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.

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