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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:18149 |
| Date | 20 June 2003 |
| Creators | Baumann, Jens |
| Contributors | Gessner, Thomas, Richter, Frank, Bartha, Johann, Technische Universität Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Source | 3-8322-2532-3 |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | qucosa:18157 |
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