Előadást letölteni
Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon
KiadtaViktória Vargané Megváltozta több, mint 10 éve
1
Diffúziós folyamatok vizsgálata szekunder neuttrális-rész tömeg- spektrometriával Diffúziós folyamatok vizsgálata szekunder neuttrális-rész tömeg- spektrometriával ELFT Vákuumfizikai Szakcsoport ELFT Vákuumfizikai Szakcsoport Lakatos Ákos Debreceni Egyetem Szilárdtest Fizika Tanszék Budapest, 2009.11.17.
2
Tartalom Bevezetés ◦Vékonyrétegek alkalmazása ◦Diffúzió szilárdtestekben ◦Diffúziós barrierek ◦Mintakészítés, hőkezelés ◦SNMS technológia Eredmények 1. ◦Ta, Tao, Ta/TaO diffúziós barrierek Eredmények 2. ◦A profilok illesztése ◦Ta diffúziója rézben Összefoglalás
3
Vékonyrétegek alkalmazása Vékonyrétegek alkalmazása: Mikroelektronika Napelemek Épületek üvegein alkalmazott hővédő bevonatok Optika stb. Termikus stabilitás Degradáció: diffúziós (térfogati, szemcsehatár diffúziós) folyamatok következménye. Jelentős szabadenergia felesleg -> instabilak Alumínium helyett más kontakt anyag szükséges. Pl.: Co,Cu Problémák a kontakt anyagokkal (reakció Si, O)
4
Diffúzió szilárdtestekben Diffúzió: Mint ismeretes, ha a szilárd anyagban a szennyezőatomok vagy a vakanciák sűrűséggradiense nem nulla, akkor szennyezőatom-, illetve vakanciaáram indul meg a szilárd anyagban. Diffúziós kinetikák: A, B, C ◦„A” kinetika: A diffúziós hőkezelések hosszúak, magas hőmérsékleten történnek, és/vagy kicsik a szemcsék az anyagban. A diffúzió inkább a térfogatban zajlik, de a szemcsehatár menti anyagtranszport sem elhanyagolandó ◦„B” kinetika: az anyag térfogati diffúzióval a felületről és a szemcsehatárokból bejut a szemcsékbe. ◦„C” kinetika: Amennyiben a térfogati behatolás jóval kisebb, mint a szemcsehatárok szélessége, akkor az anyagtranszport gyakorlatilag csak a szemcsehatárokon keresztül zajlik.
5
Diffúziós barrierek Legfontosabb célok egyike a mikroelektrinikában a diffúziós zárórétegek kutatása. Kölcsönhatások kiküszöbölése Ta, Ti, Mg, W), valamint ezek oxidjai, nitridjei, karbidjai. Elektromos tulajdonságaik jók, termikus tekintetben stabilak, valamint kiváló az adhéziójuk a SiO 2 -hoz.
6
Diffúziós barrierek A szilíciumról köztudott, hogy könnyen képez fém- szilicideket. Ezért fontos a megfelelő diffúziós barrier. A jó diffúziós záróréteg legfontosabb tulajdonságai a következők: ◦nem lép reakcióba sem a fém, sem a félvezető réteggel; ◦megakadályozza a fém behatolását a szilíciumba és fordítva. Az ideális diffúziós barrier az elektronokra teljesen „átlátszó” az atomokra teljesen „átlátszatlan” és inert.
7
Mintakészítés, hőkezelés Mintakészítés DC magnetronos porlasztóban történt Hőkezelés: Vákuumban illetve Ar gázban
8
SNMS technológia A másodlagos ionizáció elvi vázlata A másodlagos ionizáció kísérleti megvalósítása •Nincs mátrix effektus. •Az alacsony bombázó energia (10 2 eV) és a homogén plazma profil extrém nagy mélységi feloldást eredményez (< 2 nm). Ebben az esetben az SNMS detektálási limit 10 ppm. •Ambios XP-1 profilométer.
9
Diffúzió vizsgálata SNMS-sel
10
Diffúziós barrierek vizsgálata Si/Ta/Cu/W, Si/TaO/Cu/W és Si/Ta/TaO/Cu/W SNMS technológiával Si/Ta(10nm)/Cu(25nm)/W(10nm) Si/TaO x (10nm)/Cu(25nm)/W(10nm) Si/Ta(5nm)TaO x (5nm)/Cu(25nm)/W(10nm)
11
Si/Ta(10nm)/Cu(25nm)/W(10nm) A hőkezeletlen Si/Ta/Cu/W minta koncentráció-mélység profilja Hőkezelt Si/Ta/Cu/W minta Ta koncentráció profilja Egy hőkezeletlen és egy 550 C-on hőkezelt Si/Ta/Cu/W minta Si koncentráció profilja
12
Si/Ta(10nm)/Cu(25nm)/W(10nm) Észrevehető, hogy 300 o C-ig nem történik változás, majd magasabb hőmérsékleten a tantál atomok elkezdik feltölteni a réz szemcsehatárait, és szegregálnak W/Cu határfelületnél. Továbbá láthatjuk, hogy 550 o C-on a szilícium feltölti a tantál szemcsehatárait és összekeverednek, továbbá a szilícium is megjelenik W/Cu határfelületnél.
13
Si/TaO x (10nm)/Cu(25nm)/W(10nm) A tantál tiszta oxigén plazmában lett ráporlasztva a szilíciumra (reaktív porlasztás), majd ismételt vákkumra szívást követően argongázban lett leporlasztva a réz és a volfrám. A TaOx réteg amorf. XPS mérések megállapították a TaOx arányát, ami 2,35 ±10 %-nak adódott. Ez közel áll a Ta2O5 (tantál-pentoxid) elméletileg ideális diffúziós-barrier összetételhez. Továbbá az is megfigyelhető, hogy a Cu/TaO x határfelületnél megjelenik egy vékony réz-oxid réteg is. Hőkezeletlen Si/TaOx/Cu/W minta TEM felvétele
14
Si/TaO x (10nm)/Cu(25nm)/W(10nm) Hőkezeletlen Si/TaOx/Cu/W minta koncentráció profilja Hőkezeletlen és 500 C-on 1 óráig hőkezelt Si/TaOx/Cu/W minta Si, és TaOx profilja
15
Si/TaO x (10nm)/Cu(25nm)/W(10nm) 400-450 o C-ig stabil a rendszer 550 o C felett a szilícium elkezd diffundálni a TaO x rétegen keresztül, és szegregál a réz/volfrám határfelületnél. 550 o C felett a rétegrendszer gyors leromlása vehető észre a TaOx réteg kristályosodási folyamatának köszönhetően. A profil érdekessége, hogy a TaOx megjelenik a rézben.
16
Si/Ta(5nm)TaO x (5nm)/Cu(25nm)/W(10nm) ◦500 oC-ig nem történt változás a profilokban. ◦550 oC felett két szembetűnő változás fedezhető fel: Az egyik, hogy a Ta-TaOx határfelület ellaposodik, a szilícium atomok elindulnak a zárórétegen keresztül, és szegregálnak a Cu/TaO és W/Cu határfelületen is. ◦Ezzel egy időben a réz elkezd diffundálni a TaOx-Ta rétegekbe. ◦A folyamat során az tapasztalható, hogy a tiszta tantál réteg folyamatosan oxidálódik, ezzel új TaOx réteget létrehozva. 750 o C-on hőkezelt Si/Ta/TaOx/Cu/W minta SNMS profilja
17
Profilok illesztése, diffúziós együtthatók meghatározása 1. A) Szemcsehatár diffúziós együttható meghatározása „Átbukkanási kísérletből” B) Effektív diffúziós együttható meghatározása a „Centrál-gradiens” módszerrel
18
„Átbukkanási kísérlet” Egy multirétegben diffundáló anyag egy másik, tőle távolabbi határfelületen történő első megjelenésének az észlelését nevezzük átbukkanási kísérletnek. Az anyag megjelenésének első észlelése, jó lehetőséget biztosít szemcsehatár diffúziós együttható meghatározására.
19
Ta szemcsehatár diffúziós együttható A fenti egyenlet alkalmazásával Ta rézbeli D szh értékre 320 o C-on 1 óra hőkezelés után D sz =10 -19 m 2 /s-et kapunk, ha „C” szemcsehatár kinetikát feltételezünk, mivel alacsony hőmérsékleten hőkezeltünk. Ez az érték a Ta szemcsehatár diffúzióját mutatja meg a réz leggyorsabb diffúziós úthosszain keresztül.
20
Ta diffúziója a Cu-ban Hőkezelés 320 o C-on 1, 3, 6 óráig
21
A Ta diffúziója Cu-ban A Ta atomok gyorsan átdiffundálnak a Cu réteg leggyorsabb szemcsehatárain, az úgynevezett hármas-szemcsehatár találkozásokon (triple junctions) keresztül. Majd akkumulálódnak a Cu/W határfelületen. Az akkumulálódott atomok másodlagos diffúziós forrásként Ta rézbeli visszadiffúziót kezdeményeznek a lassabb diffúziós utakon keresztül, ezzel rézrétegbeli feltöltődést előidézve.
22
A Ta diffúziója Cu-ban A folyamat megértésében a következő ábra nyújt segítséget. A rézrétegbeli különböző diffúziós utak szemléltetése a Si/Ta/Cu/W rendszerben
23
További megfigyelések Azt mondhatjuk, hogy mindkét időfüggés t 1/2 típusú időfüggést követ.
24
Profilok illesztése, diffúziós együtthatók meghatározása 2. A ‘centrál-gradiens’ módszer: ◦A Ta/Cu határfelületi keveredéséből effektív kölcsönös szemcsehatár diffúziós együtthatók határozhatók meg az úgynevezett „centrál- gradiens” módszerrel. A módszer azért lényeges, mert az SNMS berendezésnek vannak olyan effektusai, ami a hőkezeletlen, sima határfelületeket is kissé össze mossa.
25
Feltételek: ◦a koncentráció profiloknak legyen véges kezdeti eloszlása. ◦Elhanyagolható legyen a keveredés koncentráció függése. ◦A koncentráció profil erfc függvény szerint függjön a mélységtől. A‘centrál-gradiens’ módszer’
26
Effektív kölcsönös szemcsehatár diffúziós együtthatók Hőmérséklet Si/Ta/Cu/W (K) Hőkezelési idő (Óra) D cg Ta (m 2 /s) Hiba ± (m 2 /s) 47314,71E-243,15E-23 59316,31E-235,24E-23 67311,66E-221,87E-23 77314,33E-221,16E-22 82317,00E-222,63E-22
27
Ezen D cg értékek eltérése a D fa értéktől azzal magyarázható, hogy a különböző atomi transzportok eltérő diffúziós utakon (szemcsehatárokon) keresztül történnek. A Ta/Cu határfelületi keveredés és a Ta atomok átbukkanása a W/Cu határfelületre a leggyorsabb diffúziós utakon keresztül (triple junctions) megy végbe. Továbbá a hőkezelési idők növekedésével egyre lassabb szemcsehatárokon keresztül folyik a diffúzió. Ez a D cg hőkezelési idő függését is magyarázza 593 K- en. Hőmérséklet Si/Ta/Cu/W (K) Hőkezel ési idő (Óra) D cg Ta (m 2 /s) Hiba ± (m 2 /s) 59316,31E-235,24E-23 59334,98E-231,61E-23 59361,45E-231,23E-23
28
Eredmények B A centrál gradiens módszerből kapott D-k 1/T-beli ábrázolásából (Arrhenius diagram) 100 kJ/mol nagyságú aktivációs energiát kaptuk. Ez az érték megközelítőleg a fele a Cu térfogati öndiffúziós aktivációs energiájának alacsony hőmérsékleti tartományban: Q o =203,6 kJ/mol.
29
Ta szegregációs faktor meghatározása A Cu öndiffúziós radiotracer-es kísérletekből 593 K-en vett értékek (D-k, Aktivációs energia) megfelelő felső korlát lehet számításainkban. D=10 -23 m 2 /s A TEM felvétel Átlagos réz szemcseméret: 10 nm Szemcsehatár szélesség: 0.5 nm A szemcsehatár hányad 5% A Ta behatolási mélysége: 0.5 nm 1 óra hőkezelés után Feltételezzünk 100 ppm-et a Ta Cu-beli oldékonyságra (alacsony, nincs keveredés). A Ta átlagkoncentrációja a rézrétegben 4% A Ta szemcsehatár koncentrációja 80% Kb. 8000 adódik a „k” Ta szegregációs faktorra.
30
Összefoglalás 1 A Ta és ötvözetei jó diffúziós zárórétegnek bizonyultak a kísérletek során. A Ta és TaO rétegek külön-külön történő alkalmazásánál, az irodalom által is jelzett Ta/TaO vegyes réteg bizonyult jobb diffúziós zárórétegnek, ez egy úgynevezett „öngyógyuló-záróréteg.
31
Összefoglalás 2 Gyors Ta transzport a Cu szemcsehatárain keresztül és akkumuláció a W/Cu határfelületen. ‘Átbukkanási kísérlet’: D fa :10 - 19 m 2 /s 593 K-en ’Centrál-Gradiens’ módszer effektív (Szh) diffúziós koeffeciensek 473 - 773 K-en ◦D cg :10 -24 – 10 -22 m 2 /s Aktivációs energia: 100 kJ/mol Ta szegregációs faktor a rézben : 8000
32
Kollégáim: ◦Dr. Langer Gábor ◦Dr. Erdélyi Gábor ◦Dr. Daróczi Lajos ◦Dr. Vad Kálmán ◦Dr. Csik Attila ◦Dr.Tóth József ◦Prof. Dr. Beke Dezső Kapcsolódó Publikációk: A. Lakatos et al. Investigations of failure mechanisms at Ta and TaO diffusion barriers by secondary neutral mass spectrometry Vacuum 84 130-133 (2009) A.Lakatos et al: Investigations of diffusion kinetics in Si/Ta/Cu/W and Si/Co/Ta systems by Secondary Neutral Mass Spectrometry, Vacuum elfogadva
Hasonló előadás
© 2024 SlidePlayer.hu Inc.
All rights reserved.