residence time // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 107. P. 014102.

  11. Abdulagatov A.I., Ramazanov Sh.M., Dallaev R.S., Murliev E.K., Palchaev D.K., Rabadanov M.Kh., Abdulagatov I.M. Atomic Layer Deposition of Aluminum Nitride Using Tris(diethylamido) aluminum and Hydrazine or Ammonia // RUSSIAN MICROELECTRONICS. 2018 V. 47. № 2. P. 118–130.

  12. Cho M., Kim J.H., Hwang C.S. Effects of carbon residue in atomic layer deposited HfO2 films on their time-dependent dielectric breakdown reliability // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 182907.

  13. Kwon O.K., Kim J.H., Park H.S., Kanga S.W. Atomic layer deposition of ruthenium thin films for copper glue layer // J. The Electrochemical Society. 2004. V. 151(2). P. G109–G112.

  14. Kinnunena S.A., Malma J., Arstila K., Lahtinenb M., Sajavaara T. This is an electronic reprint of the original article. This reprint may differ from the original in pagination and typographic detail // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B. 2017. V. 406. P. 152–155.

  15. Hwan J.H., Kim H.Y., Lee S.C., Park K.J.-S., Jeon D., Chung T.-M., Kim C.G. Growth of tantalum nitride film as a Cu diffusion barrier by plasma-enhanced atomic layer deposition from bis((2-(dimethylamino)ethyl)(methyl)amido)methyl(tert-butylimido)tantalum complex // Applied Surface Science. 2016. V. 362. P. 176–181.

  16. An K.-S., Cho W., Sung K., Lee S.S., Kim Y. Preparation of Al2O3 Thin Films by Atomic Layer Deposition Using Dimethylaluminum Isopropoxide and Water and Their Reaction Mechanisms // Bull. Korean. Chem. Soc. 2003. V. 24(11). P. 1659–1663.

  17. Choi S.-W., Jang C.-M., Kim D.-Y., Ha J.-S. Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition of Al2O3 and TiN // J. Korean Physical Society. 2003. V. 42. P. S975–S979.

  18. Chesnokov Y.M., Miakonkikh A.V., Rogozhin A.E., Rudenko K.V., Vasiliev A.L. Microstructure and electrical properties of thin HfO2 deposited by plasma-enhanced atomic layer deposition // J. Materials Science. 2018. V. 53(10). P. 7214–7223. https://doi.org/10.1007/s10853-018-2099-5

  19. Yoo Y.W., Jeon W., Lee W., An C.H., Kim S.K., Hwang C.S. Structure and Electrical Properties of Al-Doped HfO2 and ZrO2 Films Grown via Atomic Layer Deposition on Mo Electrodes // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. V. 6(24). P. 22474–22482.

  20. Choi M.-J., Park H.-H., Jeong D.S., Kim J.H., Kim J.S., Kim S.K. Atomic layer deposition of HfO2 thin films using H2O2 as oxidant // Applied Surface Science 2014. V. 301. P. 451–455.

  21. Parka I.-S., Leeb J., Yoonb S., K. J. Chungb, Leeb S., Parkb J., Kimb C.K., Ahn J. Oxidant Effect on Resistance Switching Characteristics of HfO2 film Grown Atomic Layer Deposition // ECS Transactions 1007. V. 11(7). P. 61–66.

  22. Hodson C.J., Singh N., Heil S., van Hemmen H., Kessels E. Optimization of Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition Processes for Oxides // Nitrides and Metals in the Oxford Instruments FlexAL Reactor. 2007. https://doi.org/10.1149/1.2721476

  23. Lee S.Y., Kim H.K., Lee J.H., Yu I.-H., Leea J.-H., Hwang C.S. Effects of O3 and H2O as oxygen sources on the atomic layer deposition of HfO2 gate dielectrics at different deposition temperatures // J. Mater. Chem. C. 2014. V. 2. P. 2558–2568.

  24. Fadeev A.V., Rudenko K.V. Possibility of Controlling the Impurity Concentration in the Near-Surface Layers of Films Grown by the ALD Method // Russian Microelectronics. 2019. V. 48(4). P. 220–228.

  25. Berdova M., Wiemer C., Lamperti A., Tallarida G., Cianci E., Lamagna L., Losa S., Rossini S., Somaschini R., Gioveni S., Fanciulli M., Franssila S. Protective coatings of hafnium dioxide by atomic layer deposition for microelectromechanical systems applications // Appl. Surf. Sci. 2016. V. 368. P. 470–476.

  26. Perros A.P., Sippola P., Arduca E., Johansson L., Lipsanen H. Low temperature and high quality atomic layer deposition HfO2 coatings // IMAPS Nordic Conference on Microelectronics Packaging (NordPac). 2017. P. 182–185.

  27. Maesa J.W., Fedorenkoa Y., Delabieb A., Ragnarssonb L.-Å., Swertsa J., Nynsb L., Elshochtb S., Wangc C.G., Wilk G. Impact of Hf-precursor choice on scaling and performance of high-k gate dielectrics // ECS Transactions. 2007. V. 11(4). P. 59–72.

  28. Liu X., Ramanathan S., Longdergan A., Srivastava A., Lee E., Seidel T.E., Barton J.T., Pang D., Gordon R.G. ALD of Hafnium Oxide Thin Films from Tetrakis (ethylmethylamino) hafnium and Ozone // ECS J. Solid State Sci. Technol. 2005. V. 152(3). P. G213.

  29. Kim K.D., MPark H., Kim H.J., Kim Y.J., Moon T., Lee Y.H., Hyun S.D., Gwona T., Hwang C.S. Ferroelectricity in undoped-HfO2 thin films induced by deposition temperature control during atomic layer deposition // J. Mater. Chem. C. 2016. V. 4. P. 6864–6872.

  30. Vos M., Grande P.L., Venkatachalam D.K., Nandi S.K., Elliman R.G. Oxygen Self-Diffusion in HfO2 Studied by Electron Spectroscopy // PRL. 2014. V. 112. P. 175901.

  31. Zafar S., Jagannathan H., Edge L.F., Gupta D. Measurement of oxygen diffusion in nanometer scale HfO2 gate dielectric films // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 98. P. 152903.

  32. Xiao B., Watanabe S. Non-negligible Metal Ions Diffusion in Amorphous Oxygen-Deficient Metal-Oxide Based Resistive Switches: A First Principle Study // The Japan Society of Applied Physics. 2014.

  33. Shen W., Kumari N., Gibson G., Jeon Y., Henze D., Silverthorn S., Bash C., Kumar S. Effect of annealing on structural changes and oxygen diffusion in amorphous HfO2 using classical molecular dynamics // J. Appl. Phys. 2018. V. 123. P. 085113.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Микроэлектроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал