Al-Diffusion in dünnen Cu-Schichten

Abstract

Ein Al-Cu-Schichtsystem wurde in Hinblick auf Diffusionsmechanismus und Diffusionskinetik untersucht. In-situ Heizversuche nach der -first arrival-- Methode wurden mit einem TOF-SIMS Gerät durchgeführt. Die Proben wurden auf einem beheizbaren Probenträger fixiert, auf die gewünschte Temperatur gebracht und dort so lange gehalten, bis das Al+- Signal an der Oberfläche zunahm. Nach einem einfachen mathematischen Modell von Crank1 wurden der Diffusionskoeffizient und die Aktivierungsenergie des Probensystems ohne Diffusionsbarriere bestimmt. Der Diffusionskoeffizient ist in der Größenordnung 10-14 m2/s und die Aktivierungsenergie EA wurde zu 0,64 eV bestimmt. Zur Evaluierung dieser einfachen Berechnungsmethode wurden die Daten aus der Doktorarbeit von R. Venos2, welche über AES und ein spezielles Modell für Korngrenzdiffusion bestimmt wurden, mit dem einfachen Ansatz nachgerechnet. Der Unterschied wird als vernachlässigbar gering angesehen. Es wurden Proben mit verschiedenem Schichtaufbau untersucht. Als Diffusionsbarriere dienten 50, 150 und 300 nm WTi, sowie 50 nm WTiN. Diese wurden unter den gleichen Bedingungen gemessen, wie die Proben ohne Barriere. Die Proben mit 150 und 300 nm WTi und mit 50 nm WTiN stellten sich als gute Barrieren heraus, welche die Diffusion bei 400 °C für mindestens 30 Minuten unterbinden. Für das Probensystem mit 50 nm ist diese Aussage nicht so einfach zu treffen. Die Messungen der Durchbruchzeit zeigen eine große Streuung. Daraus wurde geschlossen, dass die Diffusionsbarriere nicht dicht ist. Als Grund dafür kann die niedrige Schichtdicke angesehen werden. Ob es sich dabei um richtige Löcher handelt oder um dünne Stellen, welche eine Aluminiumdiffusion nicht ausreichend unterbinden, kann nicht gesagt werden. Ein Zusammenhang zwischen Barrierefehler und Durchbruchzeit konnte nicht gefunden werden. Die laterale Verteilung des Al+- Signals wurde untersucht. Während die Verteilung bei niedrigen Temperaturen relativ homogen ist, kann bei höheren Temperaturen eine Anreicherung an den Korngrenzen beobachtet werden. Auch die Verteilung unterhalb der Oberfläche kann auf die Korngrenzen bezogen werden, was beweist, dass Al über Korngrenzdiffusion an die Oberfläche kommt.

An Al-Cu layer system was investigated with respect to diffusion mechanism and diffusion kinetics. In-situ heating measurements were performed with a TOF-SIMS instrument using the first arrival method. The samples were mounted to a heating stage and annealed at a certain temperature until the Al+ signal at the surface increased. After an easy mathematical equation by Crank1, the diffusion coefficient D is in the order of 10-14 m2/s and the activation energy is 0.64 eV for the sample system without diffusion barrier. For evaluation of the applied mathematical equations data from similar experiments with AES by R. Venos2 was compared. The more sophisticated model used there was compared with the easy approach that was applied in this work. The difference was found to be negligible. Samples with different diffusion barriers were also investigated. 50, 150 and 300 nm WTi and 50 nm WTiN served as barriers and were measured under the same conditions as the samples without diffusion barrier. The 150 and 300 nm WTi as well as the 50 nm WTiN were found to be suitable layers for preventing diffusion up to 400 °C for at least 30 min. For the sample with 50 nm no easy conclusion could be made. Measurements showed high scattering in arrival times. This was concluded to be a result of an imperfect diffusion barrier. As the barrier is really thin, it is supposed that holes and thinner regions can occur which are not able to withstand the diffusing Al. A connection between arrival times and barrier failures could not be found. The lateral distribution of the diffusing Al was investigated. Whereas the distribution is rather homogeneous at lower temperatures, enrichment along the grain boundaries on the surface is found at higher temperatures. Furthermore, the lateral distribution below the surface was investigated and it was found that Al reaches the surface via grain boundary diffusion.