Role of substrates morphology and chemistry in ALD HfO₂ on Si(111)-H terminated surfaces as model

Rolle der Substratmorphologie und –chemie bei der Atomlagenabscheidung HfO₂ auf einer Si(111)-H terminierten Oberfläche als Modellsystem

  • This work presents an approach to investigate fundamental aspects concerning the early stage of the atomic layer deposition (ALD) growth process on stepped surfaces. The first interaction between precursors and surface is strongly important for the ALD growth that it is still far away from the status to be completely understood. For this purpose, a few ALD-cycles withtetrakis(dimethylamido)hafnium (TDMAH) and trimethylaluminum (TMA) as metallic precursors and water (H₂O) as oxidant has been performed in order to study the initial metal oxide film growth on stepped surfaces such as silicon Si(111)-H terminated, highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) and silver deposited HOPG (Ag-HOPG). These investigations have been carried out at various substrate temperatures, where scanning tunneling microscopy (STM) has been used systematically to probe the ALD features. This technique is delivering unique knowledge about the locality and the density of nucleation’s sites on the different substrates. The data collected are then subjected to aThis work presents an approach to investigate fundamental aspects concerning the early stage of the atomic layer deposition (ALD) growth process on stepped surfaces. The first interaction between precursors and surface is strongly important for the ALD growth that it is still far away from the status to be completely understood. For this purpose, a few ALD-cycles withtetrakis(dimethylamido)hafnium (TDMAH) and trimethylaluminum (TMA) as metallic precursors and water (H₂O) as oxidant has been performed in order to study the initial metal oxide film growth on stepped surfaces such as silicon Si(111)-H terminated, highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) and silver deposited HOPG (Ag-HOPG). These investigations have been carried out at various substrate temperatures, where scanning tunneling microscopy (STM) has been used systematically to probe the ALD features. This technique is delivering unique knowledge about the locality and the density of nucleation’s sites on the different substrates. The data collected are then subjected to a mathematical model to understand the growth and to determine the effect of the surface morphology and chemistry on the behavior of the nucleation. The in-situ cycle-by-cycle STM investigation of 4 initial ALD cycles of TDMAH and H₂O on Si(111)-H terminated at room temperature (RT) and at 280°C displays two regimes of growth: In Regime I (1st - 2nd cycle) an increase in roughness in the first cycle to 0.2nm and 0.34nm respectively for RT and 280°C with a partial surface coverage of 71% and 54% is observed. In the 2nd cycle, the coverage increased to ~98% and 94% maintaining the same film height of the 1st cycle. A complete layer is formed in this regime. The results are discussed in reference to the Puurunen model. Following this model, the determination of the reaction mechanism in relation to the number of Hf atoms/nm² attached to the surface reveals that two ligands exchanges occur at RT and one ligand exchange at 280°C in the first regime. In addition, the origin of the reaction saturation was determined to be caused by the steric hindrance effect. In this first regime, the growth model is governed by random deposition followed by Mullins diffusion as determined from the universal values found for the roughness dynamic exponents (α, β, 1/z) of the film.show moreshow less
  • Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer Methode, die fundamentalen Aspekte des anfänglichen Schichtwachstums auf gestuften Oberflächen während des Prozesses der Atomlagenabscheidung (ALD) zu untersuchen. Die initiale Wechselwirkung zwischen den Präkursoren und der Oberfläche ist entscheidend für das ALD-Wachstum, wobei diese Wechselwirkung noch nicht komplett verstanden wird. Zu diesem Zweck wurden einige ALD-Zyklen mit Tetrakis(dimethylamido)hafnium (TDMAH) und Trimethylaluminium (TMA) als metallische Präkursoren und Wasser (H₂O) als Oxidant durchgeführt, um das initiale Filmwachstum von Metalloxiden auf gestuften Oberflächen zu untersuchen. Als Oberflächen kamen dabei Wasserstoff-terminiertes Silizium(111), HOPG (HOPG: ‚highly oriented pyrolytic graphite‘) und mit Silber beschichtetes HOPG (Ag-HOPG) zum Einsatz. Diese Untersuchungen wurden an Schichten, die mit verschiedenen Substrattemperaturen gewachsen wurden, durchgeführt, wobei die Methode der Rastertunnelmikroskopie (RTM, englisch STM für ‚scanning tunneling microscopy‘)Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer Methode, die fundamentalen Aspekte des anfänglichen Schichtwachstums auf gestuften Oberflächen während des Prozesses der Atomlagenabscheidung (ALD) zu untersuchen. Die initiale Wechselwirkung zwischen den Präkursoren und der Oberfläche ist entscheidend für das ALD-Wachstum, wobei diese Wechselwirkung noch nicht komplett verstanden wird. Zu diesem Zweck wurden einige ALD-Zyklen mit Tetrakis(dimethylamido)hafnium (TDMAH) und Trimethylaluminium (TMA) als metallische Präkursoren und Wasser (H₂O) als Oxidant durchgeführt, um das initiale Filmwachstum von Metalloxiden auf gestuften Oberflächen zu untersuchen. Als Oberflächen kamen dabei Wasserstoff-terminiertes Silizium(111), HOPG (HOPG: ‚highly oriented pyrolytic graphite‘) und mit Silber beschichtetes HOPG (Ag-HOPG) zum Einsatz. Diese Untersuchungen wurden an Schichten, die mit verschiedenen Substrattemperaturen gewachsen wurden, durchgeführt, wobei die Methode der Rastertunnelmikroskopie (RTM, englisch STM für ‚scanning tunneling microscopy‘) systematisch angewendet wurde, um die ALD spezifischen Besonderheiten zu erforschen. Diese Technik liefert einzigartige Erkenntnisse über die örtliche Verteilung von Wachstumskeimen und deren Dichte auf verschiedenen Substraten. Die gemessenen Daten wurden anschließend mit einem mathematischen Modell korreliert, um das Wachstum zu verstehen und den Einfluss der Oberflächenmorphologie und –chemie auf das Keimbildungsverhalten zu bestimmen. Die Zyklus für Zyklus durchgeführten in-situ STM-Untersuchungen der ersten 4 ALD-Zyklen von TDMAH und H₂O auf Wasserstoff-terminierten Si(111) bei Raumtemperatur (RT) und 280°C (Substrattemperatur) liefern zwei Wachstumsregimes: Im ersten Regime (I, erster und zweiter ALD-Zyklus) erhöht sich die Oberflächenrauigkeit im ersten Zyklus auf 0,2nm (RT) bzw. 0,34nm (280°C) mit einer partiellen Oberflächenbedeckung von 71% (RT) bzw. 54% (280°C). Nach dem zweiten Zyklus erhöht sich die Oberflächenbedeckung auf 98% (RT) bzw. 94% (280°C), wobei die gleiche Filmdicke wie im ersten Zyklus beibehalten wird. In diesem Regime wird eine komplette Schicht gebildet. Die Ergebnisse wurden auf Basis des Puurunen-Modells diskutiert. Dabei wurde bei der Untersuchung der Reaktionsmechanismen in Abhängigkeit der auf der Oberfläche haftenden Hafnium-Atome (pro nm²) festgestellt, dass im ersten Regime zwei Liganden-Austauschprozesse bei RT und ein Liganden-Austauschprozess bei 280°C stattfinden. Zusätzlich wurde herausgefunden, dass die Reaktionssättigung durch sterische Behinderung determiniert ist. Die Analyse der universellen dynamischen Rauigkeitsexponenten (α, β, 1/z) der Filme führt zum Schluss, dass in diesem ersten Regime das Wachstum durch eine willkürliche Beschichtung gefolgt von der Mullins-Diffusion bestimmt wird.show moreshow less

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Metadaten
Author: Zied Rouissi
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42418
Referee / Advisor:Prof. Dr. Dieter Schmeißer, Prof. Dr. Ehrenfried Zschech, Prof. Dr. Christian Pettenkofer
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Date of final exam:2017/05/30
Release Date:2017/07/10
Tag:Gestufte Oberfläche; Morphologie; Rastertunnelmikroskopie (RTM); Wachstumsstatistik
ALD; Growth statistics; Morphology; STM; Stepped surface
GND Keyword:Halbleiteroberfläche; Schichtwachstum; Atomlagenabscheidung; Rastertunnelmikroskopie
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Angewandte Physik und Halbleiterspektroskopie
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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