Refractory high entropy alloy thin films as diffusion barriers for microelectronic applications

Titel in Übersetzung: Refraktäre Hochentropielegierungsschichten als Diffusionssperren für Mikroelektronikanwendungen

Georg Gruber

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Refraktäre Hochentropie-Legierungen (HEAs) stellen eine neue Klasse von Werkstoffen dar, die vielversprechende Eigenschaften wie eine hohe Härte, eine gute thermische Stabilität und eine träge Diffusion aufweisen. Dies macht sie zu potenziellen Kandidaten für verschiedene Anwendungen wie zum Beispiel Diffusionsbarrieren in Mikroelektronikbauteilen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden HEA Schichten mithilfe von Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern abgeschieden. Für den Beschichtungsprozess wurden equimolare MoNbTaW Targets, welche entweder mit Ti, V, Cr, Mn, Zr oder Hf als fünftes Element legiert waren, benutzt. Die chemische Zusammensetzung der Schichten spiegelte in etwa die Zusammensetzung der Targets wider. Bei allen Schichten wurde der Einfluss des fünften Legierungselements auf die Mikrostruktur und die Schichteigenschaften untersucht. Generell hatten alle Schichten eine kubisch raumzentrierte (krz) Mikrostruktur. Die krz Mikrostruktur der HEA-Schichten, welche Ti, V oder Cr enthalten, bleibt selbst nach dem Glühen bei 1200 °C erhalten. Des Weiteren wurden die Beschichtungsparameter der Zr-haltigen Schicht so optimiert, dass es möglich war, amorphe Schichten abzuscheiden. Amorphe Schichten haben bei der Anwendung als Diffusionsbarrieren den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu polykristallinen Diffusionsbarrieren keine Korngrenzen haben, welche als schnelle Diffusionswege genutzt werden können. Die Diffusionsbarriereneignung wurde mithilfe von 20 nm dicken HEA- und HEA-Nitridschichten, welche sich zwischen dem Si Substrat und einer Cu Schicht befanden, überprüft. Die HEA-Nitridschichten erhielten die Barrierewirkung bis zu einer Temperatur von 800 °C aufrecht; im Gegensatz dazu versagten die metallischen HEA-Schichten schon bei einer Temperatur von 700 °C. Aus den Ergebnissen der Diffusionsbarrierenuntersuchungen lässt sich für Metall- und Nitrid-HEA-Diffusionsbarrieren je eine Regel ableiten: (i) für Metalle "Die Mischungsenthalpie zwischen Cu und allen Elementen innerhalb der HEA Diffusionsbarriere soll positiv sein" und (ii) für Nitride "Die Bildungsenthalpie für Nitride aller Elemente innerhalb der HEA-Diffusionsbarriere soll so hoch wie möglich sein". Im Rahmen dieser Arbeit wurde das große Potenzial dieser HEA- und HEA-Nitridschichten für neue Legierungen für Diffusionsbarrieren aufgezeigt und das Wissen über die Synthese-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von MoNbTaW-basierten Schichten erweitert.
Titel in ÜbersetzungRefraktäre Hochentropielegierungsschichten als Diffusionssperren für Mikroelektronikanwendungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Schalk, Nina, Beurteiler A (intern)
  • Mayrhofer, Paul Heinz, Beurteiler B (extern)
  • Mitterer, Christian, Betreuer (intern)
  • Cordill, Megan, Mitbetreuer (intern)
Datum der Bewilligung30 Juni 2023
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Dünnschichten
  • Magnetronsputtern
  • Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern
  • Hochentropielegierungen
  • MoNbTaW
  • Refraktärmetall
  • Diffusionsbarrieren

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