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High-quality remote plasma enhanced atomic layer deposition of aluminum oxide thin films for nanoelectronics applications

原子层沉积 材料科学 薄膜 X射线光电子能谱 光电子学 氧化物 分析化学(期刊) 纳米技术 化学工程 化学 冶金 色谱法 工程类
作者
Robin Khosla,Daniel Schwarz,Hannes S. Funk,Kateryna Guguieva,J. Schulze
出处
期刊:Solid-state Electronics [Elsevier BV]
卷期号:185: 108027-108027 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.sse.2021.108027
摘要

Here, we report comprehensive investigations of aluminum oxide (Al2O3) high-κ gate oxides deposited via remote plasma enhanced atomic layer deposition (Re-PEALD) with mesh configuration in a commercial 100 mm ALD reactor. Trimethylaluminum (Al(CH3)3), dioxygen (O2) plasma, and Argon (Ar) are used as the metal precursor, oxidant, and carrier/purge, respectively. The growth rate per cycle and non-uniformity of Al2O3 thin films is analyzed with the variation in duration of (Al(CH3)3) pulse, O2 plasma, post-precursor purge, post-oxidant purge, RF power, and substrate temperature. High-quality monolayer type Al2O3 thin films with a growth rate of ~ 1.1 Å/cycle are achieved for a wide temperature range from ~ 100 °C to ~ 300 °C suitable for various nanoelectronics applications ranging from flexible substrates to low thermal budget and high mobility alternate semiconductor substrates. Further, the Al/Re-PEALD-Al2O3/p-Si, metal-oxide-semiconductor (MOS) structures are investigated for capacitance-voltage, capacitance-frequency, and leakage current-voltage characteristics to demonstrate the quality of Re-PEALD-Al2O3 thin films. The Al/Re-PEALD-Al2O3/p-Si, MOS structures revealed excellent electrical characteristics with ultralow minimum interface trap density (Dit) ~ 9.9 × 109 eV−1cm−2, negative effective oxide charges (Neff) ~ 5.52 × 1012 cm−2, low leakage current density of ~ 4.1 nA/cm2 at −1 V, hysteresis-free, insignificant Vth shift, and trivial frequency dispersion. Moreover, the chemical analysis using XPS depth profiling disclosed that Re-PEALD deposited Al2O3 thin films results in a high-quality gradient Al2O3/SiOx/Si interface rather than an abrupt Al2O3/Si interface, and the oxygen rich thin films due to the oxygen (O2−) interstitials close to the interface are the sources of negative fixed oxide charges in Re-PEALD-Al2O3/Si, system. These results intend to boost the investigations of Re-PEALD Al2O3 ultrathin films for low thermal budget high mobility alternate semiconductor substrates for nanoelectronics applications.

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