In-vacuo-Untersuchungen zum initialen Aufwachsverhalten bei der Atomlagenabscheidung mittels Photoelektronenspektroskopie und Rastersondentechniken am Beispiel Ruthenium

Der initiale Wachstumsmechanismus während des Übergangs von einer heterogenen Oberfläche zu einer homogenen Schicht ist einer der wichtigen Forschungsschwerpunkte der ALD. Informationen zu chemischen Reaktionen und dem damit verbundenen Wachstumsverhalten sind essentiell, um Grenzflächeneigenschaften hinsichtlich der Funktionalität ultra-dünner Schichten zu verbessern. Eine Ultrahochvakuum-Kombinationsanlage am Institut für Halbleiter- und Mikrosystemtechnik der TU Dresden (IHM) vereint das Potential der Photoelektronenspektroskopie mit dessen oberflächensensitiver Bestimmung chemischer Zusammensetzungen und Rastersondentechniken wie Atomkraftmikroskopie und Rastertunnelmikroskopie zur Bestimmung struktureller Eigenschaften zur In-vacuo-Untersuchung von Wachstumsmechanismen während der ALD. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des ALD-Wachstums von Ruthenium mit dem Präkursor ECPR und molekularem Sauerstoff. Die Kombinationsanlage ermöglicht die Bestimmung der initialen Grenzflächenreaktionen während eines einzelnen Präkursorpulses und somit eines halben ALD-Zykluses. Während des homogenen Ru-auf-Ru-Schichtwachstums zeigt das Entstehen und Verschwinden eines O 1s XP-Signals an der Oberfläche den Einbau und den Verbrauch von Sauerstoff. Diese Beobachtung bestätigt die katalytische Wirkung von Ruthenium und die damit verbundene Dissoziation des Sauerstoffs. Der Mangel an Adsorptionsplätzen und der verzögert einsetzenden katalytischen Wirkung der Rutheniuminseln haben substrat-begrenztes ALD-Wachstum auf Si (HF geätzt), Al2O3(C) und TaNx(C, O) zur Folge. Dennoch unterscheidet sich die Präkursoradsorption im allerersten Präkursorpuls. Die Menge der adsorbierten ECPR-Moleküle ist auf einem in vacuo hergestellten TaNx-Substrat erhöht, aufgrund der Oberflächenterminierung mit Aminogruppen durch den vorausgehenden ALD-Prozess. Rastersondenmikroskopie ermöglicht die Bestimmung der Änderung der Oberflächentopographie im Falle von Inselwachstum. Die geometrischen Informationen der Inseln und der aus dem XP-Signal abgeschätzten mittleren Schichtdicke bilden die Grundlage zur Erklärung des Wachstumsverhaltens mit einem erweiterten Nilsen-Modell. Die Entstehung leitfähiger und zunehmend miteinander verbundenen Rutheniuminseln bis hin zur ultradünnen geschlossenen Rutheniumschicht wird mit rastertunnelmikroskopischen Messungen aufgezeigt. Die Korrelation zwischen der Änderung der visualisierten leitfähigen Rutheniumbereiche, der chemischen Oberflächenzusammensetzung, der Oberflächenrauheit und der elektrischen Charakterisierung mittels der photoelektronischen Zustandsdichte nahe der Fermikante zeigt das hohe Potential des kombinierten ALD-Analytik-Systems zur Untersuchung der initialen ALD-Wachstumsmechanismen.