Die vorliegende Arbeit befasst sich mit neuartigen Kupfer(I)- und Ruthenium(II)-komplexen und deren Verwendung als CVD-/ALD-Precursoren. Die Synthese Lewis-Basen-stabilisierter Kupfer(I)-β-Diketonat- bzw. -Carboxylat-Komplexe des Typs [LnMX] (M = Cu(I), X = Acetylacetonat, Iminopentenolat, Carboxylat; L = Phosphan PR3, Phos-phit P(OR)3; R = einbindiger, organischer Rest) standen hierbei im Vordergrund. Verbin-dungen des Typs [(PR3)MX] dienten als Ausgangsverbindungen zur Darstellung einkerni-ger Komplexe mit σ Donorliganden. Durch die Wahl der Lewis-Base sowie des β-Diketonato- bzw. Carboxylato-Fragmentes war es möglich, Einfluss auf die Eigenschaften der erhaltenen Komplexe zu nehmen. Somit waren auch die Untersuchung der thermischen Eigenschaften sowie das Abscheideverhalten der Komplexe während der MOCVD zu ana-lysieren. Thermogravimetrische Untersuchungen bzw. MOCVD-Versuche liessen Rück-schlüsse auf die Eignung der Komplexe des Typs [(PR3)MX] zur Abscheidung elementa-ren Kupfers zu. Des Weiteren wurde die Eignung von Ruthenium-Komplexen des Typs RuX2 (X = substituierte Cyclopentadienyle, 2,4-Dimethylpentadienyl, 4-Methylpent-3-en-2-on-yl) zur Erzeugung von elementaren bzw. oxidierten Rutheniums während MOCVD-Versuchen untersucht. Vorhergehende thermische Untersuchungen an den synthetisierten Komplexen liessen erste Rückschlüsse auf deren Eigenschaften zu. Da der Dampfdruck der für CVD-Zwecke eingesetzten Precursoren besonders interessant ist, wurden diese für die verwendeten Ruthenium-Komplexe bestimmt und sowohl untereinander als auch mit Lite-raturwerten verglichen. Ausgewählte Ruthenium-Komplexe wurden zur Erzeugung metal-lischer oder oxidischer Schichten während MOCVD-Versuchen eingesetzt.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit neuartigen Kupfer(I)- und Ruthenium(II)-komplexen und deren Verwendung als CVD-/ALD-Precursoren. Die Synthese Lewis-Basen-stabilisierter Kupfer(I)-β-Diketonat- bzw. -Carboxylat-Komplexe des Typs [LnMX] (M = Cu(I), X = Acetylacetonat, Iminopentenolat, Carboxylat; L = Phosphan PR3, Phos-phit P(OR)3; R = einbindiger, organischer Rest) standen hierbei im Vordergrund. Verbin-dungen des Typs [(PR3)MX] dienten als Ausgangsverbindungen zur Darstellung einkerni-ger Komplexe mit σ Donorliganden. Durch die Wahl der Lewis-Base sowie des β-Diketonato- bzw. Carboxylato-Fragmentes war es möglich, Einfluss auf die Eigenschaften der erhaltenen Komplexe zu nehmen. Somit waren auch die Untersuchung der thermischen Eigenschaften sowie das Abscheideverhalten der Komplexe während der MOCVD zu ana-lysieren. Thermogravimetrische Untersuchungen bzw. MOCVD-Versuche liessen Rück-schlüsse auf die Eignung der Komplexe des Typs [(PR3)MX] zur Abscheidung elementa-ren Kupfers zu. Des Weiteren wurde die Eignung von Ruthenium-Komplexen des Typs RuX2 (X = substituierte Cyclopentadienyle, 2,4-Dimethylpentadienyl, 4-Methylpent-3-en-2-on-yl) zur Erzeugung von elementaren bzw. oxidierten Rutheniums während MOCVD-Versuchen untersucht. Vorhergehende thermische Untersuchungen an den synthetisierten Komplexen liessen erste Rückschlüsse auf deren Eigenschaften zu. Da der Dampfdruck der für CVD-Zwecke eingesetzten Precursoren besonders interessant ist, wurden diese für die verwendeten Ruthenium-Komplexe bestimmt und sowohl untereinander als auch mit Lite-raturwerten verglichen. Ausgewählte Ruthenium-Komplexe wurden zur Erzeugung metal-lischer oder oxidischer Schichten während MOCVD-Versuchen eingesetzt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von Kupfer(I)- und Silber(I)- Carboxylaten der Form [MO2CR] und [LmMO2CR] (L = 2-Elektronen-Donorligand; m = 1, 2, 3; M = Cu, Ag; R = org. Rest). Die Verwendung dieser Komplexe zur Abscheidung von Metallen wird anhand ausgewählter Verbindungen mittels unterschiedlicher Abscheideprozesse beschrieben. Die Darstellung von neuartigen Ethinylferrocen-funktionalisierten Phosphanen und deren Koordinationsverhalten in Bezug auf Übergangsmetalle ebenfalls Thema der Arbeit. Das elektrochemische Verhalten wurde mittels Cyclovoltammetrie näher untersucht und der Einsatz von Ethinylferrocen-funktionalisierten Phosphan-Palladium(II)-Komplexen in der Suzuki- Miyaura- und Heck-Mizoroki-Kreuzkupplungsreaktion getestet. 2,2’-Bipyrimidin als Chelat- bzw. als μ-1,2,3,4-verbrückender Ligand ist in der Lage heterotetrametallische Übergangsmetallkomplexe mit z. B. Platin(II)-Bisalkinyleinheiten zu bilden. An ausgewählten Verbindungen werden die elektrochemischen Eigenschaften vorgestellt. Weiterer Bestandteil dieser Arbeit ist die Synthese und Charakterisierung von heterobimetallischen Komplexen aufgegriffen, in welchen frühe und späte Übergangsmetalle über eine Fulvalenideinheit verknüpft sind.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von Kupfer(I)- und Silber(I)- Carboxylaten der Form [MO2CR] und [LmMO2CR] (L = 2-Elektronen-Donorligand; m = 1, 2, 3; M = Cu, Ag; R = org. Rest). Die Verwendung dieser Komplexe zur Abscheidung von Metallen wird anhand ausgewählter Verbindungen mittels unterschiedlicher Abscheideprozesse beschrieben. Die Darstellung von neuartigen Ethinylferrocen-funktionalisierten Phosphanen und deren Koordinationsverhalten in Bezug auf Übergangsmetalle ebenfalls Thema der Arbeit. Das elektrochemische Verhalten wurde mittels Cyclovoltammetrie näher untersucht und der Einsatz von Ethinylferrocen-funktionalisierten Phosphan-Palladium(II)-Komplexen in der Suzuki- Miyaura- und Heck-Mizoroki-Kreuzkupplungsreaktion getestet. 2,2’-Bipyrimidin als Chelat- bzw. als μ-1,2,3,4-verbrückender Ligand ist in der Lage heterotetrametallische Übergangsmetallkomplexe mit z. B. Platin(II)-Bisalkinyleinheiten zu bilden. An ausgewählten Verbindungen werden die elektrochemischen Eigenschaften vorgestellt. Weiterer Bestandteil dieser Arbeit ist die Synthese und Charakterisierung von heterobimetallischen Komplexen aufgegriffen, in welchen frühe und späte Übergangsmetalle über eine Fulvalenideinheit verknüpft sind.

The following is the accepted manuscript of the original article: Marcel Melzer, Thomas Waechtler, Steve Müller, Holger Fiedler, Sascha Hermann, Raul D. Rodriguez, Alexander Villabona, Andrea Sendzik, Robert Mothes, Stefan E. Schulz, Dietrich R.T. Zahn, Michael Hietschold, Heinrich Lang and Thomas Gessner “Copper oxide atomic layer deposition on thermally pretreated multi-walled carbon nanotubes for interconnect applications”, Microelectron. Eng. 107, 223-228 (2013). Digital Object Identifier: 10.1016/j.mee.2012.10.026 Available via http://www.sciencedirect.com or http://dx.doi.org/10.1016/j.mee.2012.10.026 © 2013 Elsevier B.V. Carbon nanotubes (CNTs) are a highly promising material for future interconnects. It is expected that a decoration of the CNTs with Cu particles or also the filling of the interspaces between the CNTs with Cu can enhance the performance of CNT-based interconnects. The current work is therefore considered with thermal atomic layer deposition (ALD) of CuxO from the liquid Cu(I) β-diketonate precursor [(nBu3P)2Cu(acac)] and wet oxygen at 135°C. This paper focuses on different thermal in-situ pre-treatments of the CNTs with O2, H2O and wet O2 at temperatures up to 300°C prior to the ALD process. Analyses by transmission electron microscopy show that in most cases the CuxO forms particles on the multi-walled CNTs (MWCNTs). This behavior can be explained by the low affinity of Cu to form carbides. Nevertheless, also the formation of areas with rather layer-like growth was observed in case of an oxidation with wet O2 at 300°C. This growth mode indicates the partial destruction of the MWCNT surface. However, the damages introduced into the MWCNTs during the pre treatment are too low to be detected by Raman spectroscopy.

Carbon nanotubes (CNTs) are a highly promising material for future interconnects. It is expected that the decoration of CNTs with Cu particles or also the filling of the interspaces between the CNTs with Cu instead of the currently used SiO2 can enhance the performance of CNT-based interconnects. Due to the high aspect ratio of CNTs an appropriate deposition technique has to be applied which is able to coat such structures uniformly. The current work is therefore considered with thermal atomic layer deposition (ALD) of CuxO from the liquid Cu (I) β-diketonate precursor [(nBu3P)2Cu(acac)] and wet oxygen at 135°C on variously pretreated multi-walled CNTs. The different in-situ pre-treatments of the CNTs with oxygen, water vapor and wet oxygen in a temperature range from 100 to 300°C at a pressure of 1.33 mbar have been carried out prior to the ALD to enable uniform nucleation on the otherwise chemical inert CNT surface. The reduction of the CuxO as well as the filling of the space between the CNTs is not part of this work. Variations of the oxidation temperature as well as the oxidation agents resulted in different growth modes of the CuxO. An oxidation with wet oxygen at 300°C yielded in a partially layer like growth of the CuxO. It is expected that this growth mode is connected to a partial destruction of the outer CNT shell due to the oxidation. However, the damage introduced to the CNTs was not high enough to be detected by Raman spectroscopy. For all other investigated pretreatments, the formation of nanoparticles (NPs) was observed by electron microscopy. This formation of CuxO NPs can be explained by the metal-tube-interaction. Furthermore, the NPs probably decorate defect sites of the CNTs due to their higher reactivity. Additionally, analysis of energy-dispersive X-ray spectroscopy and spectroscopic ellipsometry measurements suggests that the used precursor [(nBu3P)2Cu(acac)] requires reactive oxygen surface groups for initiating the ALD growth. The observation of layer-like growth of CuxO on CNTs pretreated with wet oxygen at 300°C appears promising for deposition processes of Cu seed layers on CNTs. However, more aggressive pretreatments at higher temperatures or with more aggressive oxidation agents could be required to enable layer like growth on the entire CNTs.

The atomic layer deposition (ALD) of copper oxide films from [(ⁿBu₃P)₂Cu(acac)] and wet oxygen on SiO₂ and TaN has been studied in detail by spectroscopic ellipsometry and atomic force microscopy. The results suggest island growth on SiO₂, along with a strong variation of the optical properties of the films in the early stages of the growth and signs of quantum confinement, typical for nanocrystals. In addition, differences both in growth behavior and film properties appear on dry and wet thermal SiO₂. Electron diffraction together with transmission electron microscopy shows that nanocrystalline Cu₂O with crystallites < 5 nm is formed, while upon prolonged electron irradiation the films decompose and metallic copper crystallites of approximately 10 nm precipitate. On TaN, the films grow in a linear, layer-by-layer manner, reproducing the initial substrate roughness. Saturated growth obtained at 120&deg;C on TaN as well as dry and wet SiO₂ indicates well-established ALD growth regimes. <br> &copy; 2009 The Electrochemical Society. All rights reserved.

Copper-based multi-level metallization systems in today’s ultralarge-scale integrated electronic circuits require the fabrication of diffusion barriers and conductive seed layers for the electrochemical metal deposition. Such films of only several nanometers in thickness have to be deposited void-free and conformal in patterned dielectrics. The envisaged further reduction of the geometric dimensions of the interconnect system calls for coating techniques that circumvent the drawbacks of the well-established physical vapor deposition. The atomic layer deposition method (ALD) allows depositing films on the nanometer scale conformally both on three-dimensional objects as well as on large-area substrates. The present work therefore is concerned with the development of an ALD process to grow copper oxide films based on the metal-organic precursor bis(tri-n-butylphosphane)copper(I)acetylacetonate [(nBu3P)2Cu(acac)]. This liquid, non-fluorinated β-diketonate is brought to react with a mixture of water vapor and oxygen at temperatures from 100 to 160°C. Typical ALD-like growth behavior arises between 100 and 130°C, depending on the respective substrate used. On tantalum nitride and silicon dioxide substrates, smooth films and self-saturating film growth, typical for ALD, are obtained. On ruthenium substrates, positive deposition results are obtained as well. However, a considerable intermixing of the ALD copper oxide with the underlying films takes place. Tantalum substrates lead to a fast self-decomposition of the copper precursor. As a consequence, isolated nuclei or larger particles are always obtained together with continuous films. The copper oxide films grown by ALD can be reduced to copper by vapor-phase processes. If formic acid is used as the reducing agent, these processes can already be carried out at similar temperatures as the ALD, so that agglomeration of the films is largely avoided. Also for an integration with subsequent electrochemical copper deposition, the combination of ALD copper and ruthenium proves advantageous, especially with respect to the quality of the electroplated films and their filling behavior in interconnect structures. Furthermore, the ALD process developed also bears potential for an integration with carbon nanotubes. / Kupferbasierte Mehrlagenmetallisierungssysteme in heutigen hochintegrierten elektronischen Schaltkreisen erfordern die Herstellung von Diffusionsbarrieren und leitfähigen Keimschichten für die galvanische Metallabscheidung. Diese Schichten von nur wenigen Nanometern Dicke müssen konform und fehlerfrei in strukturierten Dielektrika abgeschieden werden. Die sich abzeichnende weitere Verkleinerung der geometrischen Dimensionen des Leitbahnsystems erfordert Beschichtungstechnologien, die vorhandene Nachteile der bisher etablierten Physikalischen Dampfphasenabscheidung beheben. Die Methode der Atomlagenabscheidung (ALD) ermöglicht es, Schichten im Nanometerbereich sowohl auf dreidimensional strukturierten Objekten als auch auf großflächigen Substraten gleichmäßig herzustellen. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung eines ALD-Prozesses zur Abscheidung von Kupferoxidschichten, ausgehend von der metallorganischen Vorstufe Bis(tri-n-butylphosphan)kupfer(I)acetylacetonat [(nBu3P)2Cu(acac)]. Dieses flüssige, nichtfluorierte β-Diketonat wird bei Temperaturen zwischen 100 und 160°C mit einer Mischung aus Wasserdampf und Sauerstoff zur Reaktion gebracht. ALD-typisches Schichtwachstum stellt sich in Abhängigkeit des gewählten Substrats zwischen 100 und 130°C ein. Auf Tantalnitrid- und Siliziumdioxidsubstraten werden dabei sehr glatte Schichten bei gesättigtem Wachstumsverhalten erhalten. Auch auf Rutheniumsubstraten werden gute Abscheideergebnisse erzielt, jedoch kommt es hier zu einer merklichen Durchmischung des ALD-Kupferoxids mit dem Untergrund. Tantalsubstrate führen zu einer schnellen Selbstzersetzung des Kupferprecursors, in dessen Folge neben geschlossenen Schichten während der ALD auch immer isolierte Keime oder größere Partikel erhalten werden. Die mittels ALD gewachsenen Kupferoxidschichten können in Gasphasenprozessen zu Kupfer reduziert werden. Wird Ameisensäure als Reduktionsmittel genutzt, können diese Prozesse bereits bei ähnlichen Temperaturen wie die ALD durchgeführt werden, so dass Agglomeration der Schichten weitgehend verhindert wird. Als besonders vorteilhaft für die Ameisensäure-Reduktion erweisen sich Rutheniumsubstrate. Auch für eine Integration mit nachfolgenden Galvanikprozessen zur Abscheidung von Kupfer zeigen sich Vorteile der Kombination ALD-Kupfer/Ruthenium, insbesondere hinsichtlich der Qualität der erhaltenen galvanischen Schichten und deren Füllverhalten in Leitbahnstrukturen. Der entwickelte ALD-Prozess besitzt darüber hinaus Potential zur Integration mit Kohlenstoffnanoröhren.

The atomic layer deposition (ALD) of copper oxide films from [(ⁿBu₃P)₂Cu(acac)] and wet oxygen on SiO₂ and TaN has been studied in detail by spectroscopic ellipsometry and atomic force microscopy. The results suggest island growth on SiO₂, along with a strong variation of the optical properties of the films in the early stages of the growth and signs of quantum confinement, typical for nanocrystals. In addition, differences both in growth behavior and film properties appear on dry and wet thermal SiO₂. Electron diffraction together with transmission electron microscopy shows that nanocrystalline Cu₂O with crystallites < 5 nm is formed, while upon prolonged electron irradiation the films decompose and metallic copper crystallites of approximately 10 nm precipitate. On TaN, the films grow in a linear, layer-by-layer manner, reproducing the initial substrate roughness. Saturated growth obtained at 120&deg;C on TaN as well as dry and wet SiO₂ indicates well-established ALD growth regimes. <br> &copy; 2009 The Electrochemical Society. All rights reserved.

Copper-based multi-level metallization systems in today’s ultralarge-scale integrated electronic circuits require the fabrication of diffusion barriers and conductive seed layers for the electrochemical metal deposition. Such films of only several nanometers in thickness have to be deposited void-free and conformal in patterned dielectrics. The envisaged further reduction of the geometric dimensions of the interconnect system calls for coating techniques that circumvent the drawbacks of the well-established physical vapor deposition. The atomic layer deposition method (ALD) allows depositing films on the nanometer scale conformally both on three-dimensional objects as well as on large-area substrates. The present work therefore is concerned with the development of an ALD process to grow copper oxide films based on the metal-organic precursor bis(tri-n-butylphosphane)copper(I)acetylacetonate [(nBu3P)2Cu(acac)]. This liquid, non-fluorinated β-diketonate is brought to react with a mixture of water vapor and oxygen at temperatures from 100 to 160°C. Typical ALD-like growth behavior arises between 100 and 130°C, depending on the respective substrate used. On tantalum nitride and silicon dioxide substrates, smooth films and self-saturating film growth, typical for ALD, are obtained. On ruthenium substrates, positive deposition results are obtained as well. However, a considerable intermixing of the ALD copper oxide with the underlying films takes place. Tantalum substrates lead to a fast self-decomposition of the copper precursor. As a consequence, isolated nuclei or larger particles are always obtained together with continuous films. The copper oxide films grown by ALD can be reduced to copper by vapor-phase processes. If formic acid is used as the reducing agent, these processes can already be carried out at similar temperatures as the ALD, so that agglomeration of the films is largely avoided. Also for an integration with subsequent electrochemical copper deposition, the combination of ALD copper and ruthenium proves advantageous, especially with respect to the quality of the electroplated films and their filling behavior in interconnect structures. Furthermore, the ALD process developed also bears potential for an integration with carbon nanotubes. / Kupferbasierte Mehrlagenmetallisierungssysteme in heutigen hochintegrierten elektronischen Schaltkreisen erfordern die Herstellung von Diffusionsbarrieren und leitfähigen Keimschichten für die galvanische Metallabscheidung. Diese Schichten von nur wenigen Nanometern Dicke müssen konform und fehlerfrei in strukturierten Dielektrika abgeschieden werden. Die sich abzeichnende weitere Verkleinerung der geometrischen Dimensionen des Leitbahnsystems erfordert Beschichtungstechnologien, die vorhandene Nachteile der bisher etablierten Physikalischen Dampfphasenabscheidung beheben. Die Methode der Atomlagenabscheidung (ALD) ermöglicht es, Schichten im Nanometerbereich sowohl auf dreidimensional strukturierten Objekten als auch auf großflächigen Substraten gleichmäßig herzustellen. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung eines ALD-Prozesses zur Abscheidung von Kupferoxidschichten, ausgehend von der metallorganischen Vorstufe Bis(tri-n-butylphosphan)kupfer(I)acetylacetonat [(nBu3P)2Cu(acac)]. Dieses flüssige, nichtfluorierte β-Diketonat wird bei Temperaturen zwischen 100 und 160°C mit einer Mischung aus Wasserdampf und Sauerstoff zur Reaktion gebracht. ALD-typisches Schichtwachstum stellt sich in Abhängigkeit des gewählten Substrats zwischen 100 und 130°C ein. Auf Tantalnitrid- und Siliziumdioxidsubstraten werden dabei sehr glatte Schichten bei gesättigtem Wachstumsverhalten erhalten. Auch auf Rutheniumsubstraten werden gute Abscheideergebnisse erzielt, jedoch kommt es hier zu einer merklichen Durchmischung des ALD-Kupferoxids mit dem Untergrund. Tantalsubstrate führen zu einer schnellen Selbstzersetzung des Kupferprecursors, in dessen Folge neben geschlossenen Schichten während der ALD auch immer isolierte Keime oder größere Partikel erhalten werden. Die mittels ALD gewachsenen Kupferoxidschichten können in Gasphasenprozessen zu Kupfer reduziert werden. Wird Ameisensäure als Reduktionsmittel genutzt, können diese Prozesse bereits bei ähnlichen Temperaturen wie die ALD durchgeführt werden, so dass Agglomeration der Schichten weitgehend verhindert wird. Als besonders vorteilhaft für die Ameisensäure-Reduktion erweisen sich Rutheniumsubstrate. Auch für eine Integration mit nachfolgenden Galvanikprozessen zur Abscheidung von Kupfer zeigen sich Vorteile der Kombination ALD-Kupfer/Ruthenium, insbesondere hinsichtlich der Qualität der erhaltenen galvanischen Schichten und deren Füllverhalten in Leitbahnstrukturen. Der entwickelte ALD-Prozess besitzt darüber hinaus Potential zur Integration mit Kohlenstoffnanoröhren.