Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Dresden.

Zugl.: Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2003

Techn. University, Diss., 2006--München.

Universiẗat, Diss., 2004--Stuttgart.

Gegenstand dieser Arbeit sind zwei Problemstellungen der Mikroelektronik. Dies ist einerseits die Notwendigkeit zur Erzeugung kleiner Strukturgrößen um Untersuchungen an diesen durchzuführen. Innerhalb dieser Arbeit wurden ultraschmale Leitbahnen mit herkömmlichen Prozessen hergestellt, was den Einsatz neuer Lithographieanlagen oder auflösungsverbessernden Maßnahmen nicht notwendig macht. Hierzu wurde für zwei Verfahren, die Backfill- und die TiN-Spacer-Technologie, die Prozessschritte entwickelt und untersucht und beide Technologien hinsichtlich der erreichbaren Strukturgrößen bewertet. Das zweite Thema dieser Arbeit war das pore sealing von porösen low-k-Dielektrika. Für diese Untersuchungen wurden verschiedene pore sealing Methoden wie Plasmabehandlungen oder dünne Schichten (Liner) angewandt. Die Effektivität dieser Methoden, auch in Abhängigkeit von low-k-Materialien mit verschiedenen Porengrößen, wurde durch Rasterelektronenmikroskopie, Untersuchung der Barrierestabilität und Untersuchung von Diffusion der Barriere in das Dielektrikum mittels TEM und EDX line scan bestimmt. / This work is concerned with two problems of microelectronic research. This is first the need for small features sizes to carry out investigations on them. Within this work very narrow conductor lines were fabricated with conventional processes. So the use of new lithography tools or resolution enhancement techniques was not necessary. For two technologies, the Backfill and the TiN spacer technology, the process steps were developed and investigated and both technologies were evaluated regarding the reachable feature sizes. The second topic was pore sealing of porous low k dielectrics. For these investigations various pore sealing methods like plasma treatments or thin films (liner) were applied. The effectiveness of these methods, also depending of low k materials with different pore sizes, were investigated by scanning electron microscopy, by barrier integrity investigations and by investigations of barrier diffusion into the dielectric material using TEM and EDX line scan.

Stuttgart, Univ., Diss., 2005.

Lower k and low-leakage silicon carbonitride (SiCxNy ) films were fabricated using single precursor by using radio-frequency (RF) plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). We explored precursors with (1) cyclic-carbon-containing structures, (2) higher C/Si ratio, (3) multiple vinyl groups, as well as (4) the incorporation of porogen for developing low-k SiCxNy films as etch-stop/diffusion barrier (ES/DB) layer for copper interconnects in this study. SiCxNy films with k values between 3.0 and 3.5 were fabricated at T≦ 200 o C, and k~4.0-4.5 at 300-400 °C. Precursors with vinyl groups yielded SiCxNy films with low leakage, excellent optical transmittance and high mechanical strength due to the formation of cross-linked Si-(CH2)n-Si linkages.

Ultrathin, semi-permeable membranes are not only essential in natural systems (membranes of cells or organelles) but they are also important for applications (separation, filtering) in miniaturized devices. <br> Membranes, integrated as diffusion barriers or filters in micron scale devices need to fulfill equivalent requirements as the natural systems, in particular mechanical stability and functionality (e.g. permeability), while being only tens of nm in thickness to allow fast diffusion times. Promising candidates for such membranes are polyelectrolyte multilayers, which were found to be mechanically stable, and variable in functionality.<br> In this thesis two concepts to integrate such membranes in larger scale structures were developed. The first is based on the directed adhesion of polyelectrolyte hollow microcapsules. As a result, arrays of capsules were created. These can be useful for combinatorial chemistry or sensing. This concept was expanded to couple encapsulated living cells to the surface. The second concept is the transfer of flat freestanding multilayer membranes to structured surfaces. We have developed a method that allows us to couple mm2 areas of defect free film with thicknesses down to 50 nm to structured surfaces and to avoid crumpling of the membrane. We could again use this technique to produce arrays of micron size. The freestanding membrane is a diffusion barrier for high molecular weight molecules, while small molecules can pass through the membrane and thus allows us to sense solution properties. We have shown also that osmotic pressures lead to membrane deflection. That could be described quantitatively. / Die Entwicklung von “Labors auf einem Chip” hat in den vergangenen Jahren großes Interesse hervorgerufen. Diese Chips ermöglichen schnelle vor Ort Analytik, wie sie beispielsweise in Arztpraxen oder bei der Schadstoff Überwachung wünschenswert wäre. Die Entwicklung solcher Systeme stellt große Herausforderungen an Forscher verschiedenster Disziplinen. <br> Ein großer Vorteil solcher Systeme sind die verkürzten Reaktionszeiten durch die Verkleinerung der Dimensionen. Membranen, die als Diffusionsbarrieren oder Filter in solche Systeme integriert werden sollen, müssen den Ansprüchen an mechanische Stabilität, Funktionalität (z.B. Permeabilität) bei einer Dicke von einigen 10 nm genügen. Die Reduktion der Membrandicke ist erforderlich um die Diffusionszeiten durch die Membran zu minimieren. Polyelektrolyte sind vielversprechende Kandidaten für solche Membranen, da sie sowohl mechanisch stabil sind, als auch variabel in ihrer Funktionalität In dieser Arbeit werden zwei Konzepte zur Integration solcher Membranen vorgestellt. Das erste Konzept basiert auf der selektiven Adhäsion von Polyelektrolytkapseln auf strukturierten Oberflächen. Für das gewählte Kapselsystem konnte bereits eine große Stabilität und eine breite Funktionalität gezeigt werden. Die Strukturierung wird durch Mikrokontaktdrucken erzielt und führt. zu attraktiven und repulsiven Bereichen auf der Oberfläche. Die Kapesladhäsion findet auf den attraktiven Bereichen statt. Auf diese Weise werden die Kapseln 2-dimensional auf der Oberfläche angeordnet. Die definierte laterale Position der Kapseln ermöglicht Anwendungen in der kombinatorischen Chemie oder der Sensorik.<br> Der makroskopische Transfer von bis zu 50 nm dünnen Polyelektrolytmembranen auf microstrukturierte Substrate ist das zweite präsentierte Konzept zur Integration freistehender Membranen. Dabei entsteht ein großflächiger Bereich (mm2) von Millionen von Hohlräumen mit einem Volumen in der Größe von pL (10-12l). Diese Holräume können mit Reagenzien gefüllt werden. Diese reagieren durch die Membran auf Änderungen in der umgebenden Flüssigkeit. Von besonderem Interesse ist der Aspekt, daß nicht nur eingekapselte Reagenzien als Sensormaterial fungieren können, sondern auch durch die Deformation der Membran Änderungen im osmotischen Druck der Umgebung quantitativ erfaßt werden können.

Tantalum and tantalum nitride thin films are routinely applied as diffusion barriers in state-of-the-art metallization systems of microelectronic devices. In this work, such films were prepared by reactive magnetron sputtering on silicon and oxidized silicon substrates and studied by spectroscopic ellipsometry in the spectral range from 190&nbsp;nm to 2.55&nbsp;&mu;m. The complex refractive index for thick films (75 to 380&nbsp;nm) was modeled using a Lorentz-Drude approach. These models were applied to film stacks of 20&nbsp;nm TaN&nbsp;/&nbsp;20&nbsp;nm&nbsp;Ta on unoxidized and thermally oxidized Si. With free oscillator parameters, accurate values of the film thicknesses were obtained according to cross-sectional scanning electron microscope (SEM) measurements. At the same time, a strong variation of the optical properties with film thickness and substrate was observed.

Die Arbeit beschreibt die Entwicklung von plasmaunterstützten CVD-Prozessen zur Abscheidung ultradünner (&le;10 nm) wolframbasierter Diffusionsbarrieren für die Kupfermetallisierung in integrierten Schaltkreisen. Es wird ein PECVD-Prozess mit der Gaschemie WF₆/N₂/H₂/(Ar) vorgestellt, mit dem amorphe und leitfähige WN_x-Schichten abgeschieden werden. Dabei wird der Prozess umfassend charakterisiert (z.B. Rate, Homogentität, Kantenbedeckung) und die Einflüsse von Parameteränderungen (besonders Gasflussvariationen) auf die Schichteigenschaften untersucht. Ausgewählte Schichtzusammensetzungen, welche den Barriereanforderungen hinsichtlich geringen elektrischen Widerstandes und sehr guter Homogenität über den Wafer entsprachen, wurden im für den praktischen Einsatz relevanten Schichtdickenbereich von 10 nm eingehender untersucht. Dies erfolgte einerseits mikrostrukturell mit GI-XRD, GDOES und TEM zu Schichtzusammensetzung, Kristallisationsverhalten und Schichtstabilität unter Wärmebehandlung in verschiedenen Medien in direktem Kontakt zu Kupfer. Zudem erfolgte die Beurteilung der Diffusionswirkung der WN_x-Schichten mit elektrischen Messverfahren (CV, TVS) über MIS-Strukturen. Auf Grundlage des WN_x-Prozesses wird durch Zugabe von Silan zur Prozessgaschemie die Möglichkeit der Abscheidung einer ternären Zusammensetzung WSiN untersucht. Es erfolgt eine ausführliche Auswertung der Literatur zu verschiedenen WSiN-Abscheideprozessen und eine Wertung der beschriebenen ternären Zusammensetzung in Bezug auf geringen elektrischen Widerstand und thermischer Stabilität. Mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen kann ein ternärer Zusammensetzungsbereich von Me-Si-N eingegrenzt werden, der sowohl amorphe Mikrostruktur, niedrigen elektrischen Widerstand und hohe thermische Stabilität garantiert. Der entwickelte PECVD-Prozess mit Silan führte zu einer Si-stabilisierten WN_x-Schicht mit nur geringfügig höherer thermischer Stabilität aber deutlich höheren elektrischen Widerstand. Es wird die Frage diskutiert, ob die Entwicklung einer amorphen ternären Verbindung mit höherer thermischer Stabilität aber zu Lasten des elektrischen Widerstandes notwendig ist, wenn für das Stoffsystem schon eine amorphe binäre Zusammensetzung existiert, die die Anforderungen einer Diffusionsbarriere hinsichtlich hoher Leitfähigkeit und ausreichend hoher thermischer Stabilität erfüllt.