Vor dem Hintergrund der in der Mikroelektronik-Fertigung heute verbreiteten Kupfertechnologie werden in der vorliegenden Arbeit drei neuartige metallorganische Verbindungen, nämlich phosphitstabilisierte Kupfer(I)-Trifluoracetat-Komplexe vorgestellt und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) von Kupfer untersucht. Im einzelnen handelt es ich um die Substanzen Tris(trimethylphosphit)kupfer(I)trifluoracetat (METFA), Tris(triethylphosphit)kupfer(I)trifluoracetat (ETTFA) und Tri(tris(trifluorethyl)phosphit)kupfer(I)trifluoracetat (CFTFA). Mit den Substanzen erfolgen CVD-Experimente auf TiN und Cu bei Temperaturen <400°C. Die Precursoren werden dabei mittels eines Flüssigdosiersystems mit Verdampfereinheit der Reaktionskammer zugeführt. Während METFA wegen seiner ausreichend geringen Viskosität unverdünnt verwendet werden kann, kommen für ETTFA und CFTFA jeweils Precursor-Acetonitril-Gemische zum Einsatz. Mit keinem der Neustoffe können auf TiN geschlossene Kupferschichten erzeugt werden, während dies auf Kupferunterlagen in Verbindung mit Wasserstoff als Reduktionsmittel gelingt. Die Abscheiderate beträgt hierbei 2-3nm/min; der spezifische Widerstand der Schichten bewegt sich zwischen 4μΩcm und 5μΩcm. Mit allen Substanzen werden besonders an dünnen, gesputterten Kupferschichten Agglomerationserscheinungen und Lochbildung beobachtet. Im Fall von CFTFA treten zusätzlich Schäden am darunterliegenden TiN/SiO2-Schichtstapel auf. Vergleichende Untersuchungen mit der für die Cu-CVD etablierten Substanz (TMVS)Cu(hfac) ergeben sowohl auf Cu als auch auf TiN geschlossene Kupferschichten. Dabei liegen die Abscheideraten bei Temperaturen zwischen 180°C und 200°C im allgemeinen deutlich über 100nm/min. Ein Vergleich dieser Resultate mit den Ergebnissen für die Neustoffe legt nahe, dass den untersuchten Kupfer(I)-Trifluoracetaten keine ausreichende Tauglichkeit für Cu-CVD-Prozesse in der Mikroelektronik-Technologie bescheinigt werden kann. Die im Vergleich zu (TMVS)Cu(hfac) höhere thermische Stabilität der Precursoren und ihre Fähigkeit, mit Wasserstoff als Reaktionspartner auf Cu geschlossene Kupferschichten erzeugen zu können, deutet jedoch auf ihre eventuelle Eignung für ALD-Prozesse hin. Daher widmet sich die Arbeit in einem abschließenden Kapitel dem Thema der Atomic Layer Deposition (ALD), wobei nach einem allgemeinen Überblick besonders auf für die Mikroelektronik relevante ALD-Prozesse eingegangen wird.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
1.1 Derzeitige Metallisierungstechnologie
1.2 CVD-Prozesse zur Metallabscheidung
2 Bewertung neuer Kupferprecursoren
2.1 Anforderungen an die Substanzen
2.2 Neustoffe
2.3 Tris(triethylphosphit)kupfer(I)trifluoracetat (ETTFA)
2.3.1 Charakteristika des Precursors
2.3.2 CVD-Experimente im Versuchsreaktor
2.3.3 Abscheidung in der CVD-Anlage Varian Gartek
2.4 Tris(trimethylphosphit)kupfer(I)trifluoracetat (METFA)
2.4.1 Charakteristika des Precursors
2.4.2 CVD-Experimente im Versuchsreaktor
2.4.3 Abscheidung in der CVD-Anlage Varian Gartek
2.5 Tri(tris(trifluorethyl)phosphit)kupfer(I)trifluoracetat (CFTFA)
2.5.1 Charakteristika des Precursors
2.5.2 CVD-Experimente im Versuchsreaktor
2.5.3 Abscheidung in der CVD-Anlage Varian Gartek
2.6 Zusammenfassende Bewertung; Ausblick
3 CupraSelectTM
3.1 Precursoreigenschaften und Reaktionsmechanismus
3.2 Abscheidung auf einer Kupferkeimschicht
3.3 Abscheidung auf gesputtertem TiN
4 Atomlagenabscheidung (ALD)
4.1 Charakteristika des Verfahrens
4.1.1 Prozessführung
4.1.2 Reaktanden und Schichtbildung
4.1.3 Reaktoren
4.2 Entwicklungstendenzen
4.2.1 Elektrolumineszenzdisplays
4.2.2 Verbindungshalbleiter
4.3 ALD-Prozesse für die Mikroelektronik
4.3.1 Front End of Line
4.3.2 Back End of Line
4.4 Hersteller
5 Zusammenfassung
A Anlagenbeschreibung
A.1 CVD-Versuchsreaktor
A.2 CVD-Anlage Varian Gartek
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit bewertet die Eignung neu entwickelter metallorganischer Kupfer-Precursoren (ETTFA, METFA, CFTFA) für die chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) in der mikroelektronischen Metallisierung und vergleicht diese mit dem Industriestandard CupraSelect™.
- Charakterisierung neuer phosphitstabilisierter Kupfer(I)-Trifluoracetat-Verbindungen.
- Analyse des Abscheideverhaltens von MOCVD-Prozessen auf Kupferstartschichten und Barrierematerialien wie Titannitrid.
- Untersuchung der thermischen Eigenschaften mittels TGA/DSC sowie der Schichtqualität durch REM/EDX.
- Evaluierung der Prozessparameter und Einflüsse von Lösungsmitteln und Reduktionsmitteln wie Wasserstoff.
- Diskussion der Atomlagenabscheidung (ALD) als komplementäre Technik zur Erzeugung dünner Keimschichten.
Auszug aus dem Buch
2.1 Anforderungen an die Substanzen
Um für den Einsatz zur CVD-Metallisierung mikroelektronischer Schaltkreise geeignet zu sein, müssen die Precursoren eine Reihe von Anforderungen erfüllen, die im Folgenden dargestellt werden sollen [16].
Dosierung
Für eine kontrollierte Schichtabscheidung muss die verwendete Quellsubstanz der Reaktionskammer kontrolliert und mit einer definierten Rate zugeführt werden können. Sofern es sich nicht um ein Reaktionsgas handelt, dessen Fluss mit Hilfe eines Massenflussreglers (MFC) gesteuert werden kann, stehen prinzipiell zwei Methoden der Dosierung zur Verfügung.
Eine Anordnung, in der ein Gas, welches man durch eine Flüssigkeit leitet, mit dieser beladen wird, wird als Dampfdrucksättiger oder Bubbler bezeichnet. Mit solch einem System können flüssige Precursoren dosiert werden. Ihren Fluss steuert man über den Gasfluss sowie den Druck des Trägergases. Im Allgemeinen wird das Bubblergefäß hierbei temperiert, um einen genügend hohen Dampfdruck der zu dosierenden Substanz zu gewährleisten.
Eine andere Möglichkeit, die sowohl die Dosierung von Flüssigkeiten als auch gelösten Feststoffen erlaubt, ist ein so genanntes Liquid Delivery System (Flüssigdosiersystem, LDS). Dabei wird der zu dosierende Precursor im flüssigen Zustand bis an eine Düse herantransportiert, in der er fein zerstäubt und mit einem Trägergas vermischt wird. Anschließend wird das Aerosol erhitzt, wodurch sich der Precursordampf im Trägergas löst. Das erhaltene Gasgemisch wird anschließend über beheizte Leitungen der Prozesskammer zugeführt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Erläutert die Notwendigkeit des Übergangs zu Kupfer als Leitermaterial in der Halbleitertechnologie sowie die grundlegenden Herausforderungen der Metallisierung und CVD-Prozesse.
2 Bewertung neuer Kupferprecursoren: Detaillierte Untersuchung von ETTFA, METFA und CFTFA hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften, thermischen Stabilität und Abscheideresultate in MOCVD-Reaktoren.
3 CupraSelectTM: Analyse des etablierten Precursors als Referenzsubstanz, wobei insbesondere der Reaktionsmechanismus und die Schichtqualität unter optimierten Bedingungen betrachtet werden.
4 Atomlagenabscheidung (ALD): Einführung in die Grundlagen, Reaktoren und Entwicklungstendenzen der ALD mit Fokus auf deren Potenzial für zukünftige mikroelektronische Anwendungen.
5 Zusammenfassung: Abschließende Bewertung der untersuchten Precursoren und Vergleich mit dem Industriestandard; Ausblick auf den Forschungsbedarf zur Optimierung der Abscheideprozesse.
A Anlagenbeschreibung: Detaillierte technische Erläuterung der verwendeten Apparaturen, einschließlich des Versuchsreaktors und der CVD-Anlage Varian Gartek.
Schlüsselwörter
CVD, MOCVD, Metallisierung, Kupferprecursoren, Mikroelektronik, Halbleiter, ETTFA, METFA, CFTFA, CupraSelect, Atomlagenabscheidung, ALD, Titannitrid, Schichtwiderstand, Prozessparameter.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Es geht um die Evaluierung neuartiger metallorganischer Kupfer-Verbindungen als potenzielle Precursoren für die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) zur Metallisierung in der Mikroelektronik.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen die chemische Charakterisierung der neuen Substanzen, die Untersuchung ihrer Eignung in MOCVD-Anlagen sowie die Analyse der resultierenden Kupferschichten auf Wafern.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Prüfung, ob die neuen Precursoren (ETTFA, METFA, CFTFA) im Vergleich zum etablierten CupraSelect™ konkurrenzfähig sind, um künftige Anforderungen der Mikroelektronik zu erfüllen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt unter anderem Thermogravimetrie (TG), Differenzthermoanalyse (DSC), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Energiedispersive Röntgenspektrometrie (EDX) sowie spezifische elektrische Widerstandsmessungen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich detailliert mit der Synthese bzw. den Eigenschaften der drei Kupfer(I)-Trifluoracetate, führt Experimente zur Abscheidung auf unterschiedlichen Substraten durch und diskutiert Probleme wie Agglomeration und Ätzprozesse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind CVD, MOCVD, Metallisierung, Kupferprecursoren, Mikroelektronik, ALD, Schichtwiderstand und Oberflächencharakterisierung.
Warum schneidet CupraSelect™ bisher besser ab als die untersuchten Neustoffe?
CupraSelect™ erfüllt die Anforderungen an Reinheit, Abscheiderate und Schichtqualität besser; die Neustoffe zeigen bei den Versuchen oft unerwünschte Agglomerationserscheinungen oder eine zu geringe Wachstumsrate.
Welchen Einfluss hat Wasserstoff auf den Abscheideprozess bei den neuen Precursoren?
Die Zugabe von Wasserstoff kann die Keimdichte erhöhen und bei einigen Substanzen die Abscheidung geschlossener Filme begünstigen, wirkt jedoch bei der Lochbildung auf Barrierematerialien nur begrenzt entgegen.
Welche Herausforderungen bestehen bei der Verwendung von CFTFA?
Neben der geringen Abscheiderate zeigt CFTFA einen aggressiven Angriff auf die Unterlage (TiN/SiO2), was zu unerwünschten Ätzprozessen führt, die den Schichtaufbau behindern.
- Citation du texte
- Thomas Wächtler (Auteur), 2004, Bewertung neuartiger metallorganischer Precursoren für die chemische Gasphasenabscheidung von Kupfer für Metallisierungssysteme der Mikroelektronik, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/92779
