Focused Ion Beam basierte Metallisierung für sub - 100nm - Bauelemente

Abstract

Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung in der Mikroelektronik wurde die Focused-Ion-Beam-Technologie zu einem weit verbreiteten Verfahren zur Mikrostrukturierung und zur lokalen Abscheidung von Leiter- und Isolatorstrukturen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Erweiterung dieser Technologie auf die Ebene mikroelektronischer Bauelemente untersucht. Wolfram wurde mit Hilfe eines 50keV Galliumionenstrahls abgeschieden. Wir untersuchten das Wachstum der abgeschiedenen Wolframschichten und bestimmten die elektrischen Eigenschaften des Materials mittels speziell fuer die Focused-Ion-Beam-Technologie entwickelten Teststrukturen. Die zeitaufgeloesten Untersuchungen der fruehen Stadien des Schichtwachstums zeigen die Existenz zweier unterscheidbarer Phasen im zeitlichen Ablauf des Schichtwachstums. Die Abscheidung beginnt mit der Bildung von mikroskopischen Wolframkeimen oder Nuklei. Nach deren Entstehung beginnen die Nuklei zusammenzuwachsen und bilden dadurch zunehmend groessere Wolframstrukturen, bis dieser Prozess schliesslich in die Entstehung einer ebenen Wolframoberflaeche muendet. Von diesem Stadium an ist die Abscheidung durch das lineare Wachstum gekennzeichnet und kann durch ein mathematisches Modell beschrieben werden. Dieses Modell, das die Prozessparameter der ionenunterstuetzten Abscheidung mit der Wachstumsrate der Schichten verknuepft, erlaubt die Extraktion der optimalen Prozessparameter fuer die gewuenschten Wachstumsraten und Abscheidungsausbeuten. Mit Hilfe der Augerelektronenspektroskopie wurde die elementare Zusammensetzung des abgeschiedenen Metalls zu 60% Wolfram, 20% Kohlenstoff und 20% Gallium bestimmt werden. Weiterfuehrende Untersuchungen mittels Sekundaerionenmassenspektroskopie zeigten die Existenz einer etwa 50nm dicken durch atomare Vermischung auf Grund des energiereichen Ionenstrahls entstandene Uebergangszone zwischen den Abgeschiedenen Schichten und dem darunter liegenden Substrat. Im Hinblick auf die elektrische Charakterisierung des abgeschiedenen Wolframs wurden der spezifische elektrische Widerstand der Schichten selbst und der spezifische Kontaktwiderstand zu hoch p- und hoch n-dotiertem Silizium gemessen. Dafuer wurden eigens mikroskopische Teststrukturen entwickelt. Der Schichtwiderstand und der spezifische Widerstand der Wolframschichten wurden mit van-der-Pauw-Teststrukturen die eine genaue Vierpunktmessung erlauben bestimmt. Fuer die Vierpunktmessung an Wolfram-Silizium-Kontakten wurden mikroskopische Kelvin-Teststrukturen entwickelt und eingesetzt. Der spezifische Widerstand wurde zu 250#my##OMEGA#cm bestimmt und die Messungen des spezifische Kontaktwiderstandes von Wolfram zu p"+-dotiertem Silizium ergaben 5,3#*#10"-6 #OMEGA#cm"2 und zu n"+-dotiertem Silizium einen Wert von 1,08#*#10"-4 #OMEGA#cm"2. Die prinzipielle Anwendbarkeit der untersuchten FIB-gestuetzten Wolframmetallisierung fuer die Mikroelektronik konnte durch die direkte Kontaktierung eines aktiven Halbleiterbauelements unter Beweis gestellt werden. Ein p-MOS-Transistor wurde in einem massgeschneiderten FIB-Prozess mit Wolframkontakten elektrisch angeschlossen und vermessen. Die gemessenen Kennlinien zeigen, dass die Transistoreigenschaften durch den ionengestuetzten Prozess nicht merklich zerstoert werden.

In the course of the miniaturization of microelectronics focused ion beam systems became widely used for microetching and microdeposition. In this work this technology is extended to the device level. The deposition of tungsten was achieved by a 50keV gallium ion beam. We investigate the growth of the deposited tungsten layers and quantify the electrical properties by means of specially designed test structures. The time resolved studies of the early stages of focused ion beam induced layer growth showed two distinguishable regimes of deposition. The deposition starts with the formation of microscopic tungsten nuclei. These nuclei start to coalesce to larger tungsten structures. This process ends up in the formation of a plane tungsten surface. From there on the deposition is characterized by linear growth and can be described by a mathematical model incorporating the parameters of the focused ion beam based deposition process. The model also allows the extraction of optimal process parameters to achieve the desired growth rates and deposition yields. Auger electron spectroscopy revealed, that the focused ion beam deposited metal layers consist of 60% tungsten, 20% carbon and 20% gallium. Further investigations with secondary ion mass spectroscopy indicate a 50nm thick transition zone between the deposited layer and the substrate where strong atomic intermixing is driven by the high energetic ion beam during deposition. Within the scope of the electrical characterization of the focused ion beam deposited tungsten was the measurement of the electrical resistivity of the metal layers and the specific contact resistance to silicon. Therefore, we designed specialized microscopic test structures. The sheet resistance and the resistivity was measured by means of well designed van der Pauw structures which allow accurate four point measurements. Microscopic Kelvin cross resistors were developed for precise four point measurements of the contact resistance of focused ion beam prepared contacts of tungsten to highly n- and p-doped silicon. We found a resistivity of 250#my##OMEGA#cm and the focused ion beam tungsten to p"+-doped silicon contacts had a specific contact resistance of 5,3#*#10"-6 #OMEGA#cm"2. The tungsten to n"+-doped silicon contacts had a specific contact resistance of 1,08#*#10"-4 #OMEGA#cm"2. Finally, we show the function of a p-MOSFET that is fully metalized by direct written focused ion beam tungsten. The measured characteristics show the principal transistor properties conserved, which proofs the feasibility of focused ion beam based metallization for direct contacting of active devices.