Atomic layer deposition (ALD) is based on self-limiting surface reactions. This and cyclic process enable the growth of conformal thin films with precise thickness control and sharp interfaces. A multilayered thin film, which is nanolaminate, can be grown using ALD with tuneable electrical and optical properties to be exploited, for example, in the microelectromechanical systems. In this work, the tunability of the residual stress, adhesion, and mechanical properties of the ALD nanolaminates composed of aluminum oxide (Al2O3) and titanium dioxide (TiO2) films on silicon were explored as a function of growth temperature (110–300 °C), film thickness (20–300 nm), bilayer thickness (0.1–100 nm), and TiO2 content (0%–100%). Al2O3 was grown from Me3Al and H2O, and TiO2 from TiCl4 and H2O. According to wafer curvature measurements, Al2O3/TiO2 nanolaminates were under tensile stress; bilayer thickness and growth temperature were the major parameters affecting the stress; the residual stress decreased with increasing bilayer thickness and ALD temperature. Hardness increased with increasing ALD temperature and decreased with increasing TiO2 fraction. Contact modulus remained approximately stable. The adhesion of the nanolaminate film was good on silicon.

1.
R. L.
Puurunen
,
Chem. Vap. Deposition
20
,
332
(
2014
).
2.
A. A.
Malygin
,
V. E.
Drozd
,
A. A.
Malkov
, and
V. M.
Smirnov
,
Chem. Vap. Deposition
21
,
216
(
2015
).
3.
R. L.
Puurunen
,
J. Appl. Phys.
97
,
121301
(
2005
).
4.
H. B.
Profijt
,
S. E.
Potts
,
M. C. M.
van de Sanden
, and
W. M. M.
Kessels
,
J. Vac. Sci. Technol., A
29
,
50801
(
2011
).
5.
V.
Miikkulainen
,
M.
Leskelä
,
M.
Ritala
, and
R. L.
Puurunen
,
J. Appl. Phys.
113
,
021301
(
2013
).
6.
S. M.
George
,
Chem. Rev.
110
,
111
(
2010
).
7.
J. W.
Elam
,
D.
Routkevitch
,
P. P.
Mardilovich
, and
S. M.
George
,
Chem. Mater.
15
,
3507
(
2003
).
8.
F.
Gao
,
S.
Arpiainen
, and
R. L.
Puurunen
,
J. Vac. Sci. Technol., A
33
,
10601
(
2015
).
9.
M.
Ritala
,
M.
Leskelä
,
L.
Niinistö
,
T.
Prohaska
,
G.
Friedbacher
, and
M.
Grasserbauer
,
Thin Solid Films
249
,
155
(
1994
).
10.
D.
Riihelä
,
M.
Ritala
,
R.
Matero
, and
M.
Leskelä
,
Thin Solid Films
289
,
250
(
1996
).
11.
12.
J. W.
Elam
,
Z. A.
Sechrist
, and
S. M.
George
,
Thin Solid Films
414
,
43
(
2002
).
13.
D. R. G.
Mitchell
,
D. J.
Attard
,
K. S.
Finnie
,
G.
Triani
,
C. J.
Barbé
,
C.
Depagne
, and
J. R.
Bartlett
,
Appl. Surf. Sci.
243
,
265
(
2005
).
14.
S.
Sintonen
,
S.
Ali
,
O. M. E.
Ylivaara
,
R. L.
Puurunen
, and
H.
Lipsanen
,
J. Vac. Sci. Technol., A
32
,
01A111
(
2014
).
15.
O.
Sneh
,
R. B.
Clark-Phelps
,
A. R.
Londergan
,
J.
Winkler
, and
T. E.
Seidel
,
Thin Solid Films
402
,
248
(
2002
).
16.
S. V.
Zhukovsky
,
A.
Andryieuski
,
O.
Takayama
,
E.
Shkondin
,
R.
Malureanu
,
F.
Jensen
, and
A. V.
Lavrinenko
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
177402
(
2015
).
17.
J. I.
Skarp
, “
Combination film, in particular for thin film electroluminescent structures
,” U.S. patent 4,486,487 (4 December
1984
).
18.
T.
Suntola
and
J.
Hyvärinen
,
Annu. Rev. Mater. Sci.
15
,
177
(
1985
).
19.
A.
Rissanen
,
U.
Kantojärvi
,
M.
Blomberg
,
J.
Antila
, and
S.
Eränen
,
Sens. Actuator, A
182
,
130
(
2012
).
20.
S.
Zaitsu
,
T.
Jitsuno
,
M.
Nakatsuka
,
T.
Yamanaka
, and
S.
Motokoshi
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
2442
(
2002
).
21.
N.
Biluš Abaffy
,
D. G.
McCulloch
,
J. G.
Partridge
,
P. J.
Evans
, and
G.
Triani
,
J. Appl. Phys.
110
,
123514
(
2011
).
22.
N. Y.
Garces
,
D. J.
Meyer
,
V. D.
Wheeler
,
Z.
Liliental-Weber
,
D. K.
Gaskill
, and
C. R.
Eddy
,
J. Vac. Sci. Technol., B
32
,
03D101
(
2014
).
23.
A. P.
Alekhin
,
A. A.
Chouprik
,
S. A.
Gudkova
,
A. M.
Markeev
,
Y. Y.
Lebedinskii
,
Y. A.
Matveyev
, and
A. V.
Zenkevich
,
J. Vac. Sci. Technol., B
29
,
01A302
(
2011
).
24.
P. F.
Siles
,
M.
de Pauli
,
C. C.
Bof Bufon
,
S. O.
Ferreira
,
J.
Bettini
,
O. G.
Schmidt
, and
A.
Malachias
,
Nanotechnology
24
,
35702
(
2013
).
25.
I.
Jõgi
,
K.
Kukli
,
M.
Kemell
,
M.
Ritala
, and
M.
Leskelä
,
J. Appl. Phys.
102
,
114114
(
2007
).
26.
G.
Lee
,
B. K.
Lai
,
C.
Phatak
,
R. S.
Katiyar
, and
O.
Auciello
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
142901
(
2013
).
27.
Y. S.
Kim
and
S.
Jin Yun
,
J. Cryst. Growth
274
,
585
(
2005
).
28.
P. C.
Rowlette
and
C. A.
Wolden
,
Thin Solid Films
518
,
3337
(
2010
).
29.
W.
Li
,
O.
Auciello
,
R. N.
Premnath
, and
B.
Kabius
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
162907
(
2010
).
30.
W.
Li
,
Z.
Chen
,
R. N.
Premnath
,
B.
Kabius
, and
O.
Auciello
,
J. Appl. Phys.
110
,
24106
(
2011
).
31.
G.
Lee
,
B.-K.
Lai
,
C.
Phatak
,
R. S.
Katiyar
, and
O.
Auciello
,
J. Appl. Phys.
114
,
27001
(
2013
).
32.
I.
Petrov
,
P. B.
Barna
,
L.
Hultman
, and
J. E.
Greene
,
J. Vac. Sci. Technol., A
21
,
S117
(
2003
).
33.
D. M.
Hausmann
and
R. G.
Gordon
,
J. Cryst. Growth
249
,
251
(
2003
).
34.
Z. A.
Sechrist
,
F. H.
Fabreguette
,
O.
Heintz
,
T. M.
Phung
,
D. C.
Johnson
, and
S. M.
George
,
Chem. Mater.
17
,
3475
(
2005
).
35.
A.
Madan
,
Y.
Wang
,
S. A.
Barnett
,
C.
Engstroüm
,
H.
Ljungcrantz
,
L.
Hultman
, and
M.
Grimsditch
,
J. Appl. Phys.
84
,
776
(
1998
).
36.
M.
Ben Daia
,
P.
Aubert
,
S.
Labdi
,
C.
Sant
,
F. A.
Sadi
,
P.
Houdy
, and
J. L.
Bozet
,
J. Appl. Phys.
87
,
7753
(
2000
).
37.
R.
Raghavan
,
M.
Bechelany
,
M.
Parlinska
,
D.
Frey
,
W. M.
Mook
,
A.
Beyer
,
J.
Michler
, and
I.
Utke
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
191912
(
2012
).
38.
T.
Homola
,
V.
Buršíková
,
T. V.
Ivanova
,
P.
Souček
,
P. S.
Maydannik
,
D. C.
Cameron
, and
J. M.
Lackner
,
Surf. Coat. Technol.
284
,
198
(
2015
).
39.
I.
Iatsunskyi
,
E.
Coy
,
R.
Viter
,
G.
Nowaczyk
,
M.
Jancelewicz
,
I.
Baleviciute
,
K.
Załęski
, and
S.
Jurga
,
J. Phys. Chem. C
119
,
20591
(
2015
).
40.
E.
Marin
,
A.
Lanzutti
,
M.
Lekka
,
L.
Guzman
,
W.
Ensinger
, and
L.
Fedrizzi
,
Surf. Coat. Technol.
211
,
84
(
2012
).
41.
E.
Marin
,
L.
Guzman
,
A.
Lanzutti
,
W.
Ensinger
, and
L.
Fedrizzi
,
Thin Solid Films
522
,
283
(
2012
).
42.
R.
Matero
,
M.
Ritala
,
M.
Leskelä
,
T.
Salo
,
J.
Aromaa
, and
O.
Forsén
,
J. Phys. IV
9
,
493
(
1999
).
43.
E.
Marin
,
A.
Lanzutti
,
L.
Guzman
, and
L.
Fedrizzi
,
J. Coat. Technol. Res.
9
,
347
(
2012
).
44.
A. I.
Abdulagatov
,
Y.
Yan
,
J. R.
Cooper
,
Y.
Zhang
,
Z. M.
Gibbs
,
A. S.
Cavanagh
,
R. G.
Yang
,
Y. C.
Lee
, and
S. M.
George
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
3
,
4593
(
2011
).
45.
P. C.
Yashar
and
W. D.
Sproul
,
Vacuum
55
,
179
(
1999
).
46.
H. S.
Chang
,
S.
Jeon
,
H.
Hwang
, and
D. W.
Moon
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
3385
(
2002
).
47.
J.
Maula
,
K.
Härkönen
, and
A.
Nikolov
, “
Multilayer material and method of preparing same
,” U.S. patent 7,901,736 B2 (8 March
2011
).
48.
A.
Behrendt
,
J.
Meyer
,
P.
van de Weijer
,
T.
Gahlmann
,
R.
Heiderhoff
, and
T.
Riedl
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
4056
(
2016
).
49.
M.
Berdova
 et al,
Acta Mater.
66
,
370
(
2014
).
50.
L.
Kilpi
,
O. M. E.
Ylivaara
,
A.
Vaajoki
,
J.
Malm
,
S.
Sintonen
,
M.
Tuominen
,
R. L.
Puurunen
, and
H.
Ronkainen
,
J. Vac. Sci. Technol., A
34
,
01A124
(
2016
).
51.
T. O.
Kääriäinen
,
P. J.
Kelly
,
D. C.
Cameron
,
B.
Beake
,
H.
Li
,
P. M.
Barker
, and
C. F.
Struller
,
J. Vac. Sci. Technol., A
30
,
01A132
(
2012
).
52.
S.
Ali
,
T.
Juntunen
,
S.
Sintonen
,
O. M. E.
Ylivaara
,
R. L.
Puurunen
,
H.
Lipsanen
,
I.
Tittonen
, and
S.-P.
Hannula
,
Nanotechnology
27
,
445704
(
2016
).
53.
O. M. E.
Ylivaara
 et al,
Thin Solid Films
552
,
124
(
2014
).
54.
J.
Lyytinen
 et al,
Wear
342–343
,
270
(
2015
).
55.
R. L.
Puurunen
and
H.
Kattelus
, “
ALD ATO nanolaminates with adjustable electrical properties
,” in
ALD 2009, 9th International Conference on Atomic Layer Deposition
, Monterey, CA, 19–22 July (
2009
).
56.
M.
Laitinen
,
M.
Rossi
,
J.
Julin
, and
T.
Sajavaara
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
337
,
55
(
2014
).
57.
X.
Liu
,
E.
Haimi
,
S.-P.
Hannula
,
O. M. E.
Ylivaara
, and
R. L.
Puurunen
,
J. Vac. Sci. Technol., A
32
,
01A116
(
2014
).
58.
G. S.
Higashi
and
C. G.
Fleming
,
Appl. Phys. Lett.
55
,
1963
(
1989
).
59.
K.
Knapas
and
M.
Ritala
,
Crit. Rev. Solid State Mater. Sci.
38
,
167
(
2013
).
60.
T.
Weckman
and
K.
Laasonen
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
17322
(
2015
).
61.
R. L.
Puurunen
,
Appl. Surf. Sci.
245
,
6
(
2005
).
62.
T.
Sajavaara
,
J.
Malm
,
J.
Julin
,
M.
Laitinen
,
K.
Arstila
, and
R. L.
Puurunen
, “
Origin of hydrogen impurity in Al2O3 thin films grown by ALD using Me3Al and water (D2O, H2O) as precursors
,” in
AVS Topical Conference on Atomic Layer Deposition
(
2014
).
63.
S. I.
Kol'tsov
,
J. Appl. Chem. USSR
42
,
975
(
1969
).
64.
A. M.
Shevyakov
,
G. N.
Kuznetsova
, and
V. B.
Aleskovskii
, “
Interaction of titanium and germanium tetrachlorides with hydrated silica
,” in
Chemistry of High Temperature Materials. Proceedings of 2nd USSR Conference on High Temperature Chemistry of Oxides
, Leningrad, USSR, 26–29 November, 1965 (
1967
), pp.
162
168
.
65.
R. L.
Puurunen
,
Chem. Vap. Deposition
11
,
79
(
2005
).
66.
T.
Suntola
,
J.
Antson
,
A.
Pakkala
, and
S.
Lindfors
, “
Atomic layer epitaxy for producing EL-thin films
,” in
SID International Symposium on Digest of Technical Papers
(
1980
), pp.
108
109
.
67.
S. I.
Zaitsu
,
S.
Motokoshi
,
T.
Jitsuno
,
M.
Nakatsuka
, and
T.
Yamanaka
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
41
,
160
(
2002
).
68.
D. R. G.
Mitchell
,
G.
Triani
,
D. J.
Attard
,
K. S.
Finnie
,
P. J.
Evans
,
C. J.
Barbé
, and
J. R.
Bartlett
,
Smart Mater. Struct.
15
,
S57
(
2006
).
69.
M.
Laitinen
 et al,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
269
,
3021
(
2011
).
70.
V.
Fedorenko
,
I.
Iatsunskyi
,
M.
Pavlenko
,
M.
Jancelewicz
,
E.
Coy
, and
R.
Viter
,
Proc. SPIE
9649
,
96490
X (
2015
).
71.
R. L.
Puurunen
,
T.
Sajavaara
,
E.
Santala
,
V.
Miikkulainen
,
T.
Saukkonen
,
M.
Laitinen
, and
M.
Leskelä
,
J. Nanosci. Nanotechnol.
11
,
8101
(
2011
).
72.
R. L.
Puurunen
,
J.
Saarilahti
, and
H.
Kattelus
,
ECS Trans.
11
,
3
(
2007
).
73.
S. K.
Kim
,
S.
Hoffmann-Eifert
,
M.
Reiners
, and
R.
Waser
,
J. Electrochem. Soc.
158
,
D6
(
2011
).
74.
R. L.
Puurunen
and
W.
Vandervorst
,
J. Appl. Phys.
96
,
7686
(
2004
).
75.
V. S.
Lusvardi
,
M. A.
Barteau
,
W. R.
Dolinger
, and
W. E.
Farneth
,
J. Phys. Chem.
100
,
18183
(
1996
).
76.
G. D.
Parfitt
, “
The surface of titanium dioxide
,” in
Progress in Surface and Membrane Science
, edited by
D. A.
Cadenhead
(
Academic
,
New York
,
1976
), Vol.
11
, pp.
181
226
.
77.
R. L.
Puurunen
,
M.
Lindblad
,
A.
Root
, and
A. O. I.
Krause
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
3
,
1093
(
2001
).
78.
M. F.
Doerner
and
W. D.
Nix
,
CRC Crit. Rev. Solid State Mater. Sci.
14
,
225
(
1988
).
You do not currently have access to this content.