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Atomic layer deposition and characterization of metal oxide thin films

Atomlagenabscheidung und Charakterisierung von Metalloxid-Dünnfilmen

  • This thesis describes low temperature growth of wide band gap metal oxide thin films deposited by thermal (T-) and plasma-enhanced (PE-) atomic layer deposition (ALD) techniques in which high quality materials are grown with atomic level precision. Metal oxides are extensively investigated due to their exceptional physical and chemical properties, including relatively wide band gap, high dielectric constant and high thermal stability. This variety of properties results in a wide range of different applications. Thin films of indium oxide (InOx), gallium oxide (GaOx), zinc oxide (ZnOx), and quaternary InOx/GaOx/ZnOx (IGZO), in addition to the well-known aluminum oxide (AlOx), and the catalyst cerium oxide (CeOx), have proven to be superior candidates for many applications; from microelectronics and optoelectronics to gas sensor devices. The demanding requirements of low-temperature deposition processes for thermal sensitive substrates, which include high layer homogeneity and conformality over large areas, makes ALD a pioneerThis thesis describes low temperature growth of wide band gap metal oxide thin films deposited by thermal (T-) and plasma-enhanced (PE-) atomic layer deposition (ALD) techniques in which high quality materials are grown with atomic level precision. Metal oxides are extensively investigated due to their exceptional physical and chemical properties, including relatively wide band gap, high dielectric constant and high thermal stability. This variety of properties results in a wide range of different applications. Thin films of indium oxide (InOx), gallium oxide (GaOx), zinc oxide (ZnOx), and quaternary InOx/GaOx/ZnOx (IGZO), in addition to the well-known aluminum oxide (AlOx), and the catalyst cerium oxide (CeOx), have proven to be superior candidates for many applications; from microelectronics and optoelectronics to gas sensor devices. The demanding requirements of low-temperature deposition processes for thermal sensitive substrates, which include high layer homogeneity and conformality over large areas, makes ALD a pioneer deposition technique. Although many oxides have been grown by TALD and PEALD, the deposition of wide band gap oxides at low temperatures are rarely reported and/or being investigated. In this work, the deposition method of the individual binary oxide films and combining the respective binary processes into the developed super-cycle growth of quaternary compound have been investigated at relatively low-temperatures by TALD and PEALD. Besides, the growth characteristics and chemical properties of the deposited films were evaluated by in-situ and ex-situ characterization techniques such as spectroscopic ellipsometry (SE) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), where the influence of ALD process parameters on the growth mechanism and films composition are discussed in detail for any potential applications.show moreshow less
  • Diese Dissertation beschreibt das Tieftemperaturwachstum von Metalloxid-Dünnfilmen mit breiter Bandlücke, die durch thermische (T-) und plasmaunterstützte (PE-) Atomlagenabscheidungstechniken (ALD) abgeschieden werden, bei denen hochwertige Materialien mit atomarer Präzision aufgewachsen werden. Metalloxide werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften, einschließlich einer relativ großen Bandlücke, einer hohen Dielektrizitätskonstante und einer hohen thermischen Stabilität, ausführlich untersucht. Aus dieser Vielfalt an Eigenschaften ergibt sich ein breites Spektrum an unterschiedlichen Anwendungen. Dünnfilme aus Indiumoxid (InOx), Galliumoxid (GaOx), Zinkoxid (ZnOx) und quaternärem InOx/GaOx/ZnOx (IGZO), zusätzlich zu dem wohlbekannten Aluminiumoxid (AlOx) und dem Katalysator Ceroxid (CeOx), haben sich für viele Anwendungen als ausgezeichnete Kandidaten erwiesen; von der Mikroelektronik und Optoelektronik bis hin zu Gassensorgeräten. Die anspruchsvollen Anforderungen vonDiese Dissertation beschreibt das Tieftemperaturwachstum von Metalloxid-Dünnfilmen mit breiter Bandlücke, die durch thermische (T-) und plasmaunterstützte (PE-) Atomlagenabscheidungstechniken (ALD) abgeschieden werden, bei denen hochwertige Materialien mit atomarer Präzision aufgewachsen werden. Metalloxide werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften, einschließlich einer relativ großen Bandlücke, einer hohen Dielektrizitätskonstante und einer hohen thermischen Stabilität, ausführlich untersucht. Aus dieser Vielfalt an Eigenschaften ergibt sich ein breites Spektrum an unterschiedlichen Anwendungen. Dünnfilme aus Indiumoxid (InOx), Galliumoxid (GaOx), Zinkoxid (ZnOx) und quaternärem InOx/GaOx/ZnOx (IGZO), zusätzlich zu dem wohlbekannten Aluminiumoxid (AlOx) und dem Katalysator Ceroxid (CeOx), haben sich für viele Anwendungen als ausgezeichnete Kandidaten erwiesen; von der Mikroelektronik und Optoelektronik bis hin zu Gassensorgeräten. Die anspruchsvollen Anforderungen von Niedertemperatur-Abscheidungsprozessen für thermisch empfindliche Substrate, zu denen eine hohe Schichthomogenität und -konformität über große Flächen gehören, machen ALD zu einer bahnbrechenden Abscheidungstechnik. Obwohl viele Oxide durch TALD und PEALD gezüchtet wurden, wird die Abscheidung von Oxiden mit breiter Bandlücke bei niedrigen Temperaturen selten berichtet oder untersucht. In dieser Arbeit wurden das Abscheidungsverfahren der einzelnen binären Oxidfilme und die Kombination der jeweiligen binären Prozesse zu dem entwickelten Superzyklus-Wachstum der quaternären Verbindung bei relativ niedrigen Temperaturen durch TALD und PEALD untersucht. Außerdem wurden die Wachstumseigenschaften und chemischen Eigenschaften der abgeschiedenen Filme durch In-situ- und Ex-situ-Charakterisierungstechniken wie spektroskopische Ellipsometrie (SE) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) bewertet. Dabei wurde der Einfluss von ALD-Prozessparametern auf den Wachstumsmechanismus und der Filmzusammensetzung im Detail für mögliche Anwendungen diskutiert.show moreshow less

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Metadaten
Author: Ali MahmoodinezhadORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-61343
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6134
Referee / Advisor:Prof. Dr. Jan Ingo FlegeORCiD, Prof. Dr. Joachim WollschlägerORCiD, Prof. Dr. Christian WengerORCiD
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2022
Date of final exam:2022/10/27
Release Date:2022/11/07
Tag:AlOx; CeOx; IGZO; Plasmaunterstützte Atomlagenabscheidung; Thermische Atomlagenabscheidung
Aluminum oxide; Cerium oxide; Indium gallium zinc oxide; Plasma-enhanced atomic layer deposition; Thermal atomic layer deposition
GND Keyword:Tieftemperatur; Atomlagenabscheidung; Beschichtung; Metallschicht; Dünne Schicht; Aluminiumoxide; Ceroxide; Indiumoxide
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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