Growth and Characterization of Self-forming Diffusion Barrier Layers  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
81808
Type K
Principal investigator Radnóczi, György
Title in Hungarian Önszerveződő diffúziós barrier rétegek kialakulása és tulajdonságai
Title in English Growth and Characterization of Self-forming Diffusion Barrier Layers
Keywords in Hungarian Cu/Mn kontaktus rétegek, diffúziós barrier, önszerveződő nanorétegek
Keywords in English Cu/Mn contacts and interconnects, diffuzion barrier, felf-forming nanolayers
Discipline
Material Science and Technology (electronics) (Council of Physical Sciences)80 %
Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences)20 %
Ortelius classification: CMOS technology
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent Institute of Technical Physics and Materials Science (MTA Centre for Energy Research)
Participants Czigány, Zsolt
Lábár, János
Menyhárd, Miklós
Misják, Fanni
Pécz, Béla
Starting date 2010-03-01
Closing date 2015-02-28
Funding (in million HUF) 0.134
FTE (full time equivalent) 8.64
state closed project
Summary in Hungarian
A tervezett projekt célja, hogy az önszerveződéssel létrejövő határfelületi rétegek kialakulásának atomi mechanizmusait és kinetikáját feltárja, hogy ezzel az ilyen típusú rétegek technológiai alkalmazásának tudományos hátterét megalapozza. A kutatáshoz modellrendszerként a Cu-Mn-SiO2 rendszert választottuk annak a CMOS technológiában való ígéretes alkalmazási lehetőségei miatt. Az intergrált áramkörök fejlesztésénél az egyre kisebb méretekre törekvés nagy kihívást jelent az ipar számára. Megoldandó problémaként jelentkezik, hogy a tranzisztorok között összekötő vezetékként alkalmazott réz ne diffundáljon a dielektrikumba. Ezt a hagyományos eljárások során diffúziós barrier alkalmazásával próbálják megelőzni. A méretek csökkentésével azonban a diffúziós barrier vastagságát is csökkenteni kell, ami előállítási nehézségeket von maga után. A project legfontosabb várható eredményei a rendszerben lejátszódó fizikai és kémiai mechanizmusok megértése, amelyek a barrier réteg önszerveződő módon való kialakulására vezethetnek. Ez magában foglalja a SiO2–ra növesztett Cu-Mn vékonyrétegrendszer lehetséges fázisainak, a megfelelő szerkezeteknek és morfológiáknak a feltérképezését és azonosítását. További feladat a kialalkuló barrier réteg diffúziós tulajdonságainak mérése és a vastagságtól, összetételtől és szerkezettől való függésének meghatározása.
Summary
The scope of the project is to substantially contribute to the basic knowledge of atomic mechanisms and kinetics of self organized interfacial layer formation in order to facilitate their use in technological processes. As a model system the Cu-Mn-SiO2 system has been selected due to its promising future application on CMOS technology.
The use of copper as the metal of choice for interconnects between transistors in integrated circuit fabrication has required the development of complex barrier layers to prevent the interdiffusion of copper and silicon. As the dimensions of the copper lines decrease it is necessary to significantly reduce the thickness of the barrier layers which is difficult to achieve with the current technology. This project will investigate strategies to optimize self forming barrier layers on a range of technologically relevant dielectric materials, mainly on SiO2, by depositing metal alloys at elevated temperatures with segregating to the interface components to produce the ultrathin barriers required for future device technologies.
- The project will be focused on the basic material science of the self forming structures modelled by the Cu/Mn self segregation barrier formation on dielectrics.
- The main deliverables of the project are understanding of interface chemistry and the kinetics of barrier formation with the microstructure of the copper film and the interfacial layer. This includes the mapping of the phase diagram of the Cu-Mn thin film system on SiO2 and the corresponding structures and morphologies on nanoscale. A further step is the measurement of the diffusion barrier properties of the forming oxide interlayers, as the function of their thickness, composition and structure.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Zárójelentés az OTKA 81808 projektről 2010-2014 Önszerveződő diffúziós barrier rétegek kialakulása és tulajdonságai Az eredmények megmutatták, hogy a Cu-Mn ötvözet rétegek a 10-30 at% Mn tartalom tartományban szerkezeti, felület-morfológiai és elektromos valamint mechanikai tulajdonságuk alapján jó eséllyel szolgálhatnak integrált áramköri alkalmazások céljára kontaktus vagy összekötő vezetékek anyagaként. A Cu-Mn rétegek részletes szerkezetvizsgálata és a SiO2 hordozóval történő reakciók elemzése feltárta a barrier rétegek spontán keletkezésének eddig nem ismert lehetőségét a 40-70 at% Mn tartalom tartományban. A barrier rétegek spontán kialakulásának megismerése a jelenség és gradiens rétegek alkalmazásával új utakat nyit az összekötő vezetékek és önszerveződő barrier rétegek integrált áramköri technológiája számára. A projekt igen sikeres volt egyetemi hallgatók kutatási tevékenységbe való bevonásában. Három kimagasló (2 első és 1 második) helyezést értek el hallgatóink a országos és kari TDK versenyeken. Három hallgató végezte ezen a projekten nyári gyakorlatát, 6 BSc és 3 MSc diplomamunka készült a projekt keretében. A projekt két kutatója pedig a projekt témájában Bolyai ösztöndíjat kapott és azt sikeresen be is fejezte a projekten végzett munkája eredményeként.
Results in English
Final report on the OTKA 81808 project 2010-2014 Formation and properties of self-forming diffusion barrier layers. It can be concluded that Cu-Mn alloys in the 10-30 at % Mn region on the basis of their structural- and surface properties, resistivity and hardness are a good candidate for the use in IC interconnect applications. Detailed structural analysis of the Cu-Mn alloy films and their interfacial reactions with SiO2 substrates revealed the possibility of spontaneous formation of barrier layers in the 40-70 at% Mn concentration region. The possibility of spontaneous formation of the barrier layer opens new ways for using gradient layers in the interconnect- and self-forming barrier layer technology. The project was very successful in involving students in research activity. We achieved three outstanding results (2 first and 1 second place) in TDK (national student competition), three summer training students, six finished BSc theses and three MSc theses. Besides of these, two of the project participants were receiving the János Bolyai scholarship for facilitating their professional development.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=81808
Decision
Yes





 

List of publications

 
F. Misják, Zs. Czigány, G. Radnóczi: Composition dependence of film structure and morphology in CuMn sputtered alloy films, JVC13 Joint Vacuum Congress June 20-24, 2010 Strbske Pleso, Slovakia, 2010
Gyorgy Radnóczi: Application of electron microscopy for solving problems in materials science, Workshop on “Materials Science and Technology, Politecnico di Milano, Miláno, 2010. oct. 29, 2010
Zs. Czigány: Plan-View Preparation of TEM Specimens from Thin Films Using Adhesive Tape, Microscopy and Microanalysis 17 (2011) 886-888, 2011
F. Misják, Zs. Czigány, O. Geszti, S. Gurbán, M. Menyhárd, G. Radnóczi: Cu-Mn sputtered alloy films: structure and phase separation, ICTF-15, Kyoto, 2011. nov. szóbeli előadás, 2011
G. Radnóczi, F. Misják, L. Székely, P.B. Barna: Phase separation mechanisms and the formation of nanocomposite films, ICTF-15, Kyoto, 2011. nov. meghívott előadás, 2011
Misják Fanni, Czigány Zsolt, Geszti Tamásné, Rudolf Ádám, Gurbán Sándor, Menyhárd Miklós, Radnóczi György: SELF DIFFUSION BARRIERS IN INTEGRATED CIRCUITS, Magyar Mikroszkópos Konferencia, Siófok, 2011. szóbeli előadás, 2011
Zsolt Czigány, Fanni Misják, Olga Geszti and György Radnóczi: TEM investigation of the formation of solid solution phases in Cu-Mn alloy thin films deposited by DC magnetron sputtering, 10th Multinational Congress on Electron Microscopy, Urbino, Italy, 2011. meghívott előadás, 2011
Zs. Czigány, F. Misják, O. Geszti, T. Kolonits, Gy. Radnóczi: Phase diagram of Cu-Mn alloy thin films deposited by DC magnetron sputtering, Conference of Hungarian Society of Microscopy May 19-21, 2011 Siófok, Hungary, szóbeli előadás, 2011
Zs. Czigány: Identification of fullerene-like and other nanostructures by electron diffraction, Autumn School of Roland Eötvös Physical Society, October 5-7, 2011, Visegrád, Hungary, szóbeli előadás., 2011
Zsolt Czigány, Fanni Misják, György Radnóczi: Development of phases and morphology in DC sputtered Cu-Mn alloy thin films at temperatures below 600ºC., Proceedings of the 15th European Microscopy Congress. Konferencia helye, ideje: Manchester, Anglia, 2012.09.16-2012.09.21. Manchester: Paper 0044., 2012
Zs. Czigány, F. Misják, O. Geszti, Gy. Radnóczi: Structure and phase formation in Cu–Mn alloy thin films deposited at room temperature, ACTA MATERIALIA 60:(20) pp. 7226-7231. (2012), 2012
Labar JL, Adamik M, Barna BP, Czigany Z, Fogarassy Z, Horvath ZE, Geszti O, Misjak F, Morgiel J, Radnoczi G, Safran G, Szekely L, Szuts T: Electron Diffraction Based Analysis of Phase Fractions and Texture in Nanocrystalline Thin Films, Part III: Application Examples, MICROSCOPY AND MICROANALYSIS 18:(2) pp. 406-420. (2012), 2012
Fanni Misják, Zsolt Czigány, András Kovács, György Radnóczi: Nanostructure of sputtered Cu-Mn alloy films, Proceedings of 15th European Microscopy Congress. Konferencia helye, ideje: Manchester, Anglia, 2012.09.16-2012.09.21. Manchester: Paper 0178., 2012
E Bokányi, Z Erdélyi, F Misják, G Radnóczi: Producing Cu-Ag core-shell nanoparticles by spinodal decomposition, Proceedings of the 15th European Microscopy Congress. Konferencia helye, ideje: Manchester, Anglia, 2012.09.16-2012.09.21. Manchester, 2012
G Radnóczi, F Misják, D Biro, P B Barna: The impact of electron microscopy on revealing phase separation mechanisms in alloy thin films., In: Reinhard Rachel (editor), MC 2013. Regensburg, Germany, 2013.09.25-0213.09.30. Regensburg: Universitätsverlag Regensburg, pp. 363-364. Material Science, 2013
K Nagy, F Misják, P Szommer, P Lobotka, G Radnóczi: Composition dependence of morphology, electrical and mechanical properties of sputtered Cu-Mn alloy films, In: Reinhard Rachel (editor), MC 2013. Regensburg, Germany, 2013.09.25-0213.09.30. Regensburg: Universitätsverlag Regensburg, pp. 567-568. Material Science, 2013
F Misják, J Yamasaki, Y Yamamoto, J L Lábár, N Tanaka, G Radnóczi: Spontaneous barrier layer formation in SiO2/Cu-Mn alloy film interface, In: Reinhard Rachel (editor), MC 2013. Regensburg, Germany, 2013.09.25-0213.09.30. Regensburg: Universitätsverlag Regensburg, pp. 579-580. Material Science, 2013
Gábor P Szijjártó, Zoltán Pászti, István Sajó, András Erdőhelyi, György Radnóczi, András Tompos: Nature of the active sites in Ni/MgAl2O4-based catalysts designed for steam reforming of ethanol, JOURNAL OF CATALYSIS 305: pp. 290-306. (2013), 2013
F Misják, K H Nagy, P Lobotka, G Radnóczi: Electron scattering mechanisms in Cu-Mn films for interconnect applications, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 116:(8) Paper 083507. 8 p., 2014
Radnóczi G, Misják F, Biro D, Barna PB: Revealing Phase Separation Mechanisms in Alloy Thin Films, the Impact of Electron Microscopy, Imaging &Microscopy 4 (2014) p. 46-49, Wiley-VHC Verlag GmBH & Co. KGaA, 2014
L Székely, G Sáfrán, V Kis, Z E Horváth, P H Mayrhofer, M Moser, G Radnóczi, F Misják, P B Barna: Crossover of texture and morphology in (Ti1–xAlx)1–yYyN alloy films and the pathway of structure evolution, SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY 257: pp. 3-14., 2014
Misják F, Nagy K H, Lobotka P, Radnóczi G: Structural features contributing to electrical resistivity in Cu-Mn alloy films, In: Proceedings of 18th International Microscopy Congress. Prague, Czech Rep.,Pavel Hozak (ed.), Czechoslovak Microscopy Society, 2014.Paper MS-3-P-2205. 2 p., 2014
Nagy K H, Misják F, Czigány Z, Radnóczi G: Relation between Surface and Internal Structure of Cu-Mn Thin Films, In: Proceedings of 18th International Microscopy Congress. Prague, Czech Rep.,Pavel Hozak (ed.), Czechoslovak Microscopy Society, 2014.Paper MS-3-P-2205. 2 p, 2014
Radnóczi G, Nagy K H, Tóth-Kiss R, Misják F: In situ crystallization of Cu-Mn amorphous alloy films, Proceedings of 18th International Microscopy Congress. Prague, Czech Rep., Czechoslovak Microscopy Society, Pavel Hozak (ed.), 2014. Paper MS-3-P-2303. 2 p., 2014
F. Misják, K.H. Nagy, P.J. Szabó, G. Radnóczi: Effect of Mn Alloying on the Internal and Surface Structure of Cu Thin Films Designed for Interconnect Applications, in Proceedings of Surface Modification Technologies XXVIII, Tampere, Finland, Edited by T. S. Sudarshan, Petri Vuoristo and Heli Koivuluoto pp. 627-634, Valardocs, 2015,, 2015




Back »