本實驗為分析氮化鋯薄膜之特性與微觀組織之研究。使用反應性磁控濺鍍系統成長氮化鋯薄膜。將濺鍍後的氮化鋯薄膜經過不同時間及溫度的退火，以觀察晶粒變化及與基材間是否相互作用或擴散。
由XRD結果得知，ZrN/Al試片在600℃退火0.5及1小時後，ZrN薄膜隨著熱處理時間增長有(220)面擇優取向，晶界無鋁鋯化合物。在Al/ZrN/Si試片中，ZrN薄膜隨著熱處理時間增長有(200)面擇優取向，同時顯示出ZrSi2 及AlN的相。Cu/ZrN/Si試片在650℃及700℃退火1小時後，銅膜隨著熱處理溫度增長有(111)面擇優取向，同時顯示出更好的ZrN結晶性。
由TEM結果得知，ZrN/Al試片在600℃退火1小時後，界面無鋁鋯化合物的產生。而Al/ZrN/Si試片在600℃退火1.5小時後生成ZrSi2、AlN及α-Si3N4，但鋁與矽基板尚無反應物產生，所以尚未失去阻礙效果。而Cu/ZrN/Si試片在700℃退火1小時後生成CuZr2，但銅與矽基板尚無反應物產生，所以尚未失去阻礙效果。故結果顯示氮化鋯薄膜可作為銅或鋁與矽基版間很好的擴散阻礙層。

In this experiment the characteristics and microstructure of ZrN films between Si and Cu or Al were investigated. The ZrN films were deposited by RF magnetron reactive sputtering system. The ZrN films were annealed at various temperatures in order to observe the grain growth and the inter-diffusion of atoms between interfaces.
X-ray analysis showed that in the ZrN/Al system the ZrN film has（220）preferred orientation after annealing at 600℃ for 1 hour. In the Al/ZrN/Si system of the same annealing condition, the ZrN film showed （200）preferred orientation with the concurrent formation of the ZrSi2 and AlN phases. In the Cu/ZrN/Si system, the Cu film showed （111）preferred orientation after annealing at 700℃ for 1 hour.
TEM analysis showed that in the ZrN/Al system there were no Al-Zr compound was found after annealing at 600℃ for 1 hour. In the Al/ZrN/Si system, although ZrSi2、AlN andα-Si3N4 were present after annealing at 600 ℃ for 1.5 hour, but the diffusion barrier is still effective. In the Cu/ZrN/Si system the CuZr2 was formed after annealing at 700℃ for 1 hour, but the diffusion barrier is also still effective. The results up to now suggest that ZrN layer can be a successful candidate as a diffusion barrier between Si and Cu or Al.

目錄
摘要 i
表目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅴ
1、前言 1
2、簡介 4
2-1擴散阻礙層 4
2-1.1擴散阻礙層的定義及特性 4
2-1.2擴散阻礙層的種類 5
2-2濺鍍原理 6
2-2.1輝光放電 7
2-2.2濺鍍裝置 9
2-3文獻資料 10
3、實驗步驟及方法 15
3-1氮化鋯薄膜成長 15
3-1.1實驗材料 15
3-1.2試片的清洗流程 15
3-1.3濺鍍的流程 15
3-1.4真空封管及退火 17
3-2 X光繞射分析 17
3-3掃描式電子顯微鏡(SEM) 18
3-4穿透式電子顯微鏡(TEM) 19
3-5電性量測 19
4、結果分析 20
4-1 X光繞射分析 20
4-2掃描式電子顯微鏡(SEM)分析 21
4-3穿透式電子顯微鏡(TEM)分析 22
4-4電阻率的分析 25
5、討論 27
5.1氮化鋯界面之擴散情形 27
5.2退火的影響 29
5.3擇優取向(preferred orientation) 30
5.4鋯、氮與氧間的關係 31
6、結論 32
7、未來研究方向 33
8、參考文獻 34


表目錄
表1 Cu、Al、Au、Ag與W等之物理性質 39
表2耐火性過渡金屬氮化物之薄膜性質 39
表3氮化鋯的基本性質 40
表4試片種類，製備條件 40
表5圖22（c）繞射環由內而外分析(ZrN/Al as-deposited) 41
表6圖23（c）繞射環由內而外分析(ZrN/Al經600℃ 1hr退火) 41
表7圖24（c）繞射環由內而外分析(ZrN/Al經600℃ 1hr退火) 41
表8圖25（c）繞射環由內而外分析(Cu/ZrN/Si as-deposited) 42
表9圖26（c）繞射環由內而外分析(Cu/ZrN/Si as-deposited) 42
表10圖27（c）繞射環由內而外分析(Cu/ZrN/Si經650℃ 1hr退火) 43
表11圖28（c）繞射環由內而外分析(Cu/ZrN/Si經650℃ 1hr退火) 43
表12圖29（c）繞射環由內而外分析(Cu/ZrN/Si經700℃ 1hr退火) 44
表13圖30（c）繞射環由內而外分析(Cu/ZrN/Si經700℃ 1hr退火) 44
表14圖31（c）繞射環由內而外分析(Al/ZrN/Si as-deposited) 45
表15圖32（c）繞射環由內而外分析(Al/ZrN/Si as-deposited) 45
表16圖33（c）繞射環由內而外分析(Al/ZrN/Si經600℃ 1.5hr退火) 46
表17圖34（c）繞射環由內而外分析(Al/ZrN/Si經600℃ 1.5hr退火) 46

圖目錄
圖1 擴散阻礙層示意圖 47
圖2 產生電漿之偏壓之模式 47
圖3 陰極暗區電壓分佈圖 48
圖4 射頻裝置的陰極電位變化與靜電流變化的關係 49
圖5 氮化鋯相圖 50
圖6四點探測儀的簡圖 51
圖7濺鍍瓦數200瓦、真空5mTorr、氬氣流量28sccm、氮氣流量N2=5，於鋁基材上濺鍍沈積10分鐘之擴散阻礙層的退火前後繞射圖 52
圖8濺鍍瓦數200瓦、真空5mTorr、氬氣流量28sccm、氮氣流量N2=5，於矽基材上濺鍍沈積10分鐘之擴散阻礙層後，再濺鍍沈積鋁材的退火前後繞射圖 53
圖9濺鍍瓦數200瓦、真空5mTorr、氬氣流量28sccm、氮氣流量N2=5，於矽基材上濺鍍沈積10分鐘之擴散阻礙層後，再濺鍍沈積銅材的退火前後繞射圖 54
圖10 ZrN-Al 薄膜SEM截面圖 55
圖11 Al/ZrN/Si 薄膜SEM截面圖 55
圖12 Cu/ZrN/Si 薄膜SEM截面圖 56
圖13 ZrN/Al試片as-deposited之平面二次電子影像 57
圖14 ZrN/Al試片經600℃ 0.5hr 退火之平面二次電子影像 57
圖15 ZrN/Al試片經600℃ 1hr 退火之平面二次電子影像 58
圖16 Al/ZrN/Si 試片as-deposited之平面二次電子影像 58
圖17 Al/ZrN/Si 試片經600℃ 0.5hr 退火之平面二次電子影像 59
圖18 Al/ZrN/Si 試片經600℃ 1.5hr 退火之平面二次電子影像 59
圖19 Cu/ZrN/Si 試片as-deposited之平面二次電子影像 60
圖20 Cu/ZrN/Si 試片經650℃ 1hr 退火之平面二次電子影像 60
圖21 Cu/ZrN/Si 試片經700℃ 1hr 退火之平面二次電子影像 61
圖22 ZrN/Al as-deposited試片表面型態之
（a）明視野圖 62
（b）暗視野圖 63
（c）電子繞射圖（鑑定於表5） 63
圖23 ZrN/Al 試片經600℃ 1hr 退火之
（a）明視野圖 64
（b）暗視野圖 65
（c）電子繞射圖（鑑定於表6） 65
圖24 ZrN/Al 試片經600℃ 1hr 退火另一區域之
（a）明視野圖 66
（b）暗視野圖 67
（c）電子繞射圖（鑑定於表7） 67
圖25 Cu/ZrN/Si as-deposited試片表面型態之
（a）明視野圖 68
（b）暗視野圖 69
（c）電子繞射圖（鑑定於表8） 69
圖26 Cu/ZrN/Si as-deposited試片另一區域表面型態之
（a）明視野圖 70
（b）暗視野圖 71
（c）電子繞射圖（鑑定於表9） 71
圖27 Cu/ZrN/Si 試片經650℃ 1hr 退火之
（a）明視野圖 72
（b）暗視野圖 73
（c）電子繞射圖（鑑定於表10） 73
圖28 Cu/ZrN/Si 試片經 650℃ 1hr退火另一區域之
（a）明視野圖 74
（b）暗視野圖 75
（c）電子繞射圖（鑑定於表11） 75

圖29 Cu/ZrN/Si 試片經700℃ 1hr 退火之
（a）明視野圖 76
（b）暗視野圖 77
（c）電子繞射圖（鑑定於表12） 77
圖30 Cu/ZrN/Si 試片經 700℃ 1hr退火另一區域之
（a）明視野圖 78
（b）暗視野圖 79
（c）電子繞射圖（鑑定於表13） 79
圖31 Al/ZrN/Si as-deposited試片表面型態之
（a）明視野圖 80
（b）暗視野圖 81
（c）電子繞射圖（鑑定於表14） 81
圖32 Al/ZrN/Si as-deposited試片另一區域表面型態之
（a）明視野圖 82
（b）暗視野圖 83
（c）電子繞射圖（鑑定於表15） 83
圖33 Al/ZrN/Si 試片經600℃ 1.5hr 退火之
（a）明視野圖 84
（b）暗視野圖 85
（c）電子繞射圖（鑑定於表16） 85
圖34 Al/ZrN/Si 試片經 600℃ 1.5hr退火另一區域之
（a）明視野圖 86
（b）暗視野圖 87
（c）電子繞射圖（鑑定於表17） 87
圖35 ZrN-Al試片在不同退火時間所量測之薄膜電阻率 88
圖36 Al/ZrN/Si 試片在不同退火時間所量測之片電阻變化 88
圖37 Cu/ZrN/Si 試片在不同退火溫度所量測之片電阻變化 89
圖38 Cu-Zr相圖 90
圖39 Si-Zr相圖 91
圖40 Si-Cu相圖 92
圖41 Al-Zr相圖 93
圖42 Al-Si相圖 94
圖43 JCPDS CARD 35-0753 95
圖44 JCPDS CARD 27-1402 95
圖45 JCPDS CARD 04-0787 96
圖46 JCPDS CARD 25-1133 96
圖47 JCPDS CARD 32-1499 97
圖48 JCPDS CARD 41-0360 97
圖49 JCPDS CARD 04-0836 98
圖50 JCPDS CARD 18-0466 98

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