Ab Initio und experimentelle Untersuchungen von Titan-Wolfram Diffusionsbarrieren : von Sebastian Bichelmaier

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde das in der Halbleiterindustrie verwendete Material Titan-Wolfram, das als Adhäsionsschicht und Diffusionsbarriere eingesetzt wird, mit Dichtefunktionaltheorie (VASP) und (harter) Röntgenphotoelektronenspektroskopie (HAXPES und XPS) untersucht, wobei versucht wurde die Verteilung des Titan in den Körnern, bzw. an den Korngrenzen, sowie den Einfluss von Wärme-behandlungen auf das Material zu bestimmen. Dafür wurden 16 Strukturdateien, sowie zwölf experimentelle Proben festgelegt. Die 16 Strukturen weisen positive Bildungsenthalpien auf, was darauf hindeutet, dass sie thermodynamisch metaoder instabil sind. Die simulierten Zustandsdichten weisen zwar Merkmale auf, die eine Unterscheidung zwischen Kornund Korngrenzen-Titan ermöglichen würden, jedoch ist der Streuquerschnitt des Titans zu klein, wodurch es in den experimentellen Untersuchungen nur eine geringe Signalintensität liefert. Dennoch wurde festgestellt, dass eine höhere Titankonzentration zu einer geringeren Zustandsdichte nahe des Ferminiveaus führt, was auch in den Experimenten an wärmebehandelten Proben sichtbar ist. Auf dieser Erkenntnis aufbauend wurde die aus der Literatur bekannte Vermutung, dass Titan beim Erhitzen aus dem Material diffundiert, bestätigt. Um dieses Phänomen besser zu verstehen wurde der Diffusionskoeffizient von Titan im Wolframkorn bestimmt. Bei den vorliegenden Temperaturen 400 C kann eine Diffusion im Korn ausgeschlossen werden, woraus geschlossen wird, dass ein signifikanter Anteil des Titans in der Korngrenze gelöst sein muss.

In this thesis the material titanium-tungsten, which is used in semiconductor industry as adhesion layer and diffusion barrier, was analyzed using density functional theory (VASP) and (hard) X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES and XPS). It was attempted to determine the distribution of titanium between bulk and grain boundaries, as well as the material's response to annealing treatments. To this end 16 structures and twelve experimental samples were identified. The 16 structures all exhibit a positive enthalpy of formation, indicating a metaor unstable state. While the simulated densities of states show characteristics that would theoretically allow for a distinction between bulk and grain boundary titanium, the cross section of titanium is too low, resulting in a low intensity of the titanium signal in the experimental data. However, it was determined that a higher titanium concentration results in a lower density of states near the Fermi energy, which is confirmed by experiment. Building on this we were able to confirm the conjecture from literature, that titanium diffuses out of the material when annealed. To better understand this phenomenon, the diffusion coefficient of titanium in bulk tungsten was determined. For the temperatures at hand 400 C, bulk diffusion is not relevant. Consequently, a significant portion of titanium has to be located in the grain boundary in the first place.