Atomic layer deposition of III-nitrides and metal oxides; their application in area selective ALD

Yarı iletken III-nitrit bileşikleri (GaN, AlN, and InN) ve onların alaşımları, hem temel araştırma alanlarında hem de ticari uygulamalarda, özellikle fotonik, enerji depolaması, nano-sensörler ve nano-(opto) elektronikler alanlarında önemli ilgi uyandırmıştır. Würtzit tipi III-nitritları, sırasıyla AlN, GaN ve InN için 6,2, 3,4 ve 0,64 eV değerleri ile morötesi (UV) ile orta-IR spektruma uzanan doğrudan bant aralıklarına sahiptir. Bu özellik, belirli uygulamalar için III-nitrit alaşımlarının band aralığını tam bileşim kontrolü ile kolaylıkla ayarlamaya izin veriyor. Metalorganik kimyasal buhar birikimi (MOCVD) ve Moleküler kiriş epitaksisi (MBE), düşük safsızlık konsantrasyonlu ve iyi elektriksel özelliğe sahip yüksek kaliteli epitaksiyel III-nitrit tabakalarını elde etmenin en yaygın ve başarılı yöntemleridir. Fakat bununla birlikte, bu yöntemlerin her ikisi de, mevcut CMOS teknolojisi ile uyumlu olmayan ya da sıcaklığa duyarlı aygıt katmanlarına (örneğin In-zengin InxGa1-xN) ve alt tabakalara (örneğin cam, esnek polimerler, vb.) uygun olmayan yüksek büyüme sıcaklıkları kullanmaktadı. Bu kısıtlamalar, III-nitrit ve alaşımlarının tabakalarını büyütmenin alternatif düşük sıcaklıktaki proseslerin araştırmalarının ana itici kaynağıdır. Nanotel ve nanoçubuk şeklindeki yüksek en-boy oranlı III-nitrit nanoyapıları buhar-sıvı-katı kristal büyütmesi, elektrospinning, şablon esaslı sentez ve aşındırma yöntemlerini kapsayan yöntemlerle sentezlenmiştir. III-nitrit nanoyapıların üretiminde kritik gelişmeler yukarıda adı geçen yöntemlerle elde edilmiştir ancak nanoyapılardaki (şekil, yönelim ve boyut) özelliklerde kısıtlı kontrol ve bazı yüksek sıcaklık gereksinimlerinden muzdarip. Yüksek kalitede I-D III-nitrit nanoyapıların geliştirilmesine yönelik yeni bir ilgi, daha geniş uygulamalara sahip esnek optoelektronik aygıtlar elde etme isteğinden kaynaklanmaktadır. Şablon destekli büyütme tekniği, III- nitrit nanoyapılarının şekli, boyutu, konumu ve dağılımı üzerinde hassas kontrolü olan en umut verici üretim yöntemlerinden bir tanesidir. Tezin ilk bölümünde, düşük büyüme sıcaklıklarında içi boş katot plazma yardımlı atomik katman çökeltme (HCPA-ALD) kullanarak InN ve III-nitrür alaşımları tevdi ettik. Amaç, III-nitrür materyallerin, uygun kristal kalitesi ve minimum safsızlık içeriği ile en düşük büyüme sıcaklıklarında depolanmasıydı. Depozisyonlar N2/H2 ve N2 plazması ile birlikte grup III organometalik öncülleri kullanılarak gerçekleştirildi. Prekürsör darbe süresi, plazma akış süresi, boşaltma süresi ve çökelme sıcaklığı gibi proses parametreleri araştırılmış ve proses parametreleri ile malzeme özellikleri arasında korelasyonlar geliştirilmiştir. 200 °C'de biriken InN filminin refraktif indeksi 650 nm'de 2.66 bulundu. 48 nm kalınlığında InN filmleri 0.98 nm RMS yüzey pürüzlülüğü değerlerine sahip nispeten pürüzsüz yüzeyler sergilerken film yoğunluğu 6.30 g / cm3 olarak çıkarıldı. In içeriğinin yapısal, optik ve InxGa1-xN ince filmlerin morfolojik özelliklerine etkisi araştırıldı. Grazing insidansı X-ışını kırınımı (GIXRD) ve transmisyon elektron mikroskobu (TEM). InN ve InxGa1-xN ince filmlerin altıgen würzit yapıya sahip polikristalin olduğunu gösterdi. Spektral absorpsiyon ölçümleri, 1.9 eV civarında InN'nin bir optik bant kenarını sergiledi. X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) InN ve alaşım ince filmlerin birikimini doğruladı ve düşük safsızlık içeriğinin varlığını ortaya koydu. Dahası, anodize edilmiş aliminyum oksit (AAO) membran kalıplı PA-ALD kullanarak Si(100) alttaş üzerine dikey GaN, AlN ve InN oyuk nano-silindir dizisinin etegrasyonu gösterildi. Bizim fabrikasonumuz ve Si-etegrasyonu takip eden işlemleri içerir: (i) Nano-pürüzlü Si alttaşa sahip olmak için, AAO membranı sert maske malzemesi olarak kullanarak Si rekatif iyon oyma (RIE), (ii) düşük sıcaklıklı PA-ALD ile nano-pürüzlü Si üzerinde III-Nitrat filmlerin konformal olarak büyütülmesi, (iii) PA-ALD kaplamalı III-nitrat malzemelerin Silikon yüzeyinden plazma oyma kullanarak kaldırılması, ve (iv) uzun mesafeli dizili dikey III-nitrat HNC'lere sahip olmak için Silikonun çevresinin izotropik kuru oyulması. Nano-işlenmiş III-Nitrat malzemelerin malzeme özellikleri, benzer şekilde düşük sıcaklıklı PA-ALD'de büyütülmüş ince film emsalleri ile karşılaştırıldı. SEM resimleri, uzun sıralı dizilmiş III-Nitrat HNC dizisi başarılı bir şekilde Si(100) alttaşa entegre edildiğini ortaya koymuştur. TEM, GIXRD ve seçili alan electron difraksiyon (SAED) sonuçları III-Nitrat HNC'lerin hegzagonal wurtzite kristal yapıya sahip olduğunu kümülatif olarak gösterdi. XPS analizi ve yüksek çözünürlüklü taramalar III-Nitrat HNC'lerin farmasyonunun doğrulayan spesifik bağlanma enerjilerinde farklı elementler tespit etti. Tezin ikinci bölümü,alan seçmeli atomik katman birikimini kullanarak metal oksitlerin ince filmde kendi dizilişine değinmektedir(AS-ALD).Nanoölçüm süreç entegrasyonu yeni nesil cihazların gereksinimlerine uygun olarak nanodiziliş tekniklerini talep eder.Genellikle, çeşitli litografi teknikleri ile birlikte yukarıdan aşağıya eksiltici(etch) ya da katkı maddesi(biriktirme/kaldırma) prosesleri filmin desenleme işlemini elde etmek için kullanılır,bu, sürekli küçülen yanlış hizalama gereksinimleri nedeniyle gittikçe zorlaşır.Kritik üretim aşamalarında litografik hizalamanın karmaşıklık yükünü azaltmak için, seçici biriktirme ve seçici aşındırma gibi kendi kendine hizalı işlemler cazip çözümler sağlayabilir. Artımlı inhibisyon tabakası olarak indükte çift plazma (ICP) yetiştirilmiş florokarbon polimer filmi kullanarak AS-ALD'yi gerçekleştirmek için bir metodoloji gösteriyoruz.Florokarbon tabakası, alışılmış bir ICP-etch reaktöründe C4F8 besleme gazı kullanılarak büyütüldü. Yaklaşımımız ZnO, Al2O3, TiO2 ve HfO2 gibi metal oksitler için test edilmiştir. Ayrıca, TiO2'nin AS-ALD için büyüme önleyici tabakalar olarak poli (metil metakrilat) (PMMA) ve polivinilpirolidonu (PVP) araştırdık.ALD ile üretilen filmlere karşı polimer katmanlarının bloke edici özelliklerini araştırmak için temas açısı, XPS, spektroskopik elipsometre, enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ölçümleri yapıldı. Yapılan karakterizasyonlar, ZnO filmi 136 büyüme çevrimine kadar florokarbon tabakasında etkili bir blokajın gerçekleştirildiğini ortaya koydu.Diğer yandan,TiO2 ve Al2O3 büyümesi, geleneksel substrat yüzeylerindeki büyüme hızına eşit bir büyüme oranı ile neredeyse hiç gecikme göstermezken,florokarbon kaplı yüzeylerde HfO2 büyümesinde oldukça yavaş bir çekirdeklenme gözlemlendi. TiO2 için, PMMA maksimum incelenen büyüme döngüsüne kadar başarılı büyüme inhibisyonu ortaya koyarken, PVP ,TiO2 büyümesini 300 büyüme döngüsüne kadar bloke edebildi. Bu inhibisyon özelliğinden yararlanılarak ince film şekillenmesi, foto litografik olarak desenli florokarbon/Si numuneleri üzerinde ZnO filmlerinin büyütülmesi ile gösterildi.e-ışınlı litografi kullanılarak desenlendirilmiş bir PMMA maskeleme katmanı kullanarak TiO2'nin nano ölçekli desenli birikimini ayrıca kanıtlamış olduk.