Stuttgart, Univ., Diss., 2005.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Universiẗat, Diss., 1997--Saarbrücken. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 1997.

Mit zunehmender Miniaturisierung mikroelektronischer Bauelemente steigen die Anforderungen an reproduzierbare qualitätskonforme Schichten. Um die zur Herstellung notwendigen ALD/PVD/CVD-Schichtabscheideanlagen in einen zuverlässigen Zustand zu versetzen, ist eine regelmäßige Kammerreinigung notwendig. Während des Abscheideprozesses werden nicht nur das Substrat, sondern auch die umliegenden Kammerteile beschichtet. Diese Schichten wachsen mit jedem Beschichtungszyklus weiter an. Der Stress zwischen Schicht und Kammerwand steigt beständig, und es besteht das Risiko das Teile abplatzen und auf die Waferoberfläche fallen und damit die Struktur unbrauchbar machen. Um das zu verhindern, muss die Kammerwand in einen regelmäßigen Zustand versetzt werden, in dem sichergestellt ist, daß keine Schichtreste abplatzen können. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Verfahren zur Trockenreinigung von ALD-Titannitrid Kammern vorgestellt. Dazu wurden TiN-Stücke (hergestellt im ALD, CVD, PVD-Verfahren) auf einem temperaturgeregelten Probenhalter platziert. Eine Argon/NF3 Gasmischung wurde in einer externen Plasmaquelle (RPS) zerlegt und in die Reaktionskammer geschleust. Die Ätzung wurde mit in-situ Reflexionsmessung beobachtet. Experimente mit Chlorzugabe wurden unternommen und ein starker Einfluss auf den Ätzmechanismus beobachtet. Die Ätzraten des TiN sind exponentiell abhängig von der Temperatur und proportional abhängig von der Verfügbarkeit atomaren Fluors. Dieses wird bei der Zerlegung von NF3 frei gesetzt und steht der Reaktion zur Verfügung. Die NF3-Zerlegung in Fluor und Stickstoff wurde mit Hilfe der Massenspektrometrie (QMS) untersucht, Zerlegungsgrade größer 96% wurden erreicht. Mit Hilfe dieser Messung kann der Einfluss der Kammerreinigung auf den Treibhausgasausstoß (GWP) bestimmt werden. Mit dem Ar/NF3-Verfahren können die GWP-Emissionen um 90% im Vergleich zur RIE-Ätzung mit SF6 reduziert werden. Mit Argon/Chlor-Plasmen konnte kein Titannitrid geätzt werden, da die physikalische Sputterkomponente fehlte. Durch Hinzufügen von Chlor zu einer Ar/NF3-Gasmischung konnte die Ätzrate um bis zu 270% im Bereich niedrige Temperaturen/niedriger Druck gesteigert werden. Bei höheren Temperaturen/höherem Druck fielen die Ar/NF3/Chlor Ätzraten allerdings deutlich hinter die des Ar/NF3 zurück. Die dazu führenden Effekte werden untersucht und ausgeführt. Die Nutzung von externen Plasmaquellen bietet eine vielversprechende Alternative um Abscheideanlagen von TiN-Rückständen reinigen zu können. Bei hohen Temperaturen werden deutlich höhere Ätzraten als bei anderen Schichten (SiN, SiO2, W) erreicht. Für Anwendungen im niedrigen Temperaturbereich erlaubt die Zugabe von Chlor interessante Anwendungsmöglichkeiten. / Demands on state of the art deposition technologies for semiconductor production focus on uniformity, repeatability and low defectivity. The chamber condition is a key parameter to achieve these high demands in chemical vapour deposition (CVD) processes and are even more critical to the atomic layer deposition processes (ALD). During the deposition process not only the wafer surface but other chamber parts as well are covered with a thin film. This film accumulates during the deposition cycles and is prone to fall off the walls and pollute the wafer surface. The chamber parts that are exposed to the deposition must be set back to a steady state so that no deposits fall off the walls. The chamber condition also changes uncontrolled with varying film condition on the wall. A new approach for cleaning of ALD-titanium nitride (TiN) deposition chambers was investigated. To determine etch rates TiN-samples (created by ALD, CVD and PVD) were placed on a temperature controlled sample holder. An argon/NF3 mixture was excited in an upstream remote plasma source (RPS) and then routed through the reaction chamber. No further plasma activation inside the reaction chamber was done. The etching was monitored by in-situ reflectometry and etch rates were calculated. The effect of chlorine addition was also studied and strong influence on etch rates was found. The etch rate of TiN is dependent exponentially on temperature and very low etch rates were achieved below 70◦C at a chamber pressure ranging from 20-300 Pa. It was found that this correlates very well with the vapour pressure of the reaction product TiF4. At temperatures of 300◦C etch rates up to 800 nm/min were achieved. The optimum pressure for etching was found at 100 Pa while the pressure effect was small. The etch rate was mainly dependent on the availability of activated fluorine to create TiF4 by the reaction 2 NF3 → N2 + 6 F* 2 TiN + 8 F* → 2 TiF4 + N2 The NF3 decomposition to nitrogen and fluorine was monitored by quadrupole mass spectrometry (QMS) and was found to be greater than 96%. This figure allows an estimation of the amount of Global warm potential (GWP) gas emmited by the process for environmental considerations. Using argon/NF3 or argon/fluorine mixtures in RPS devices reduces the GWP emissions by more than 90% compared to RIE plasma cleaning with SF6. No etching occurred by using argon/chlorine only mixtures as no physical etch component was involved in RPS etch. However adding chlorine to the argon/NF3 mixture accelerated the etching process. Chlorine addition to the argon/NF3 mixture increased the etch rates up to 270% in the low pressure/low temperature regime. At higher temperatures or higher pressures the etch rates dropped below the etch rates achieved solely with fluorine chemistry. It must be emphasized that there is no physical acceleration of the ionized molecules toward the etched sample in this remote plasma setup. The usage of a remote plasma offers an alternative way to remove residues from chambers running TiN deposition processes. At high temperatures the Ar/NF3 offers remarkably high etching rates for TiN compared to other films (silicon nitride, -oxide, tungsten) usually cleaned by remote plasma. For low temperature applications the chlorine enhancement offers an interesting alternative to accelerate the etch process.

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

Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2003. / Auch im Shaker-Verl. ersch. u.d.Titel: Herstellung, Charakterisierung und Bewertung von leitfähigen Diffusionsbarrieren auf Basis von Ta, Ti und W für die Kupfermetallisierung von Siliciumschaltkreisen, 2004 (3-8322-2532-3).

Mit zunehmender Miniaturisierung mikroelektronischer Bauelemente steigen die Anforderungen an reproduzierbare qualitätskonforme Schichten. Um die zur Herstellung notwendigen ALD/PVD/CVD-Schichtabscheideanlagen in einen zuverlässigen Zustand zu versetzen, ist eine regelmäßige Kammerreinigung notwendig. Während des Abscheideprozesses werden nicht nur das Substrat, sondern auch die umliegenden Kammerteile beschichtet. Diese Schichten wachsen mit jedem Beschichtungszyklus weiter an. Der Stress zwischen Schicht und Kammerwand steigt beständig, und es besteht das Risiko das Teile abplatzen und auf die Waferoberfläche fallen und damit die Struktur unbrauchbar machen. Um das zu verhindern, muss die Kammerwand in einen regelmäßigen Zustand versetzt werden, in dem sichergestellt ist, daß keine Schichtreste abplatzen können. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Verfahren zur Trockenreinigung von ALD-Titannitrid Kammern vorgestellt. Dazu wurden TiN-Stücke (hergestellt im ALD, CVD, PVD-Verfahren) auf einem temperaturgeregelten Probenhalter platziert. Eine Argon/NF3 Gasmischung wurde in einer externen Plasmaquelle (RPS) zerlegt und in die Reaktionskammer geschleust. Die Ätzung wurde mit in-situ Reflexionsmessung beobachtet. Experimente mit Chlorzugabe wurden unternommen und ein starker Einfluss auf den Ätzmechanismus beobachtet. Die Ätzraten des TiN sind exponentiell abhängig von der Temperatur und proportional abhängig von der Verfügbarkeit atomaren Fluors. Dieses wird bei der Zerlegung von NF3 frei gesetzt und steht der Reaktion zur Verfügung. Die NF3-Zerlegung in Fluor und Stickstoff wurde mit Hilfe der Massenspektrometrie (QMS) untersucht, Zerlegungsgrade größer 96% wurden erreicht. Mit Hilfe dieser Messung kann der Einfluss der Kammerreinigung auf den Treibhausgasausstoß (GWP) bestimmt werden. Mit dem Ar/NF3-Verfahren können die GWP-Emissionen um 90% im Vergleich zur RIE-Ätzung mit SF6 reduziert werden. Mit Argon/Chlor-Plasmen konnte kein Titannitrid geätzt werden, da die physikalische Sputterkomponente fehlte. Durch Hinzufügen von Chlor zu einer Ar/NF3-Gasmischung konnte die Ätzrate um bis zu 270% im Bereich niedrige Temperaturen/niedriger Druck gesteigert werden. Bei höheren Temperaturen/höherem Druck fielen die Ar/NF3/Chlor Ätzraten allerdings deutlich hinter die des Ar/NF3 zurück. Die dazu führenden Effekte werden untersucht und ausgeführt. Die Nutzung von externen Plasmaquellen bietet eine vielversprechende Alternative um Abscheideanlagen von TiN-Rückständen reinigen zu können. Bei hohen Temperaturen werden deutlich höhere Ätzraten als bei anderen Schichten (SiN, SiO2, W) erreicht. Für Anwendungen im niedrigen Temperaturbereich erlaubt die Zugabe von Chlor interessante Anwendungsmöglichkeiten. / Demands on state of the art deposition technologies for semiconductor production focus on uniformity, repeatability and low defectivity. The chamber condition is a key parameter to achieve these high demands in chemical vapour deposition (CVD) processes and are even more critical to the atomic layer deposition processes (ALD). During the deposition process not only the wafer surface but other chamber parts as well are covered with a thin film. This film accumulates during the deposition cycles and is prone to fall off the walls and pollute the wafer surface. The chamber parts that are exposed to the deposition must be set back to a steady state so that no deposits fall off the walls. The chamber condition also changes uncontrolled with varying film condition on the wall. A new approach for cleaning of ALD-titanium nitride (TiN) deposition chambers was investigated. To determine etch rates TiN-samples (created by ALD, CVD and PVD) were placed on a temperature controlled sample holder. An argon/NF3 mixture was excited in an upstream remote plasma source (RPS) and then routed through the reaction chamber. No further plasma activation inside the reaction chamber was done. The etching was monitored by in-situ reflectometry and etch rates were calculated. The effect of chlorine addition was also studied and strong influence on etch rates was found. The etch rate of TiN is dependent exponentially on temperature and very low etch rates were achieved below 70◦C at a chamber pressure ranging from 20-300 Pa. It was found that this correlates very well with the vapour pressure of the reaction product TiF4. At temperatures of 300◦C etch rates up to 800 nm/min were achieved. The optimum pressure for etching was found at 100 Pa while the pressure effect was small. The etch rate was mainly dependent on the availability of activated fluorine to create TiF4 by the reaction 2 NF3 → N2 + 6 F* 2 TiN + 8 F* → 2 TiF4 + N2 The NF3 decomposition to nitrogen and fluorine was monitored by quadrupole mass spectrometry (QMS) and was found to be greater than 96%. This figure allows an estimation of the amount of Global warm potential (GWP) gas emmited by the process for environmental considerations. Using argon/NF3 or argon/fluorine mixtures in RPS devices reduces the GWP emissions by more than 90% compared to RIE plasma cleaning with SF6. No etching occurred by using argon/chlorine only mixtures as no physical etch component was involved in RPS etch. However adding chlorine to the argon/NF3 mixture accelerated the etching process. Chlorine addition to the argon/NF3 mixture increased the etch rates up to 270% in the low pressure/low temperature regime. At higher temperatures or higher pressures the etch rates dropped below the etch rates achieved solely with fluorine chemistry. It must be emphasized that there is no physical acceleration of the ionized molecules toward the etched sample in this remote plasma setup. The usage of a remote plasma offers an alternative way to remove residues from chambers running TiN deposition processes. At high temperatures the Ar/NF3 offers remarkably high etching rates for TiN compared to other films (silicon nitride, -oxide, tungsten) usually cleaned by remote plasma. For low temperature applications the chlorine enhancement offers an interesting alternative to accelerate the etch process.

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