In situ nucleation studies of ALD Copper thin films

Abstract

Ettersom moderne elektroniske enheter stadig blir mindre og mer komplekse, vil ultratynne kobberfilmer med skarpe grensesnitt bli uunnværlige i fremtiden. Oppløsning på atomnivå kan oppnåes ved atom lag deponering(ALD), en teknikk som kan skryte av høy overflatekonformitet og stor kontroll over sammensetning og tykkelse. Deponering av Cu-filmer ved bruk av denne teknikken fremstår som ekstremt lovende, men prosessen er ennå ikke kontrollerbar nok til å passe til industriens behov. For å bedre kunne fremstille tynne og kontinuerlige filmer er det avgjørende å forstå og kontrollere det tidlige, ikke-ensartede deponeringsstadiet; kjernedannelsefasen. Kjernedannelsefasen er foreløpig dårlig forstått og for å forbedre dette ble det utført arbeid for å kombinere ALD med XAS og FTIR in situ for å samle informasjon om veksten i dette tidlige stadiet. Å utføre ALD-studier in situ krever tilpassede ALD-systemer som kan samhandle med karakteriseringsverktøyet.

I denne oppgaven vil arbeidet med å utvikle og bruke slike systemer bli presentert. Et modulært rammeverk ble brukt til å utvikle to ALD-systemer, tilpasset henoldsvis en utført in situ røntgen absorpsjons spektroskopi (XAS) ALD-studie og en planlagt in situ fourier-transformert infrarød spektroskopi (FTIR) studie. En ekstra ramme ble utviklet og bygget for å støtte og hjelpe til å justere inn XAS ALD-systemet under studien. En in situ lav vinkels XAS ALD-studie ble utført ved Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) ved SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, California. Studien var i stor grad mislykket, der tidsbegrensninger og vankeligheter med å justere inn systemet gjorde at ingen publiseringsverdig informasjon eller insikt vart oppnåd. Forberedende arbeid for en in situ FTIR-studie ble også gjennomført, men på grunn av COVID-19-situasjonen kunne denne studien dessverre ikke bli utført. Selv om arbeidet med denne oppgaven ikke resulterte i publiserbar informasjon eller innsikt angående kjernedannelsefasen, konkluderes det med at ettersom noe XAS-måledata vart oppnåd er det utviklede systemet og opppsettet for utføringer av denne typen tester en suksess. Ved å gjøre noen foreslåtte endringer blir det ansett som meget sannsynlig at en fremtidig gjentakelse av XAS studien eller utførelse av andre lignende in situ ALD-studier ved bruk av det utviklede systemet kan gi resultater.

Progressing towards smaller and more complex modern devices, ultra-thin copper films with sharp interfaces will become indispensable. Atomic resolution provided by atomic layer deposition (ALD), boasts high surface conformality and great control over composition and thickness. Deposition of Cu films using this technique appears extremely promising, however the process is not yet controllable enough to suit industry needs. To better fabricate thin and continuous films, it is critical to understand and control the early, non-uniform stage of deposition; the nucleation phase. The nucleation phase is for the time being poorly understood and to improve this, work was performed to combine ALD with XAS and FTIR in situ to gather information about the growth in this early stage. Performing in situ ALD studies requires custom ALD systems capable of interacting with the characterization tool.

In this thesis the work of developing and using such systems will be presented. A modular framework was used to develop custom ALD systems for a conducted in situ X-ray absorption spectroscopy (XAS) ALD study and a planed in situ fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) study. An additional support frame was developed and built to support and help align the XAS ALD system during the XAS study. An in situ low incidence XAS ALD study was conducted at the Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) at SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, California. The study was largely unsuccessfully, due to time restrictions and alignment difficulties, and provided no publishable information or fundamental insight regarding the nucleation phase. However some XAS measurement data was obtained. Preparatory work for an in situ FTIR study was also performed, but due to the COVID-19 situation this study could unfortunately not be conducted. While the work of this thesis resulted in no information or insight regarding the copper nucleation phase, the fact that XAS measurement data of the sample surface was obtained is concluded to provide a proof of the developed systems ability to perform the in situ XAS ALD studies. By making some proposed changes to the system, it is considered highly likely that a future reattempt at the XAS study or performing other similar in situ ALD studies using the developed system could yield results.