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Cette thèse porte sur l’élaboration et la caractérisation électrique et physico-chimique des grilles métalliques des dispositifs FDSOI MOSFET 14 nm à base d’oxyde high-K fabriqués chez STMicroelectronics. Ces grilles métalliques sont composées de couches de TiN, lanthane et aluminium, déposées par pulvérisation cathodique RF. Des structures de test et un schéma d’intégration simplifié permettant l’analyse capacitive ont été mis en place pour caractériser la modulation du travail de sortie effectif des grilles métalliques en TiN avec l’incorporation d'additifs tels que le lanthane ou l’aluminium. Ces additifs ont été incorporés suivant une approche de grille sacrificielle. Par ailleurs, une méthodologie inédite basée sur la fluorescence X a été proposée et validée pour la caractérisation précise en ligne de la diffusion des additifs. Cette méthodologie permet de prouver que la dose effective de l’espèce incorporée après recuit de diffusion peut être modélisée en fonction de l’épaisseur du TiN piédestal dans la grille sacrificielle ainsi que de la température de recuit. De plus, la variation de l’épaisseur de l’oxyde interfaciel sur une seule plaquette (oxyde biseau) autorise l’identification de l’origine physique de la modulation du travail de sortie effectif, qui s’explique par un dipôle qui évolue avec la dose effective de l’espèce incorporée. En conséquence, un modèle de la diffusion des dopants de grille dans l’oxyde high-K et de leur impact sur le travail de sortie effectif des grilles métalliques a été proposé afin de moduler avec précision la tension de seuil (VTH) des dispositifs FDSOI 14 nm. En outre, l’impact de l’oxyde high-K à la fois sur la diffusion des additifs et sur la modulation du travail de sortie effectif a été mis en évidence. Enfin, un procédé innovant de dépôt métallique, permettant la modification de la microstructure du TiN, a été développé afin d’améliorer davantage la variabilité locale du VTH des dispositifs FDSOI. / This Ph.D. thesis is focused on the fabrication and electrical and physicochemical characterization of metal gates in 14 nm high-K based FDSOI MOSFET devices, manufactured at STMicroelectronics. These metal gates are composed of TiN, lanthanum and aluminum layers, deposited by RF sputtering. Test structures and a simplified integration scheme allowing C-V measurements, have been implemented in order to characterize the modulation of the effective work function of TiN metal gates with the incorporation of dopants such as lanthanum or aluminum. These additives are incorporated in a sacrificial gate-first approach. Furthermore, a new methodology based on X-ray fluorescence was proposed and validated for accurate in-line characterization of the diffusion of dopants. This methodology enables to prove that the effective dose of the species incorporated into dielectrics after diffusion annealing may be modeled as a function of the thickness of the pedestal TiN in the sacrificial gate and the annealing temperature. Moreover, the variation of the thickness of the interfacial oxide along the wafer (bevel oxide) authorizes the identification of the origin of the modulation of the effective work function, which is explained by a dipole that evolves with the effective dose of the incorporated dopant. Accordingly, a model of the diffusion of dopants into the gate dielectrics and their impact on the effective work function of metal gates has been proposed to precisely modulate the threshold voltage (VTH) of the 14 nm FDSOI devices. In addition, the influence of the high-K oxide on both the diffusion of dopants and the modulation of the effective work function was highlighted. Lastly, an innovative process for metal deposition, allowing the modification of the microstructure of TiN, was developed in order to further improve the local VTH variability in FDSOI devices.

The work carried out as a part of this thesis has been focussed on understanding different aspects of the chemical vapor deposition process namely, ALD / MOCVD. A large part of the thesis is aimed at solving the problem of a single-source precursor for the MOCVD process to obtain substituted metal oxide thin films. For a chemical vapor deposition technique, it is important to understand the requisite salient features of precursor for deposition of thin films. For this purpose, not only is the structural characterization of the chemical precursor is required but also an in-depth thermal analysis of the precursor to know its vapor pressure. Vapor pressure of a metalorganic complex is one of the important properties to evaluate the applicability of a metalorganic complex as a MOCV/ALD precursor. The thesis discusses a novel approach to use thermal analysis as a tool to gauge the viability of substituted metal “single source” precursor for MOCVD/ALD. The other half deals with material characterization of thin films grown by an ALD process using hydrogen and Ti(OiPr)2(tbob)2 as precursors. The films were further studied for their potential application as high-k dielectric in DRAM applications. The first chapter is an overview of topics that are relevant to the work carried out in this thesis. The chapter focuses on the description of techniques used for thin film deposition. A detailed review of CVD-type techniques (ALD/ MOCVD) is then given. Chapter1 reviews the various process parameters involved in ALD,i.e. film growth(specifically as a function of the reactant pulse length, the nature of the chemical reactant/precursor and that of the metal precursor, and purge length) and growth temperature. Following the discussion of ALD, CVD and its growth kinetics are also discussed. Chapter 1 then outlines a holistic understanding of precursors, followed the differences in requirement for using them in ALD and MOCVD. Further, an introduction to the titanium oxide (Stoichiometric titanium dioxide and various Magneli phases) system, its phase diagram, oxide properties and their applications is given. Chapter 1 concludes by delineating the scope of the work carried out which is presented in the thesis. The second chapter deals with the synthesis of a series of substituted metal “single source” precursors to be used for MOCVD of substituted metal oxides thin films. The precursor complexes were of the type AlxCr1-x (acac)3 where 0<x<1. The complexes were synthesized using the novel approach of co-synthesis and were characterized by various spectroscopic techniques. Single crystal X-ray diffraction at low temperature was carried out to understand the substitution of metal in the complex crystallographically. The substituted metal complexes synthesized and characterized in chapter 2 were further evaluated for their viability as single source precursors for MOCVD application, using thermo-gravimetry as discussed in chapter 3. Vapor pressure of these complexes was determined by using the Langmuir equation, while the enthalpies of submission and evaporation were calculated using the Clausius-Clapeyron equation. One of the composition of the series of substituted metal complexes, viz., Al0.9Cr0.1(acac)3, was employed on MOCVD reactor as precursor to obtain thin films on three substrates, Si(100), fused silica, and polycrystalline x- alumina, simultaneously. The resultant thin films were characterized using XRD, electron microscopy, FTIR, EDS, X-ray mapping, and UV-vis spectroscopy. Chapter 4 deals with the growth of titanium oxide thin films using ALD. The metal precursor used was Ti(OiPr)2(tbob)2 and the reactant gas was hydrogen. Hydrogen, a reducing gas, was deliberately used to obtain the reduced defect oxide phases of titanium, commonly called Magneli phases. The growth rate of films grown on p-Si(100) was studied with respect to the substrate temperature, vaporizer temperature, pulse duration of metal precursor and pulse duration of the reactive gas. Also, the concept of complementarity of a reaction and self-limiting behavior in a true ALD process was illustrated. The deposition conditions such as substrate temperature and reactive gas flows have been varied to optimize the phase content and the morphology of the films. The films grown were characterized to determine the various phases of titanium oxide present using XRD, TEM, FTIR spectroscopy, Raman spectroscopy, and UV-vis spectroscopy. The presence of carbon was revealed by Raman spectroscopy. By using these characterization techniques, it was concluded that the film grown is a composite made of stiochiometric TiOx matrix embedded with crystallites of (reduced) Magneli phases. Chapter 5 deals with the electrical properties of the composite thin films grown in chapter 4. the films behave as percolative capacitor which could be used for application as novel high-k dielectric material for DRAM. The effect of change in flow rates of reactive gas (H2) on the dielectric constant (k) and leakage current of the film were studied. It was found that phase composition of the film plays an important role in tuning the dielectric properties of the film was also studied. The effect of thickness of the film also studied on the dielectric properties of the film. The trend observed was correlated to the morphology of the film as a function of its thickness and the grain growth mechanism as observed from high resolution scanning electron microscopy. Further, the effect of change in substrate temperature, metal precursor pulse length, and of the metal used as top electrode, on C-V and I-V characteristics were studied. It was interesting to see that the presence of the more conductingTi5O9 (than Ti3O5) enhances the dielectric constant, which is a requisite for a high-k material for DRAM application. On the other hand, the presence of Ti5O9 also increased the leakage current in the film, which was not desirable. It therefore suggested itself that an optimum embedment of Ti5O9 in the composite helps in enhancing the dielectric constant, while maintaining a low leakage current. Under optimum conditions, a dielectric constant of 210 at 1MHz was measured with a leakage current of 17 nA. The effect of the presence of carbon in the film was studied using Raman Spectroscopy, and it was found that a high leakage was associated with films having greater carbon content. In this chapter, electrical properties of composite thin films were also compared with those of stoichiometric titanium dioxide (a known dielectric). Further, a multilayer sandwich structure was proposed, such that it had a 53 mm thick stoichiometric TiO2 layer followed by 336nm thick composite film and again a 53nm thick stoichiometric titanium dioxide layer. The dielectric characteristics of this structure were found to be better than those of either of the other two.viz., stoichiometric titanium dioxide film or the composite thin film of titanium oxide.

Summary (english): The thesis investigates the potential of thin films of Ta, Ti and W and their nitrides to suppress copper induced interactions in the contact area to silicon. Possible interactions between Cu and gaseos or solid materials within preparation and lifetime of an integrated circuit are summarized. The degradation mechanisms to be expected are the solution of Cu in Si and the formation of Cu3Si. Thin conductive diffusion barriiers are needed to suppress this mechanisms. The requirements on these barriers are discussed. The most important criterion, their resistivity, is determined by the place of application. The resitivity has to be lower than 100 mOhmcm for contacts and lower than 2000 mikroOhmcm for vias. The materials to be separated by a diffusion barrier can pass it by diffusion or the diffusion barrier can be destroyed by reaction (reactive diffusion). Therefore one can distinguish in passive and sacrificial barriers. The thin films were prepared by magnetron sputtering in Ar or Ar/N2 mixture. The films were characterized with respect to composition, phase/structure as well as their resulting electrical, optical, and mechanical properties. The appearance of new phases correlates with changes in process parameters like target voltage and condensation rate. All films - except for a small process window for amorphous/nanocrystalline WNx films - are polycrystalline. The influence of annealing steps in different ambients is investigated. Amorphous/nanocrystalline WNx films do recrystallize during annealing. For a direct contact of Cu to Si a sufficient energy supply during Cu depotsition or during following annealing (T> 200 °C) results in the formation of Cu3Si. The potential of diffusion barriers of different thicknesses and nitrogen contents to suppress this reaction is investigated for annealing steps up to 650 °C. The characterization is performed by analytical methods, sheet resistance measurements as well as leakage current measurements (pn, np and schottky diodes). A diffusion barrier is able to suppress the Cu3Si formation, until itself is consumed by silicidation or intermetallic phase formation. The metal nitrides are more stable, since the present metal nitrogen bonding has to be broken before these reactions can start. With the failure of a diffusion barrier a Cu Si contact occurs with the consequence of copper silicide formation. The silicidation can be either homogeneous (on a large area) or in the form of crystallites several mikrometers in diameter. The distance between the crystallites is up to several 100 mikrometers. It is shown, that results of a barrier evaluation can be paradox if different methods are applied to the same sample. The diffusion of Cu accross a barrier into Si can be shown using analytical methods, already before the formation of Cu3Si. However, the leakage current of pn or schottky diodes is not or not unequivocal modified by this diffusion. The leakage current does not change before the diodes are shorted by the Cu3Si formation. The results of parallel prepared references with Al metallization show, that the diffusion barriers are more stable in a Cu metallization than in an Al metallization. / Zusammenfassung (detusch): Die Arbeit beschreibt das Potential von Schichten des Ta, Ti, W und ihrer Nitride zur Unterdrückung kupferinduzierter Degradationen im Kontakt zu Silicium. Mögliche Wechselwirkungen zwischen Cu und den im Herstellungsprozess sowie der Lebensdauer von Schaltkreisen präsenten Gasen und Feststoffen werden zusammengestellt. Für das System Cu-Si sind als Degradationsmechanismen die Lösung von Cu und die Cu3Si Bildung zu erwarten. Die Anforderungen an die zur Unterdrückung der Degradationen notwendigen leitfähigen Diffusionsbarrieren werden diskutiert. Ihr spezifischer elektrischer Widerstand als wichtigstes Kriterium für die Integration wird vom Einsatzort bestimmt. Er muss für Kontakte unter 100 mOhm cm und für Vias unter 2000 mikroOhmcm liegen. Diffusionsbarrieren können von den zu trennenden Materialien durch Diffusion überwunden oder durch Reaktion (reaktive Diffusion) aufgezehrt werden. Damit kann in passive und Opferbarrieren unterschieden werden. Die Schichtherstellung erfolgt mit dem Verfahren der Magnetronzerstäubung in Ar oder Ar/N2 Atmosphäre. Sie werden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Phase/Struktur sowie resultierender elektrischer, optischer und mechanischer Eigenschaften charakterisiert. Das Auftreten neuer Phasen korreliert mit Verlaufsänderungen einfach zugänglicher Prozessparameter wie Targetspannung und Kondensationsrate. Alle Schichten mit Ausnahme eines engen Prozessfensters für amorphes/nanokristallines WNx sind polykristallin. Der Einfluss von Temperungen in verschiedenen Medien wird untersucht. Amorphe/nanokristalline WNx Schichten rekristallisieren während Temperung. Für direkten Kontakt Cu zu Si führt ausreichende Energiezufuhr schon während der Abscheidung oder während nachfolgender Temperung (T> 200 °C) zur Cu3Si Bildung. Das Potential der Diffusionsbarrieren zur Unterdrückung dieser Reaktion wird für unterschiedliche Dicken und Stickstoffgehalte nach Temperungen bis maximal 650 °C untersucht. Dazu werden analytische Methoden, Schichtwiderstandsmessungen und Sperrstromdichtemessungen an pn, np und Schottkydioden eingesetzt. Die Diffusionsbarrieren können die Cu3Si Bildung unterdrücken, bis sie selbst durch Silicierung und/oder intermetallische Phasenbildung aufgezehrt sind. Die Nitride der Metalle sind thermisch stabiler, weil Metall Stickstoff Bindungen erst aufgebrochen werden müssen. Mit dem Versagen der Barrieren treffen Cu und Si zusammen - mit der Folge der Kupfersilicidbildung. Sie kann grossflächig oder in Form mikrometergrosser und einige 100 mikrometer voneinander entfernt liegender Kristallite stattfinden. Für beide Degradationsmechanismen kann gezeigt werden, dass eine Barrierebewertung für unterschiedliche Methoden paradoxe Ergebnisse liefern kann. Die Cu Diffusion über die Diffusionsbarriere in das Si kann mit analytischen Methoden schon vor der Cu3Si Bildung nachgewiesen werden. Der Sperrstrom von pn oder Schottkydioden wird dadurch nicht bzw. nicht eindeutig verändert. Er reagiert erst, wenn sie durch Cu3Si Wachstum kurzgeschlossen sind. Ergebnisse parallel präparierter Referenzen mit Al Metallisierung belegen, dass die Diffusionsbarrieren gegen Cu gleich oder besser wirken als gegen Al.

The thesis investigates the potential of thin films of Ta, Ti and W and their nitrides to suppress copper induced interactions in the contact area to silicon. Possible interactions between Cu and gaseos or solid materials within preparation and lifetime of an integrated circuit are summarized. The degradation mechanisms to be expected are the solution of Cu in Si and the formation of Cu3Si. Thin conductive diffusion barriiers are needed to suppress this mechanisms. The requirements on these barriers are discussed. The most important criterion, their resistivity, is determined by the place of application. The resitivity has to be lower than 100 mOhmcm for contacts and lower than 2000 mikroOhmcm for vias. The materials to be separated by a diffusion barrier can pass it by diffusion or the diffusion barrier can be destroyed by reaction (reactive diffusion). Therefore one can distinguish in passive and sacrificial barriers. The thin films were prepared by magnetron sputtering in Ar or Ar/N2 mixture. The films were characterized with respect to composition, phase/structure as well as their resulting electrical, optical, and mechanical properties. The appearance of new phases correlates with changes in process parameters like target voltage and condensation rate. All films - except for a small process window for amorphous/nanocrystalline WNx films - are polycrystalline. The influence of annealing steps in different ambients is investigated. Amorphous/nanocrystalline WNx films do recrystallize during annealing. For a direct contact of Cu to Si a sufficient energy supply during Cu depotsition or during following annealing (T> 200 °C) results in the formation of Cu3Si. The potential of diffusion barriers of different thicknesses and nitrogen contents to suppress this reaction is investigated for annealing steps up to 650 C. The characterization is performed by analytical methods, sheet resistance measurements as well as leakage current measurements (pn, np and schottky diodes). A diffusion barrier is able to suppress the Cu3Si formation, until itself is consumed by silicidation or intermetallic phase formation. The metal nitrides are more stable, since the present metal nitrogen bonding has to be broken before these reactions can start. With the failure of a diffusion barrier a Cu Si contact occurs with the consequence of copper silicide formation. The silicidation can be either homogeneous (on a large area) or in the form of crystallites several mikrometers in diameter. The distance between the crystallites is up to several 100 mikrometers. It is shown, that results of a barrier evaluation can be paradox if different methods are applied to the same sample. The diffusion of Cu accross a barrier into Si can be shown using analytical methods, already before the formation of Cu3Si. However, the leakage current of pn or schottky diodes is not or not unequivocal modified by this diffusion. The leakage current does not change before the diodes are shorted by the Cu3Si formation. The results of parallel prepared references with Al metallization show, that the diffusion barriers are more stable in a Cu metallization than in an Al metallization. (copying allowed) new: pdf version 1.4 / Die Arbeit beschreibt das Potential von Schichten des Ta, Ti, W und ihrer Nitride zur Unterdrückung kupferinduzierter Degradationen im Kontakt zu Silicium. Mögliche Wechselwirkungen zwischen Cu und den im Herstellungsprozess sowie der Lebensdauer von Schaltkreisen präsenten Gasen und Feststoffen werden zusammengestellt. Für das System Cu-Si sind als Degradationsmechanismen die Lösung von Cu und die Cu3Si Bildung zu erwarten. Die Anforderungen an die zur Unterdrückung der Degradationen notwendigen leitfähigen Diffusionsbarrieren werden diskutiert. Ihr spezifischer elektrischer Widerstand als wichtigstes Kriterium für die Integration wird vom Einsatzort bestimmt. Er muss für Kontakte unter 100 mOhm cm und für Vias unter 2000 mikroOhmcm liegen. Diffusionsbarrieren können von den zu trennenden Materialien durch Diffusion überwunden oder durch Reaktion (reaktive Diffusion) aufgezehrt werden. Damit kann in passive und Opferbarrieren unterschieden werden. Die Schichtherstellung erfolgt mit dem Verfahren der Magnetronzerstäubung in Ar oder Ar/N2 Atmosphäre. Sie werden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Phase/Struktur sowie resultierender elektrischer, optischer und mechanischer Eigenschaften charakterisiert. Das Auftreten neuer Phasen korreliert mit Verlaufsänderungen einfach zugänglicher Prozessparameter wie Targetspannung und Kondensationsrate. Alle Schichten mit Ausnahme eines engen Prozessfensters für amorphes/nanokristallines WNx sind polykristallin. Der Einfluss von Temperungen in verschiedenen Medien wird untersucht. Amorphe/nanokristalline WNx Schichten rekristallisieren während Temperung. Für direkten Kontakt Cu zu Si führt ausreichende Energiezufuhr schon während der Abscheidung oder während nachfolgender Temperung (T > 200 °C) zur Cu3Si Bildung. Das Potential der Diffusionsbarrieren zur Unterdrückung dieser Reaktion wird für unterschiedliche Dicken und Stickstoffgehalte nach Temperungen bis maximal 650 C untersucht. Dazu werden analytische Methoden, Schichtwiderstandsmessungen und Sperrstromdichtemessungen an pn, np und Schottkydioden eingesetzt. Die Diffusionsbarrieren können die Cu3Si Bildung unterdrücken, bis sie selbst durch Silicierung und/oder intermetallische Phasenbildung aufgezehrt sind. Die Nitride der Metalle sind thermisch stabiler, weil Metall Stickstoff Bindungen erst aufgebrochen werden müssen. Mit dem Versagen der Barrieren treffen Cu und Si zusammen - mit der Folge der Kupfersilicidbildung. Sie kann grossflächig oder in Form mikrometergrosser und einige 100 mikrometer voneinander entfernt liegender Kristallite stattfinden. Für beide Degradationsmechanismen kann gezeigt werden, dass eine Barrierebewertung für unterschiedliche Methoden paradoxe Ergebnisse liefern kann. Die Cu Diffusion über die Diffusionsbarriere in das Si kann mit analytischen Methoden schon vor der Cu3Si Bildung nachgewiesen werden. Der Sperrstrom von pn oder Schottkydioden wird dadurch nicht bzw. nicht eindeutig verändert. Er reagiert erst, wenn sie durch Cu3Si Wachstum kurzgeschlossen sind. Ergebnisse parallel präparierter Referenzen mit Al Metallisierung belegen, dass die Diffusionsbarrieren gegen Cu gleich oder besser wirken als gegen Al. (Kopiermöglichkeit) neu: PDF-Version 1.4

Die Arbeit beschreibt die Anfertigung eines speziellen SOI-Substrates, bei dem eine strukturierte Kobaltdisilizidschicht zwischen dem vergrabenen Oxid und der Silizium- Bauelementeschicht angeordnet ist. Dieses soll für die gemeinsame Integration bipolarerer und unipolarerer Bauelemente auf einem SOI-Substrat im Bereich der Höchstfrequenztechnik Anwendung finden. Verschiedene Technologien zur Herstellung von SOI-Substraten sowie deren Eigenschaften werden vorgestellt und in Hinblick auf eine mögliche Anwendung diskutiert. Schließlich wurden die konventionellen Technologien, Bond and Etchback SOI (BESOI) und wasserstoffinduzierte Delamination (SmartCut®), als geeignet ausgewählt. Es wurden erstmalig durchgängige Technologiekonzepte erarbeitet, welche die Prozesse zur SOI- Substratfertigung und die Teilschritte zur Herstellung hochwertiger Kobaltdisilizidschichten mittels des Kobalt-Salicide-Prozesses enthalten. Schwerpunkte bei der Silizidherstellung waren die Metallabscheidung mit sehr guter Homogenität sowie die zur Silizierung notwen-digen Hochtemperaturprozesse. Weiterhin wurde ein nasschemischer Prozess entwickelt, welcher das Ätzen der Ausgangsmetalle, selektiv zur entstehenden Silizidschicht, ermöglicht. Ein Schlüsselprozess in beiden Technologien ist das Waferbonden, welches in Hinblick auf Funktionalität und Fehlerfreiheit optimiert wurde. Für den BESOI-Prozess ist das Wafergrinden die kritische Technologie. Dabei war es vor allem notwendig, eine optimale Restsiliziumdicke zu finden. Bei der SmartCut®-Technologie stellte die Wasserstoffionen-implantation durch abwechselnde Gebiete mit und ohne Silizid mit der gleichen Reichweite der implantierten Ionen eine große Herausforderung dar. Die Grenzfläche zwischen dem Kobaltdisilizid und dem Silizium der Bauelementeschicht ist bei Verwendung des konventionellen Kobalt-Salicide-Prozesses zu rau für die Anwendung als vergrabenes Silizid in einem SOI-Substrat. Durch Modifikation von Prozessparametern und durch die Anordnung verschiedener Schichten zwischen Silizium und Kobalt während der Silizidherstellung wurde versucht, eine Verbesserung der Grenzflächenqualität zu erzielen. Mit der Verwendung einer polykristallinen Siliziumzwischenschicht gelang es schließlich, die Rauhigkeitswerte signifikant zu senken. Schließlich wurde die Eigenschaft des Kobalts untersucht, in den Siliziumkristall einzudringen und die Rekombinationslebensdauer der Minoritätsladungsträger zu senken. Durch die Verwendung eines reineren Sputtertargets und die Modifikation der Schichtgeometrien während der Silizidherstellung wurde versucht, eine Verbesserung der Lebensdauerwerte zu erzielen.

Manufacturing of electronics devices, continuously decreasing in size, commonly requires the vapor phase deposition of materials into small structures on a wafer, often at a nanometer scale. In this thesis the goal is to simulate vapor-phase deposition processes at a scale where fully atomistic simulations using Molecular Dynamics are no longer feasible. This is achieved by combing two methods, one simulating the gas flow and deposition processes and another method simulating the changing surface. A Particle Monte Carlo method, specifically designed for free molecular flow, the typical flow regime at this length scale, is used. The simulation of growing surfaces uses the Level Set Method. Combining these two methods requires some additional coupling steps presented in this work. With the coupled model, different deposition processes are simulated within trenches to observe how well these processes perform for achieving a uniform deposition, as well as evaluating different process conditions.:Table of Contents List of Figures List of Tables List of Abbreviations List of Symbols 1 Introduction 2 Basics 2.1 Surface deposition processes 2.1.1 Chemical Vapor Deposition 2.1.2 Atomic Layer Deposition 2.1.3 Physical Vapor Deposition 2.2 Simulation approaches for surface depositions 2.2.1 Modeling chemical reactions on a surface 2.2.2 Interaction tables for PVD 2.3 Flow regimes 2.4 Molecular Dynamics 2.5 Particle Monte Carlo 2.6 Marker Particle Method 2.7 Level Set Method 2.7.1 Re-initialization of the signed distance function 2.7.2 Extension Velocities 2.7.3 Fast Marching Method 2.7.4 Upwind scheme 2.7.5 Curvature 2.8 Marching-Squares/Cubes Algorithm 3 Methods and Implementation 3.1 Software 3.1.1 External libraries 3.1.2 Geosect 3.2 Initialization of the signed distance field 3.3 Coupling between particle simulations and Level Set 3.3.1 The simulation cycle 3.3.2 Conversion from a grid to a discrete mesh 3.3.3 Extension of growth rates from a mesh to a grid 3.4 Integrating the Level Set Equation 3.4.1 Splitting the number of particles between different steps 3.4.2 Re-initializing the signed distance function 3.4.3 Handling surface coverage 3.4.4 The full update of the surface 3.5 Curvature dependent reflow 3.6 Level Set for radial symmetry 4 Verification 4.1 Testing different integration schemes 4.1.1 Growth of a circle in a linear velocity field 4.1.2 PVD in trenches 4.2 Mass preservation during curvature dependent reflow 4.3 Comparisons between 2D, radial 2D and 3D 4.3.1 Comparing 2D and 3D 4.3.2 Comparing radial 2D and 3D 5 Process Simulations 5.1 Resputter process using a PVD 5.1.1 Simulations and their parameters 5.1.2 Surfaces after the deposition step 5.1.3 Surface growth in the resputter step 5.1.4 Conditions for improved layer thickness 5.2 CVD with an effective sticking coefficient 5.3 Incomplete ALD cycles 5.4 Deposition onto a complex 3D shape 6 Conclusion Bibliography Acknowledgment Statement of authorship

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Mit der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum von polykristallinem Silicium auf Glas bei niedrigen Temperaturen aus metallischen Lösungen in einem Zweistufenprozess untersucht. Im ersten Prozessschritt werden nanokristalline Siliziumschichten (nc-Si) hergestellt, entweder durch die direkte Abscheidung auf geheizten Substraten oder durch als ''Amorphous-Liquid-Crystalline''(ALC)-Umwandlung bezeichnete metall-induzierte Kristallisation. Im zweiten Prozessschritt dienen die Saatschichten als Vorlage für das Wachstum von deutlich größeren Kristalliten durch stationäre Lösungszüchtung. Die ALC-Prozessdauer konnte durch umfassende Parameterstudien signifikant reduziert werden. Die Charakterisierung der durch direkte Abscheidung auf geheizten Substraten entstehenden nc-Si Saatschichten offenbarte, dass es sich dabei um individuelle Saatkörner handelt, die in eine quasi-amorphe Matrix eingebettet sind. Die Oxidation der Saatschichten vor dem zweiten Prozessschritt wurde als ein wesentliches Hindernis für das Wachstum identifiziert. Als erfolgreichste Lösung zur Überwindung dieses Problems hat sich ein anfänglicher Rücklöseschritt erwiesen. Da diese Methode jedoch schwierig zu kontrollieren ist, wurde ein UV-Laser-System entwickelt und installiert. Erste Resultate zeigen epitaktisches Wachstum an den Stellen, an denen das Oxid entfernt wurde. Bei der Lösungszüchtung auf ALC-Schichten beginnt das Wachstum an einigen größeren Saatkristallen, von wo aus umliegende Gebiete lateral überwachsen werden. Obwohl Kristallitgrößen bis zu 50 Mikrometern erreicht wurden, war es noch nicht möglich, geschlossene Schichten zu erzielen. Durch Lösungszüchtung auf nc-Si Saatschichten hingegen konnte dieses Ziel erreicht werden. Geschlossene, polykristalline Si-Schichten wurden erzeugt, auf denen alle Si-Kristallite miteinander verbunden sind. Neben den Wachstumsexperimenten wurden 3D-Simulationen durchgeführt, in denen u.a. unterschiedliche Heizerkonfigurationen simuliert wurden. / The subject of this thesis is the investigation of the growth of polycrystalline silicon on glass at low temperatures from metallic solutions in a two-step growth process. In the first process step, nanocrystalline Si (nc-Si) films are formed either by direct deposition on heated substrates, or by a metal-induced crystallization process, referred to as amorphous-liquid-crystalline (ALC) transition. In the second process step, these seed layers serve as templates for the growth of significantly larger Si crystallites by means of steady-state solution growth. Extensive parameter studies for the ALC process helped to bring down the process duration significantly. Characterization of the nc-Si seed layers, formed by direct deposition on heated substrates, showed that the layer is composed of individual seeds, embedded in a quasi-amorphous matrix. The oxidation of the seed layers prior to the second process step was found to be a major obstacle. The most successful solution has been an initial melt-back step. As the process is hard to control, though, a UV laser system has been developed and installed. First promising results show unobstructed epitaxial growth where the oxide has been removed. Steady-state solution growth on ALC seed layers was found to start from a few larger seed crystals, and then cover the surrounding areas by lateral overgrowth. Although crystallites with sizes of up to 50 micrometers were obtained, it was not yet possible to achieve full surface coverage with a continuous layer. By solution growth on nc-Si seed layers, however, it was eventually possible to achieve this goal. Continuous, polycrystalline Si layers were grown, on which all Si crystallites are interlocked. The growth experiments were accompanied by 3D simulations, in which e.g. different heater configurations have been simulated.

Quenching and partitioning (Q&P) steels show a good balance between strength and ductility due to a special heat treatment that allows to adjust a microstructure of martensite with a fraction of stabilized retained austenite. The final heat treatment step is performed at low temperatures. Therefore, joining of Q&P steels is a big challenge. On the one hand, a low joining temperature is necessary in order not to influence the adjusted microstructure; on the other hand, high joint strengths are required. In this study, joining of Q&P steels with Ag nanoparticles is investigated. Due to the nano-effect, high-strength and temperature-resistant joints can be produced at low temperatures with nanoparticles, which meets the contradictory requirements for joining of Q&P steels. In addition to the Ag nanoparticles, activating materials (SnAg and Sn) are used at the interface to achieve an improved bonding to the steel substrate. The results show that the activating materials play an important role in the successful formation of joints. Only with the activating materials, can joints be produced. Due to the low joining temperature (max. 237 °C), the microstructure of the Q&P steel is hardly influenced.