Abstract The behaviors of the TaNx barrier layer that placed between the Cu metal and GaAs have been studied by using X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy and scanning electron microscopy. The TaNx and Cu films were deposited on GaAs sequentially with RF magnetron sputter. With a 250 nm thick TaNx barrier layer, the Cu metal can be impeded from reacting with GaAs substrate at 575¢Jannealed for one hour. Within an As or Ga overpressure environment condition, the failure temperature still occurred below 600¢J. The failure of TaNx diffusion barrier layer for preventing the reaction of the Cu and GaAs was originated for the dissociation of the GaAs itself at 580¢J. The outgoing As atoms increased the deterioration speed of the TaNx film and reduced its blocking ability.

Thesis advisor: Dunwei Wang / Water splitting has been recognized as a promising solution to challenges associated with the intermittent nature of solar energy for over four decades. A great deal of research has been done to develop high efficient and cost-effective catalysts for this process. Among which tantalum nitride (Ta₃N₅) has been considered as a promising candidate to serve as a good catalyst for solar water splitting based on its suitable band structure, chemical stability and high theoretical efficiency. However, this semiconductor is suffered from its special self-oxidation problem under photoelectrochemical water splitting conditions. Several key unique properties of graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) render it an ideal choice for the protection of Ta₃N₅. In this work, Ta₃N₅/g-C₃N₄ hybrid photoanode was successfully synthesized. After addition of co-catalyst, the solar water splitting performance of this hybrid photoanode was enhanced. And this protection method could also act as a potential general protection strategy for other unstable semiconductors. / Thesis (MS) — Boston College, 2018. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Chemistry.

The focus of this research is to study the interaction between copper and the diffusion barrier/adhesion promoter. The behavior of copper sputter-deposited onto sputter-cleaned tantalum nitride is investigated. The data show that copper growth on tantalum nitride proceeds with the formation of 3-D islands, indicating poor adhesion characteristics between copper and Ta0.4N. Post-annealing experiments indicate that copper will diffuse into Ta0.4N at 800 K. Although the data suggests that Ta0.4N is effective in preventing copper diffusion, copper's inability to wet Ta0.4N will render this barrier ineffective. The interaction of copper with oxidized tantalum silicon nitride (O/TaSiN) is characterized. The data indicate that initial copper depositions result in the formation a conformal ionic layer followed by Cu(0) formation in subsequent depositions. Post-deposition annealing experiments performed indicate that although diffusion does not occur for temperatures less than 800 K, copper "de-wetting" occurs for temperatures above 500 K. These results indicate that in conditions where the substrate has been oxidized facile de-wetting of copper may occur. The behavior of a sputter-deposited Cu0.6Al0.4 film with SiO2 (Cu0.6Al0.4/SiO2) is investigated. The data indicate that aluminum segregates to the SiO2 interface and becomes oxidized. For copper coverages less than ~ 0.31 ML (based on a Cu/O atomic ratio), only Cu(I) formation is observed. At higher coverages, Cu(0) is observed. These data are in contrast with the observed behavior of copper metal deposited onto SiO2 (Cu/SiO2). The data for Cu/SiO2 show that copper does not wet SiO2 and forms 3-D nuclei. Furthermore, post-annealing experiments performed on Cu0.6Al0.4/SiO2 show that neither de-wetting nor diffusion of copper occurs for temperatures up to 800 K, while Cu diffusion into SiO2 occurs ~ 600 K. These data indicate that aluminum alloyed with copper at the SiO2 interface serves as an effective adhesion promoter and thermal diffusion barrier.

abstract: In 2022, integrated circuit interconnects will approach 10 nm and the diffusion barrier layers needed to ensure long lasting devices will be at 1 nm. This dimension means the interconnect will be dominated by the interface and it has been shown the interface is currently eroding device performance. The standard interconnect system has three layers - a Copper metal core, a Tantalum Adhesion layer and a Tantalum Nitride Diffusion Barrier Layer. An alternate interconnect schema is a Tantalum Nitride barrier layer and Silver as a metal. The adhesion layer is removed from the system along with changing to an alternate, low resistivity metal. First principles are used to assess the interface of the Silver and Tantalum Nitride. Several stoichiometric 1:1 Tantalum Nitride polymorphs are assessed and it is found that the Fe2P crystal structure is actually the most stable crystal structure which is at odds with the published phase diagram for ambient crystal structure. The surface stability of Fe2P-TaN is assessed and the absorption enthalpy of Silver adatoms is calculated. Finally, the thermodynamic stability of the TaN-Ag interconnect system is assessed. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Materials Science and Engineering 2012

Integration of sensors and silicon-based electronics for harsh environment applications is driven by the automotive industry and the maturity of semiconductor processes that allow embedding sensitive elements onto the same chip without sacrificing the performance and integrity of the electronics. Sensor devices post-processed on top of electronics by surface micromachining allow the addition of extra functionality to the fabricated ICs and creating a sensor system without significant compromise of performance. Smart sensors comprised of sensing structures integrated with silicon carbide-based electronics are receiving attention from more industries, such as aerospace, defense and energy, due to their ability to operate in very demanding conditions. This thesis describes the design and implementation of a novel, integrated thin film temperature sensor that uses a half-bridge arrangement to measure thin film platinum sensitive elements. Processes have been developed to fabricate temperature insensitive thin film tantalum nitride resistors which can be combined with the platinum elements to form the temperature transducing bridge. This circuit was designed to be integrated with an existing silicon carbide-based instrumentation amplifier by post-CMOS processing and to be initially connected to the bond pads of the amplifier input and output ports. Thin films fabricated using the developed TaN and Pt processes have been characterized using resistive test structures and crystallographic measurements of blanket thin film layer samples, and the relationship between the measurement results obtained has been analyzed. An initial demonstration of temperature sensing was performed using tantalum nitride and platinum thin film resistor element chips which were fabricated on passivated silicon substrates and bonded into high temperature packages. The bridge circuit was implemented by external connections through a printed circuit board and the bridge output was connected to a discrete instrumentation amplifier to mimic the integrated amplifier. The temperature response of the circuit measured at the output of the amplifier was found to have sensitivity of 844 μV·°C–1 over the temperature range of 25 to 100 °C. Two integrated microfabrication process flows were evaluated in this work. The initial process provided a very low yield for contact resistance structures between TaN and Pt layers, which highlighted problems with the thin film platinum deposition process. Multiple improvement options have been identified among which removal of the dielectric layer separating TaN and Pt layers and thicker Pt film were considered and a redesign of both layout and the process flow has resulted in improved yield of platinum features produced directly on top of TaN features. Temperature sensitivity of the integrated sensor devices was found to depend significantly on parasitic elements produced by thin film platinum step coverage, the values of which were measured by a set of resistive test structures. A new microfabrication design has enabled the production of a group of integrated temperature sensors that had a sensitivity of 150.84 μV·°C–1 in the temperature range between 25 and 200 °C on one of the fabricated wafers while the best fabricated batch of sensors had a sensitivity of 1079.2 μV·°C–1.

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, ausgehend vom aktuellen Stand der Technik, die Möglichkeiten der optische Glimmentladungsspektroskopie (GD-OES) für Tiefenprofilanalysen dünner und dünnster Schichten (Schichtdicken = 1 bis 100 nm) zu bestimmen und geeignete instrumentelle und methodischen Modifikationen vorzuschlagen, um die Einsatzmöglichkeiten weiter auszubauen. Dies gilt gleichermaßen unter Berücksichtigung der Anforderungen des Einsatzes im Routinebetrieb (geringe Bruttoanalysezeit und Reproduzierbarkeit) sowie in der Erforschung und der Entwicklung dünner Schichten (geringe Nachweisgrenzen, hohe Flexibilität zum Beispiel bei den analysierbaren Elementen oder der Leitfähigkeit der Proben, geringe Matrixeffekte, etc.). Während jeder GD-OES Analyse finden drei räumlich und zeitlich getrennte Teilprozesse statt: (A) durch das Zerstäuben der Oberfläche wird die Probe in der lateralen Ausdehnung des Anodendurchmessers in die Tiefe abgetragen und in die atomaren Bestandteile zerlegt (Sputterprozess); (B) in das Plasmagebiet diffundierte Partikel reagieren mit dem Analysegas (i. d. R. Argon), dadurch werden die Atome (und Ionen) der Probe in angeregte Zustände versetzt, im nachfolgenden Relaxationsschritt emittieren diese unter anderem Photonen einer charakteristischen Wellenlänge, die (C) alle in einem Detektionssystem (Mono- bzw. Polychromator oder CCD-Spektrometer) in ihrer Intensität als Funktion der spektralen Wellenlänge und der Zeit erfasst werden. Ein Vorteil der Methode, die niedrige Analysendauer bedingt durch den vergleichsweise hohen Sputterabtrag bewirkt, dass die Analyse dünner Schichten innerhalb weniger – im Extremfall sogar nur innerhalb von Bruchteilen von – Sekunden stattfindet. Dies lässt die Herausforderungen für die Analyse dünner Schichten verstehen. Der unter anderem von den elektrischen Entladungsbedingungen abhängige Sputterprozess und die komplexen Reaktionen im Plasma müssen möglichst unmittelbar (< 50 ms) nach dem Zündvorgang in einen stabilen Zustand übergehen. Einerseits ist dies instrumentell durch eine Anpassung der Steuer- und Regelungstechnik (z. B. Wahl geeigneter Druckregelventile, -sensoren, etc.) gelungen. Andererseits beeinflussen die unvermeidlichen Kontaminationen [Wasser(filme) und Kohlenwasserstoffe], die in das Plasmagebiet diffundieren, negativ die Stabilität die Entladung. Die Hauptstrategie zur Unterdrückung dieser ‚Dreckeffekte’ sind erfolgreich verschiedene Wege der ex-situ (maximalmögliche Reduzierung der Leckrate, Einsatz von Hochvakuumbauteilen, Einführung von Richtlinien zur Vakuumhygiene) und in-situ Dekontamination (aktive Desorptionsminderung durch ein Vorsputtern mit Si) gewählt worden. Erst in der Summe aller apparativen Verbesserungen ist die Voraussetzung für die Verwendung der Glimmentladungsspektroskopie als zuverlässige Methode der Dünnschichtanalytik gegeben. Für die laborpraktischen Arbeiten wurde während der sukzessiven Optimierung des Vakuumsystems als Nebenergebnis ein anwenderfreundlicher Schnelltest zur Charakterisierung des Geräts für Kurz- und Langzeitvergleiche entwickelt. Dieser wertet die Abpumpkurven bzw. Druckanstiegskurven aus. In Abhängigkeit der Bedürfnisse und dem Aufwand des Anwenders lassen sich interessante Parameter, wie das effektive Saugvermögen, eine Zeitkonstante für die Gasabgabe oder die Leckrate IL bestimmen. Die Bandbreite der untersuchten Proben ist dabei ähnlich unterschiedlich, wie die Fragestellungen: leitfähige und nichtleitfähige Proben; Nachweis und Bestimmung von Matrixelementen, Legierungsbestandteilen oder Spuren; Einfach-, Mehrlagen- und Wechselschichten, Oberflächen- und Zwischenschichten; Adsorbate an Ober- und Grenzflächen, Schichtdickenhomogenität als Teil der Qualitätskontrolle, etc. Ein Teil dieser Schichtsysteme sind in dieser Arbeit ausführlicher diskutiert worden. Das Hartstoffschichtsystem TiN gehört mit den Schichtdicken von 0,5 bis 3 µm zwar eher zu den dicken Schichten, wobei besonders der oberflächennahe Bereich (< 100 nm) zuverlässig untersucht wurde (vgl. Kap. 4.1). Mit dem Nachweis und der Quantifizierung von in der Grenzfläche (100 bzw. 1000 nm unter der Oberfläche) zwischen den elektrochemisch (ECD-Cu) und physikalisch (PVD-Cu) abgeschiedenen Cu-Schichten versteckten Adsorbaten bietet GD-OES dem Schichthersteller oder dem Werkstoffwissenschaftler wichtige Informationen, um zum Beispiel gezielt Gefügeänderungen für die Erhöhung der Elektromigrationsresistenz einzustellen. Es wurde einerseits die prinzipielle Machbarkeit und andererseits auch die Grenzen der Methode im Vergleich mit TOF-SIMS gezeigt. Ein weiteres Schichtsystem aus der Mikroelektronik ist im anschließenden Kap. 4.3 Gegenstand der GD-OES Untersuchungen. Dabei wurde nicht nur die Schichtdicken von 10 bis 50 nm dünnen TaN-Barriereschichten, sondern auch die Homogenität der Schichtdicken über einen kompletten 6’’ Wafer bestimmt. Die nachzuweisenden Unterschiede liegen im Bereich von einigen Angström bis zu wenigen Nanometern. Die GD-OES Untersuchungen von TaN zeigen zu Beginn und in der Nähe der Grenzfläche zum Substrat ungewöhnliche Intensitätsverläufe von Ta und N. Erst in Kombination mit anderen oberflächenanalytischen Verfahren (XPS und AES) gelang die Interpretation der Messergebnisse. Aus der Summe aller Argumente wird die Hypothese formuliert, dass sich im Fall des Zerstäubungsprozesses von TaN wegen der großen Unterschiede in den Atommassen ein Vorzugssputtern (engl. preferential sputtering) herausbildet. Bei anderen sputternden Verfahren, z. B. SIMS, ist dieses Phänomen längst bekannt und wurde auch für die Glimmentladungsspektroskopie vermutet. Dies konnte bislang allerdings noch nie beobachtet werden. Rechnungen mit einem Simulationsprogramm für Kollisionsvorgänge aufgrund ballistischer Effekte (TRIDYN) stützen diese Hypothese. Begünstigt wurde die Beobachtung des Vorzugssputterns durch die sauberen Messbedingungen, durch die man in Lage versetzt war, Anfangspeaks klar von Kontaminationspeak zu unterscheiden. Das vorletzte Kapitel 4.4 beschäftigt sich mit Schichten im untersten Nanometerbereich (< 5 nm). Es zeigt sich, dass die wenige Nanometer dicken, natürlichen Oxidschichten deutlich besser analysierbar sind, wenn man die in der Arbeit vorgestellte in-situ Dekontamination durch ein Vorsputtern anwendet. Die GD-OES Untersuchungen an organischen Monolagenschichten in Kap. 4.5 sind Teil einer aktuellen wissenschaftlichen Diskussion innerhalb der weltweiten GD-OES Fachwelt. Die von KENICHI SHIMIZU vorgestellten Ergebnisse konnten am Beispiel von Thioharnstoff mit RF bestätigt und erstmals auch mit einer DC-Entladung gezeigt werden. Das Verfahren der GD-OES kann qualitativ die Existenz von monomolekularen Schichten im Subnanometerbereich nachweisen. Allerdings stellen die Ergebnisse von Substraten mit anderen Molekülen die Interpretation der Intensitäts-Zeitprofile in Frage. Ein anderer Interpretationsansatz wird als Hypothese formuliert, konnte jedoch noch nicht verifiziert werden. Mit den vorgestellten Optimierungen der Messtechnik lassen sich die Möglichkeiten der Anwendung der optischen Glimmentladungsspektroskopie für die Untersuchungen dünner und dünnster Schichten deutlich erweitern.

A new high-k dielectric material, i.e., zirconium-doped tantalum oxide (Zr-doped TaOx), in the form of a sputter-deposited thin film with a thickness range of 5-100 nm, has been studied. Important applications of this new dielectric material include the gate dielectric layer for the next generation metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET). Due to the aggressive device scaling in ultra-large-scale integrated circuitry (ULSI), the ultra-thin conventional gate oxide (SiO2) is unacceptable for many practical reasons. By replacing the SiO2 layer with a high dielectric constant material (high-k), many of the problems can be solved. In this study, a novel high-k dielectric thin film, i.e., TaOx doped with Zr, was deposited and studied. The film’s electrical, chemical, and structural properties were investigated experimentally. The Zr dopant concentration and the thermal treatment condition were studied with respect to gas composition, pressure, temperature, and annealing time. Interface layer formation and properties were studied with or without an inserted thin tantalum nitride (TaNx) layer. The gate electrode material influence on the dielectric properties was also investigated. Four types of gate materials, i.e., aluminum (Al), molybdenum (Mo), molybdenum nitride (MoN), and tungsten nitride (WN), were used in this study. The films were analyzed with ESCA, XRD, SIMS, and TEM. Films were made into MOS capacitors and characterized using I-V and C-V curves. Many promising results were obtained using this kind of high-k film. It is potentially applicable to future MOS devices.

A new high-k dielectric material, i.e., zirconium-doped tantalum oxide (Zr-doped TaOx), in the form of a sputter-deposited thin film with a thickness range of 5-100 nm, has been studied. Important applications of this new dielectric material include the gate dielectric layer for the next generation metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET). Due to the aggressive device scaling in ultra-large-scale integrated circuitry (ULSI), the ultra-thin conventional gate oxide (SiO2) is unacceptable for many practical reasons. By replacing the SiO2 layer with a high dielectric constant material (high-k), many of the problems can be solved. In this study, a novel high-k dielectric thin film, i.e., TaOx doped with Zr, was deposited and studied. The film’s electrical, chemical, and structural properties were investigated experimentally. The Zr dopant concentration and the thermal treatment condition were studied with respect to gas composition, pressure, temperature, and annealing time. Interface layer formation and properties were studied with or without an inserted thin tantalum nitride (TaNx) layer. The gate electrode material influence on the dielectric properties was also investigated. Four types of gate materials, i.e., aluminum (Al), molybdenum (Mo), molybdenum nitride (MoN), and tungsten nitride (WN), were used in this study. The films were analyzed with ESCA, XRD, SIMS, and TEM. Films were made into MOS capacitors and characterized using I-V and C-V curves. Many promising results were obtained using this kind of high-k film. It is potentially applicable to future MOS devices.

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, ausgehend vom aktuellen Stand der Technik, die Möglichkeiten der optische Glimmentladungsspektroskopie (GD-OES) für Tiefenprofilanalysen dünner und dünnster Schichten (Schichtdicken = 1 bis 100 nm) zu bestimmen und geeignete instrumentelle und methodischen Modifikationen vorzuschlagen, um die Einsatzmöglichkeiten weiter auszubauen. Dies gilt gleichermaßen unter Berücksichtigung der Anforderungen des Einsatzes im Routinebetrieb (geringe Bruttoanalysezeit und Reproduzierbarkeit) sowie in der Erforschung und der Entwicklung dünner Schichten (geringe Nachweisgrenzen, hohe Flexibilität zum Beispiel bei den analysierbaren Elementen oder der Leitfähigkeit der Proben, geringe Matrixeffekte, etc.). Während jeder GD-OES Analyse finden drei räumlich und zeitlich getrennte Teilprozesse statt: (A) durch das Zerstäuben der Oberfläche wird die Probe in der lateralen Ausdehnung des Anodendurchmessers in die Tiefe abgetragen und in die atomaren Bestandteile zerlegt (Sputterprozess); (B) in das Plasmagebiet diffundierte Partikel reagieren mit dem Analysegas (i. d. R. Argon), dadurch werden die Atome (und Ionen) der Probe in angeregte Zustände versetzt, im nachfolgenden Relaxationsschritt emittieren diese unter anderem Photonen einer charakteristischen Wellenlänge, die (C) alle in einem Detektionssystem (Mono- bzw. Polychromator oder CCD-Spektrometer) in ihrer Intensität als Funktion der spektralen Wellenlänge und der Zeit erfasst werden. Ein Vorteil der Methode, die niedrige Analysendauer bedingt durch den vergleichsweise hohen Sputterabtrag bewirkt, dass die Analyse dünner Schichten innerhalb weniger – im Extremfall sogar nur innerhalb von Bruchteilen von – Sekunden stattfindet. Dies lässt die Herausforderungen für die Analyse dünner Schichten verstehen. Der unter anderem von den elektrischen Entladungsbedingungen abhängige Sputterprozess und die komplexen Reaktionen im Plasma müssen möglichst unmittelbar (< 50 ms) nach dem Zündvorgang in einen stabilen Zustand übergehen. Einerseits ist dies instrumentell durch eine Anpassung der Steuer- und Regelungstechnik (z. B. Wahl geeigneter Druckregelventile, -sensoren, etc.) gelungen. Andererseits beeinflussen die unvermeidlichen Kontaminationen [Wasser(filme) und Kohlenwasserstoffe], die in das Plasmagebiet diffundieren, negativ die Stabilität die Entladung. Die Hauptstrategie zur Unterdrückung dieser ‚Dreckeffekte’ sind erfolgreich verschiedene Wege der ex-situ (maximalmögliche Reduzierung der Leckrate, Einsatz von Hochvakuumbauteilen, Einführung von Richtlinien zur Vakuumhygiene) und in-situ Dekontamination (aktive Desorptionsminderung durch ein Vorsputtern mit Si) gewählt worden. Erst in der Summe aller apparativen Verbesserungen ist die Voraussetzung für die Verwendung der Glimmentladungsspektroskopie als zuverlässige Methode der Dünnschichtanalytik gegeben. Für die laborpraktischen Arbeiten wurde während der sukzessiven Optimierung des Vakuumsystems als Nebenergebnis ein anwenderfreundlicher Schnelltest zur Charakterisierung des Geräts für Kurz- und Langzeitvergleiche entwickelt. Dieser wertet die Abpumpkurven bzw. Druckanstiegskurven aus. In Abhängigkeit der Bedürfnisse und dem Aufwand des Anwenders lassen sich interessante Parameter, wie das effektive Saugvermögen, eine Zeitkonstante für die Gasabgabe oder die Leckrate IL bestimmen. Die Bandbreite der untersuchten Proben ist dabei ähnlich unterschiedlich, wie die Fragestellungen: leitfähige und nichtleitfähige Proben; Nachweis und Bestimmung von Matrixelementen, Legierungsbestandteilen oder Spuren; Einfach-, Mehrlagen- und Wechselschichten, Oberflächen- und Zwischenschichten; Adsorbate an Ober- und Grenzflächen, Schichtdickenhomogenität als Teil der Qualitätskontrolle, etc. Ein Teil dieser Schichtsysteme sind in dieser Arbeit ausführlicher diskutiert worden. Das Hartstoffschichtsystem TiN gehört mit den Schichtdicken von 0,5 bis 3 µm zwar eher zu den dicken Schichten, wobei besonders der oberflächennahe Bereich (< 100 nm) zuverlässig untersucht wurde (vgl. Kap. 4.1). Mit dem Nachweis und der Quantifizierung von in der Grenzfläche (100 bzw. 1000 nm unter der Oberfläche) zwischen den elektrochemisch (ECD-Cu) und physikalisch (PVD-Cu) abgeschiedenen Cu-Schichten versteckten Adsorbaten bietet GD-OES dem Schichthersteller oder dem Werkstoffwissenschaftler wichtige Informationen, um zum Beispiel gezielt Gefügeänderungen für die Erhöhung der Elektromigrationsresistenz einzustellen. Es wurde einerseits die prinzipielle Machbarkeit und andererseits auch die Grenzen der Methode im Vergleich mit TOF-SIMS gezeigt. Ein weiteres Schichtsystem aus der Mikroelektronik ist im anschließenden Kap. 4.3 Gegenstand der GD-OES Untersuchungen. Dabei wurde nicht nur die Schichtdicken von 10 bis 50 nm dünnen TaN-Barriereschichten, sondern auch die Homogenität der Schichtdicken über einen kompletten 6’’ Wafer bestimmt. Die nachzuweisenden Unterschiede liegen im Bereich von einigen Angström bis zu wenigen Nanometern. Die GD-OES Untersuchungen von TaN zeigen zu Beginn und in der Nähe der Grenzfläche zum Substrat ungewöhnliche Intensitätsverläufe von Ta und N. Erst in Kombination mit anderen oberflächenanalytischen Verfahren (XPS und AES) gelang die Interpretation der Messergebnisse. Aus der Summe aller Argumente wird die Hypothese formuliert, dass sich im Fall des Zerstäubungsprozesses von TaN wegen der großen Unterschiede in den Atommassen ein Vorzugssputtern (engl. preferential sputtering) herausbildet. Bei anderen sputternden Verfahren, z. B. SIMS, ist dieses Phänomen längst bekannt und wurde auch für die Glimmentladungsspektroskopie vermutet. Dies konnte bislang allerdings noch nie beobachtet werden. Rechnungen mit einem Simulationsprogramm für Kollisionsvorgänge aufgrund ballistischer Effekte (TRIDYN) stützen diese Hypothese. Begünstigt wurde die Beobachtung des Vorzugssputterns durch die sauberen Messbedingungen, durch die man in Lage versetzt war, Anfangspeaks klar von Kontaminationspeak zu unterscheiden. Das vorletzte Kapitel 4.4 beschäftigt sich mit Schichten im untersten Nanometerbereich (< 5 nm). Es zeigt sich, dass die wenige Nanometer dicken, natürlichen Oxidschichten deutlich besser analysierbar sind, wenn man die in der Arbeit vorgestellte in-situ Dekontamination durch ein Vorsputtern anwendet. Die GD-OES Untersuchungen an organischen Monolagenschichten in Kap. 4.5 sind Teil einer aktuellen wissenschaftlichen Diskussion innerhalb der weltweiten GD-OES Fachwelt. Die von KENICHI SHIMIZU vorgestellten Ergebnisse konnten am Beispiel von Thioharnstoff mit RF bestätigt und erstmals auch mit einer DC-Entladung gezeigt werden. Das Verfahren der GD-OES kann qualitativ die Existenz von monomolekularen Schichten im Subnanometerbereich nachweisen. Allerdings stellen die Ergebnisse von Substraten mit anderen Molekülen die Interpretation der Intensitäts-Zeitprofile in Frage. Ein anderer Interpretationsansatz wird als Hypothese formuliert, konnte jedoch noch nicht verifiziert werden. Mit den vorgestellten Optimierungen der Messtechnik lassen sich die Möglichkeiten der Anwendung der optischen Glimmentladungsspektroskopie für die Untersuchungen dünner und dünnster Schichten deutlich erweitern.

Copper films with a thickness in the nanometer range are required as seed layers for the electrochemical Cu deposition to form multilevel interconnects in ultralarge-scale integrated (ULSI) electronic devices. Continuously shrinking device dimensions and increasing aspect ratios of the dual-damascene structures in the copper-based metallization schemes put ever more stringent requirements on the films with respect to their conformality in nanostructures and thickness homogeneity across large wafers. Due to its intrinsic self-limiting film growth characteristic, atomic layer deposition (ALD) appears appropriate for homogeneously coating complex substrates and to replace conventional physical vapor deposition (PVD) methods beyond the 32 nm technology node. To overcome issues of direct Cu ALD, such as film agglomeration at higher temperatures or reduced step coverage in plasma-based processes, an ALD copper oxide film may be grown under mild processing conditions, while a subsequent reduction step converts it to metallic copper. In this poster, which was presented at the AVS 9th International Conference on Atomic Layer Deposition (ALD 2009), held in Monterey, California from 19 to 22 July 2009, we report detailed film growth studies of ALD copper oxide in the self-limiting regime on SiO2, TaN and Ru. Applications in subsequent electrochemical deposition processes are discussed, comparing Cu plating results on as-deposited PVD Ru as well as with PVD and reduced ALD Cu seed layer.