In situ ARXPS Charakterisierung von tantalbasierten Barriereschichten

In situ characterization of tantalum based barrier films

  • Als eine Folge der Miniaturisierung aller integrierten elektrischen Bauteile wird der spezifische Widerstand der TaN/Ta Doppelsperrschichten ein zunehmend wichtiger Parameter für die Schaltgeschwindigkeit beim 32 nm Technologieknoten. In Rahmen dieser Arbeit wird die Optimierung der Abscheidung von TaN/Ta Stapeln durchgeführt, mit dem Ziel die Tantalnitridschichtdicke zu minimieren und das Tantal in der leitfähigeren alpha-Phase wachsen zu lassen. Im ersten Teil der Studie wurde in situ ARXPS verwendet, um das Wachstum von verschiedenen Tantalnitridschichten auf SiO2 und SiCOH in Abhängigkeit der Abscheidezeit, des Stickstoffflusses und der Abscheideleistung zu untersuchen. Im zweiten Teil wurde die kristalline Phase 20 nm dicken Tantal Schichten abgeschieden auf verschiedenen Tantalnitridschichten, die in der Wachstumsstudie vorgestellt worden sind, untersucht. Die wichtigsten Erkenntnisse sind das Auftreten von Tantalkarbid und Tantalsilizid als Zwischenschichtverbindungen bei der Abscheidung auf SiCOH und nur Tantalsilizid für dieAls eine Folge der Miniaturisierung aller integrierten elektrischen Bauteile wird der spezifische Widerstand der TaN/Ta Doppelsperrschichten ein zunehmend wichtiger Parameter für die Schaltgeschwindigkeit beim 32 nm Technologieknoten. In Rahmen dieser Arbeit wird die Optimierung der Abscheidung von TaN/Ta Stapeln durchgeführt, mit dem Ziel die Tantalnitridschichtdicke zu minimieren und das Tantal in der leitfähigeren alpha-Phase wachsen zu lassen. Im ersten Teil der Studie wurde in situ ARXPS verwendet, um das Wachstum von verschiedenen Tantalnitridschichten auf SiO2 und SiCOH in Abhängigkeit der Abscheidezeit, des Stickstoffflusses und der Abscheideleistung zu untersuchen. Im zweiten Teil wurde die kristalline Phase 20 nm dicken Tantal Schichten abgeschieden auf verschiedenen Tantalnitridschichten, die in der Wachstumsstudie vorgestellt worden sind, untersucht. Die wichtigsten Erkenntnisse sind das Auftreten von Tantalkarbid und Tantalsilizid als Zwischenschichtverbindungen bei der Abscheidung auf SiCOH und nur Tantalsilizid für die Abscheidung auf SiO2. Demzufolge wächst alpha-Tantal vorzugsweise auf Tantalkarbid und stickstoffreichen Zwischenschichten, während Silizid an der Schnittstelle das Wachstum von beta-Tantal fördert. Um die Ergebnisse zu überprüfen, wurden zwei weitere Modifikationen des Interfaces untersucht. So wurde eine kleinere Bias-Leistung für eine Abscheidung von Tantalnitrid auf SiO2 benutzt, um die Rolle des Tantalsilizids zu bestätigen. Außerdem wurde eine thermische Behandlung einer dünnen Tantalschicht auf SiCOH durchgeführt, um die Rolle des Tantalkarbids zu bestätigen. Schließlich ergab die Kontaktwiderstandsmessung in Viaketten auf strukturierten Wafern für vier ausgewählte Prozesse tendenziell den gleichen Verlauf wie die Schichtwiderstandsergebnisse der entsprechenden Barrierenaufbauten der Experimente auf blanken Testwafern.show moreshow less
  • As a consequence of device shrinking the resistivity of the widely used TaN/Ta double barrier layer becomes an increasingly important parameter for device speed beyond the 32nm technology node. In this study the optimization of the deposition of TaN/Ta stacks was performed in such a way that tantalum nitride layer thickness is minimized and tantalum grows in the favorable conducting alpha-phase. In the first part of the study in situ ARXPS was used to investigate the growth of different tantalum nitride layers on SiO2 and SiOCH as a function of deposition time, nitrogen flow and deposition power. In the second part the crystalline phase of 20 nm thick tantalum layers deposited on top of the same series of tantalum nitride layers characterized in the growth study was analyzed. The main findings are the appearance of tantalum carbide and tantalum silicide as interface species for the deposition on SiOCH and only tantalum silicide for the deposition on SiO2. So alpha-tantalum grows preferably on tantalum carbide and nitrogen richAs a consequence of device shrinking the resistivity of the widely used TaN/Ta double barrier layer becomes an increasingly important parameter for device speed beyond the 32nm technology node. In this study the optimization of the deposition of TaN/Ta stacks was performed in such a way that tantalum nitride layer thickness is minimized and tantalum grows in the favorable conducting alpha-phase. In the first part of the study in situ ARXPS was used to investigate the growth of different tantalum nitride layers on SiO2 and SiOCH as a function of deposition time, nitrogen flow and deposition power. In the second part the crystalline phase of 20 nm thick tantalum layers deposited on top of the same series of tantalum nitride layers characterized in the growth study was analyzed. The main findings are the appearance of tantalum carbide and tantalum silicide as interface species for the deposition on SiOCH and only tantalum silicide for the deposition on SiO2. So alpha-tantalum grows preferably on tantalum carbide and nitrogen rich intermediate layers whereas silicide at the interface promotes the growth of beta-tantalum. To verify these findings two additional modifications of the interface were studied. A lower bias power for a deposition of tantalum nitride on SiO2 was used to confirm the role of tantalum silicide and a thermal treatment of a thin tantalum layer on SiOCH was applied to confirm the role of tantalum carbide. Finally, the contact resistance in via chains on patterned wafers for four selected processes showed the same trends as the sheet resistance of the corresponding barrier films on blanket wafer experiments.show moreshow less

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Metadaten
Author: Lukas Gerlich
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-28485
Referee / Advisor:Prof. Dr. Dieter Schmeißer
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2012
Date of final exam:2012/11/16
Release Date:2013/08/02
Tag:ARXPS; Barriere; Interface; Tantal
ARXPS; Barrier; Interface; Tantalum
GND Keyword:Photoelektronenspektroskopie
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Angewandte Physik und Halbleiterspektroskopie
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Angewandte Physik / Sensorik
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