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In the framework of this thesis, synchrotron radiation based spectroscopy methods are applied to study the electronic structures of stoichiometric Rutile single crystals and TiO2 thin films, and the initial stage of chromium and cobalt growth on TiO2 thin films. Resonance photoemission spectroscopy of clean TiO2 at the Ti L2,3 edges led to Auger-like features, with kinetic energies corresponding to the Ti L2,3M4,5M4,5 Auger decay channels. The presence of these features is assigned to origin from a d2L2 charge transfer state. The resonance of the Ti L3M2,3V Auger channel at the Ti L2 edge is assigned to the L2L3V Coster-Kronig Auger, followed by the normal L3M2,3V Auger decay. The deposition of chromium on the TiO2 film causes a strong interaction at the interface, in which TiO(2-x) is formed together with chromium in the Cr 3+ state. Besides the oxidized component, contribution of metallic chromium is found as well. In the ultra-low coverage regime, post-deposition oxidation is observed, in which metallic chromium is oxidized to Cr2O3, accompanied by re-oxidation of the substrate to TiO2. The interface reaction is also reflected by the appearance of two defect states in the band gap. Resonant photo-emission at the Cr 2p and Ti 2p edges shows well distinguishable Cr 3d respectively Ti 3d character of the respective states. Indications for self-cleaning properties are found by removal of surface carbon during storage in UHV, but the influence of chromium on these properties is not studied in detail. The interaction between cobalt and TiO2 is weaker than that of chromium and TiO2. Nevertheless, an interface reaction is found, in which some of the deposited cobalt is oxidized, while the oxide support is partly reduced. The particular oxidation state of Cobalt is identified by means of multiplet calculation including charge transfer and crystal field effects. The calculated XAS and XPS spectra indicate Co 2+ in a tetrahedral coordination with four oxygen atoms. The metallic component of cobalt gives rise to a broad resonance in the valence band down to -20 eV, with a pronounced satellite feature that reflects the oxidized component.
Effects of advanced process approaches on electromigration degradation of Cu on-chip interconnects
(2007)
This thesis provides a methodology for the investigation of electromigration (EM) in Cu-based interconnects. An experimental framework based on in-situ scanning electron microscopy (SEM) investigations was developed for that purpose. It is capable to visualize the EM-induced void formation and evolution in multi-level test structures in real time. Different types of interconnects were investigated. Furthermore, stressed and unstressed samples were studied applying advanced physical analysis techniques in order to obtain additional information about the microstructure of the interconnects as well as interfaces and grain boundaries. These data were correlated to the observed degradation phenomena. Correlations of the experimental results to recently established theoretical models were highlighted. Three types of Cu-based interconnects were studied. Pure Cu interconnects were compared to Al-alloyed (CuAl) and CoWP-coated interconnects. The latter two represent potential approaches that address EM-related reliability concerns. It was found that in such interconnects the dominant diffusion path is no longer the Cu/capping layer interface for interconnects as in pure Cu interconnects. Instead, void nucleation occurs at the bottom Cu/barrier interface with significant effects from grain boundaries. Moreover, the in-situ investigations revealed that the initial void nucleation does not occur at the cathode end of the lines but several micrometers away from it. The mean times-to-failure of CuAl and CoWP-coated interconnects were increased by at least one order of magnitude compared to Cu interconnects. The improvements were attributed to the presence of foreign metal atoms at the Cu/capping layer interface. Post-mortem EBSD investigations were used to reveal the microstructure of the tested samples. The data were correlated to the in-situ observations.
A series of two-dimensional and three-dimensional quasi-steady state numerical simulations have been performed for the initial stages (seeding process) of the Czochralski (CZ) growth of oxide crystals using the finite element method (FEM). We have considered different cases and configurations with respect to real systems in the CZ-dielectrics laboratory of the Institute for Crystal Growth (IKZ). Using induction heating in metallic parts as heat source the fluid flow and temperature field were determined in the whole CZ system. The aim of these calculations was to investigate and reveal the effect of several parameters such as the geometry and location of an active afterheater with respect to the crucible, arrangement and design of thermal insulation, crucible bottom shape, and seed rotation rate on the flow and temperature field of the system and the seed-melt interface shape. The results demonstrate that the temperature and fluid flow in the gas domain is strongly affected by an active afterheater and its insulation as well as their geometry and position. The results also show the important role played by the seed rotation rate for influencing the shape of the seed-melt interface.
Wachstumsphänomene und Stickstoffdotierung bei der Sublimationszüchtung von 6H-Siliciumcarbid
(2001)
Die Keimoberfläche ist durch das Vorhandensein einer Störschicht charakterisiert, die durch die mechanische Kristallbearbeitung hervorgerufen wird. Diese Schicht kann die Ursache für zusätzliche Defekte sein. Die Untersuchungen der Oberflächenmorphologie zeigen, daß ein Überschuß an Silicium im Quellmaterial notwendig ist, um ein defektfreies Wachstum in den ersten Stadien zu ermöglichen. Sowohl ein Oxidationsschritt vor dem Wachstum als auch die Anwendung von fehlorientierten Keimen führten nicht zum gewünschten Stufenfluß. Im Konzentrationsbereich von 1x10^18 <= c_N (cm^-3) <= 3x10^19 wurden 6H-SiC-Einkristalle gezüchtet, sowohl auf (0001)- als auch (000-1)-Keimen. Der Einbau von Stickstoff bewirkt das Absinken der Wachstumsgeschwindigkeit, was mit dem ''site-competition''-Modell erklärt werden kann. Die Sättigung der Stickstoffkonzentration im Kristall in Abhängigkeit vom N_2/Ar-Verhältnis konnte durch eine Langmuir-Isotherme beschrieben werden. Die Polarität der Keimoberfläche beeinflußt den Stickstoffeinbau. Die Stickstoffkonzentration im gewachsenen Kristall ist auf der C-terminierten Fläche ca. doppelt so hoch wie auf der Si-terminierten. Es wurde gezeigt, daß die Oberflächenmorphologie zusätzlich zur Keimpolarität den Stickstoffeinbau beeinflußt.
In this thesis the detailed investigations concerning processing and stability of thin films including carbon species and their possible application as materials of a low dielectric constant (low k) are presented. In order to gather a complex information regarding the chemical, morphological and dielectric properties of the produced layer a combination of the spectroscopy: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), microscopy: atomic force microscopy (AFM) and electrical characterization: capacitance-voltage technique (CV) have been applied. The films deposited by means of variety of techniques have been described, ranging from evaporation, through spraying and dropping to spin-coating. Regarding the possible low-k application, a considerable attention has been paid to the hybrid organic-inorganic 3-aminopropyl-trimethoxysilane (APTMS) based composite materials enriched with carbon species coming from the following dopants: C60 fullerenes, [6,6]-phenyl-C61-butyric acid (PCBM), copper phthalocyanine (CuPc), and tris(dimethylvinylsilyloxy)-POSS (POSS). In the following thesis progressive steps leading to gradual decreasing of the resulting permittivity of the hybrid material is presented. As revealed by the performed investigations, the replacement of C60 within the APTMS based matrix by its better soluble derivative PCBM allows the increase of the concentration of the carbon species within the composite films. The introduction of POSS as an additional dopant gave the opportunity of increasing the resistance of the produced material against the ambient influence. With the excess of the POSS concentration an original fractal-shaped cluster formation has been observed. Finally, the dispersion of the properly chosen low concentration of CuPc and POSS molecules within the APTMS based matrix led to the fabrication of homogenous layer with an ultra-low dielectric constant of 1.8.
Die vorliegende Arbeit behandelt CuInS2-Filme, die mittels Molekularstrahlepitaxie auf einkristallinen Si- und GaAs-Substraten unterschiedlicher Orientierung abgeschieden wurden. In-situ kamen dabei photoelektronenspektroskopische Analysemethoden und die Beugung niederenergetischer Elektronen zum Einsatz. Ex-situ wurden die Filme mittels Röntgenstrukturanalyse, Ionenrückstreuung und Photolumineszenz untersucht. Zunächst wurde die Bandanpassung des Si(111)/CuInS2(112)-Heteroübergangs bestimmt, wobei die Grenzfläche durch das Auftreten von Fremdphasen und durch Interdiffusion nicht ideal und stark gestört erscheint. Es wurde ein Grenzflächendipol von etwa 1 eV ermittelt. Der Vergleich der chemischen Zusammensetzung an der Filmoberfläche und im Filmvolumen deutet auf einen Konzentrationsgradienten in der Schicht hin. Unabhängig vom Cu/In-Verhältnis wurde eine schwefelarme Oberfläche gefunden. Zudem zeigen Cu-reiche CuInS2-Filme unabhängig von der Substratorientierung ein [112]-orientiertes Wachstum, wogegen im In-reichen Präparationsregime die Kristallorientierung des Substrates übernommen wird.
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 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.
Als Modellsystem für gleichrichtende Heterokontakte von Dünnschichtsolarzellen wurden polykristalline ZnO-Filme auf Si mittels Magnetron-Sputtern und metallorganischer Gasstrahldeposition (MOCBD) abgeschieden. Mit Photoelektronenspektroskopie wurden bis zu 3 chemische Grenzflächenkomponenten gefunden: SiOx, eine Willemit-artige Mischphase und reduziertes Zn0. Letzteres kann über die Sputterparameter Bias-Potenzial und O2-Partialdruck kontrolliert werden. Mit MOCBD wurden auf Si(111):H abrupte Heterokontakte präpariert. Ferner tritt an Korngrenzen und der Oberfläche Hydroxid auf. Dies kann durch Heizen entfernt werden. Während der Messungen traten energetische Verschiebungen der Spektren auf, die die Auswertung der Grenzflächenenergetik stören. Zur Erklärung wurde folgendes Modell entwickelt: In einem schnellen Oberflächenprozess findet Photolyse von Hydroxid statt, wodurch H2O oder mobile OH-Gruppen gebildet werden, die Sauerstoffvakanzen ausheilen und so die n-Dotierung vermindern. In einem langsameren Volumenprozess wird durch Photolyse von ZnO die n-Dotierung erhöht.
Einige Effekte von Silizium sind bis heute ungeklärt. Dazu zählt Oxidation von hoch-dotiertem n-Si in Fluor-haltigen Säuren im Dunkeln. Diese Oxidation wurde erstmals systematisch untersucht und zur Grundlage eines Modells für Elektroneninjektion gemacht. Die angenommenen Oberflächenkomplexen erklären den Einsatz der Kennlinien. Weitere Untersuchungen zur Identifizierung des Komplexes sowie seiner energetischen Position bieten sich an. Mit zyklischen Voltammogrammen wurde gezeigt, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Potentials entscheidend für die Gestalt der Kennlinien ist. Schon 20mV/s ist für das untersuchte System zu schnell, um einen Gleichgewichtszustand zu erreichen. Dies wird durch die Ausbildung von Hysteresen klar erkennbar. Der initielle Strompuls zeigt eine vielfache Stromdichte gegenüber den bekannten Werten der nachfolgenden Oszillationspulse. Die Wasserstoff-terminierte Grenzfläche wird innerhalb weniger Zehntelsekunden oxidiert und passiviert. Alle nachfolgenden Strompulse können als weniger gut synchronisierte Oxidationen verstanden werden.
Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen die Untersuchung von Fanointerferenzen innerhalb der wissenschaftlichen Methode der resonanten Photoelektronenspektroskopie. Basis dieser Methode ist die Interpretation aus dem Festkörper emittierter Elektronen. Die detektierten Elektronen können dabei aus direkten Photoemissionen oder Deaktivierungsprozessen (Spectator-/Participator-Zerfälle) nach resonanten Anregungen von Rumpfelektronen stammen. Führen beide Prozesse zum selben Systemendzustand, können die emittierten Elektronen interferieren, was sich in der Ausprägung eines charakteristischen Intensitätsprofils, dem Fano-Profil, äußert. Die Form des Intensitätsprofils kann dabei über den Fanoparameter q beschrieben werden.
Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Diskussion von Fanointerferenzen an organischen (HOPG, Graphenflocken) und oxidischen (CuO, In2O3, SiO2) Materialsystemen.
Im HOPG und den untersuchten Graphenflocken konnten mittels der Analyse der Fanoprofile exzitonische Zustände innerhalb der Bandlücke nachgewiesen werden.
Durch die Untersuchungen am CuO konnte die Variation des Fanoparameters in Abhängigkeit vom Grundzustand des Systems gezeigt werden.
Die für die untersuchten In2O3 Einristalle beobachteten Interferenzen beruhen auf der Existenz besetzter Zustände an der Fermienergie.
Abschließend konnte eine Korrelation des jeweils auftretenden Fanoparameters mit den beobachteten multi-hole-Auger-Zerfällen nachgewiesen werden.
