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博碩士論文 etd-0716100-174737 詳細資訊
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論文名稱 Title |
鉭基氮化物擴散阻礙層在銅與矽鍺合金間阻礙機制之研究 The study of barrier mechanisms of tantalum nitride diffusion barrier layer between SiGe and Cu |
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系所名稱 Department |
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畢業學年期 Year, semester |
語文別 Language |
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學位類別 Degree |
頁數 Number of pages |
89 |
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研究生 Author |
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指導教授 Advisor |
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召集委員 Convenor |
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口試委員 Advisory Committee |
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口試日期 Date of Exam |
2000-06-28 |
繳交日期 Date of Submission |
2000-07-16 |
關鍵字 Keywords |
銅金屬、失效機制、鉭基氮化物、矽鍺合金、擴散阻礙層 diffusion barrier, copper metal, tantalum-based nitride, SiGe, failure mechanism |
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統計 Statistics |
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中文摘要 |
本實驗採用以UHV/CVD方式在(100)矽晶片上成長矽鍺合金的異質接面基板進行鉭基氮化物擴散阻礙層在銅與矽鍺合金間阻礙機制之研究，並探討Si1-xGex/Si異質界面存在之應變對阻礙層阻礙效果之影響，做為矽鍺超晶格應用於元件中時之參考。 調配Ar/N2流量，以濺鍍的方式成長TaN阻礙層及銅，配合X-ray及XPS技術，做定量分析。並利用TEM觀察結晶狀況與析出物的出現位置及SEM觀察各試片的表面狀況，比較各試片在不同溫度退火處理後的結果，進而研判阻礙層失效之機制。 實驗結果發現當TaN薄膜成長時，其濺鍍功率愈小，則阻礙銅擴散的效果愈好。若針對矽鍺合金層中，當鍺含量愈高，其上之Ta2N阻礙層受其應變釋放影響，其阻礙銅擴散的效果會愈差。Ta2N阻礙層在Cu/ Ta2N /SiGe/Si試片中的擴散阻礙機制為Cu3Si先形成，TaSi2後形成，而Cu3Si的生成位置在Ta2N層中及Ta2N與SiGe的界面附近。比較SiGe/Si與Si兩種基板的實驗結果，阻礙層Ta2N的擴散阻礙效果在基板為Si時較佳。 |
Abstract |
The failure mechanisms of the tantalum-based nitride diffusion barrier using between copper metal and the SiGe/Si layers grown with UHV/CVD have been studied. The TaN and Cu films were deposited with RF sputtering technique. The structure of these films was analyzed by X-ray diffraction. The stoichiometry of TaN was characterized by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). The morphology of the films was examined with SEM and the microstructure of the interface between several layers was observed with TEM. With comparing the XRD patterns of the samples which were annealed in the different temperatures, the failure temperature of the TaN barrier layer can be identified and the failure mechanism of this barrier layer cab be elucidated with TEM observation. The results revealed that the deposited TaN film with low sputtering power had better performance for preventing the Cu atoms diffusing into the SiGe layer. The high composition of Ge in the SiGe alloy degraded the blocking ability of the TaN barrier layer due to the released the existed strain between the SiGe and Si. When the failure temperature was reached, The Cu3Si phase was formed first in the interface of the TaN/SiGe and inside the TaN film. If the annealed temperature went higher, the TaSi2 phase also was formed. Compared with SiGe/Si and Si substrate, the TaN diffusion barrier layer has a higher failure temperature in Si than those in SiGe layer. |
目次 Table of Contents |
壹、前言 1 1.1 銅導線的發展 1 1.2 矽鍺合金的應用 2 1.3 研究動機 2 貳、文獻回顧 4 2.1 銅材料的優勢 4 2.2 銅製程的缺點 4 2.3 阻礙層需具備之特質 4 2.4 a-Ta2N在Si/Cu界面間之擴散阻礙行為及機制 5 2.5 文獻資料整理 5 參、理論 9 3.1 退火的三階段 9 3.2 應變對再結晶的影響 9 3.3 溫度對擴散機制的影響 9 3.4 反應性射頻磁控濺鍍原理 10 3.4.1 電漿原理 10 3.4.2 射頻磁控之原理與特性 11 3.4.3 反應性濺射 12 肆、實驗 13 4.1 矽鍺合金薄膜的來源 13 4.2 實驗內容 14 4.3 實驗設備介紹 14 4.4 實驗流程 15 4.4.1 試片清洗 15 4.4.2 濺鍍實驗流程 16 4.5 真空封管及熱退火 16 4.6 X光繞射分析 17 4.7 掃描式電子顯微鏡分析 17 4.8 X射線光電子分光儀分析 18 4.9 穿透式電子顯微鏡分析 18 4.10 表面形貌量測儀 18 伍、實驗結果與討論 20 5.1 Ta靶材的證實 20 5.2 調變不同參數濺鍍TaN薄膜 20 5.3 降低N2流量調變其它參數欲濺鍍TaN薄膜 20 5.4 成長Cu/TaN/Si試片做對照實驗 21 5.5 濺鍍功率對TaN阻礙層阻礙效果之影響 22 5.6 退火時間對TaN阻礙層阻礙效果之影響 23 5.7 P~Y各組實驗與結果 23 5.8 更低濺鍍功率對TaN阻礙層阻礙效果之影響 27 5.9 不同基板對阻礙層的影響 28 5.10 比較Ta與Ta2N之阻礙效果及失效機制 31 5.11 TEM分析 31 5.12 薄膜表面型態的觀察 33 陸、結論 35 參考文獻 37 圖表目錄 表(一) 使用Ta靶材並固定RF power為100W欲成長TaN薄膜實驗之 參數 40 表(二) 使用Ta靶材欲濺鍍TaN薄膜實驗之參數 40 表(三) 使用TaN靶材欲濺鍍TaN薄膜實驗之參數 41 表(四) 對照實驗(基板為Si)之參數 41 表(五) 濺鍍功率對TaN阻礙層阻礙效果影響情況之實驗參數 42 表(六) 更低濺鍍功率對TaN阻礙層影響情況之實驗參數 42 表(七) 不同基板對TaN阻礙層影響情況之實驗參數 43 表(八) 不同基板對Ta阻礙層影響情況之實驗參數 43 表(九) P~Y組實驗之阻礙層失效溫度整理 44 圖3.1 經冷加工的兩個不同變形量之鋯金屬，其再結晶的溫度對時 間的關係 44 圖3.2 晶界與體積擴散之結合效應 45 圖3.3 銀內的晶格與晶界擴散 45 圖3.4 射頻裝置的陰極電位隨頻率變化的情形 46 圖3.5 射頻裝置的陰極電位變化與淨電流之關係 47 圖3.6 磁控濺鍍之陰極靶面磁力線圖 48 圖3.7 二次電子在平面磁控濺鍍時之運動軌跡 48 圖3.8 反應濺射模型圖 49 圖4.1 CVD的五個主要機構 50 圖4.2 UHV/CVD的系統設備圖 51 圖4.3實驗流程圖 52 圖5.1 分別在Si及glass基板上，濺鍍Ta薄膜(厚度1µm)的X-ray 繞射圖形(25度-45度) 53 圖5.2 分別在Si及glass上，以不同條件成長TaN薄膜的X-ray 繞 射圖形(25度-50度) 54 圖5.3 分別為表(二)中，F、G、H三組實驗所長出之TaN薄膜的X- ray繞射圖形(20度-60度) 55 圖5.4 分別為表(三)中，I、J、K三組實驗所長出之TaN薄膜的X-ray 繞射圖形(20度-80度) 56 圖5.5 Cu/TaN/Si薄膜經過900℃退火1小時後之X-ray繞射圖形(30 度-50度) 57 圖5.6 表(五)中第N組實驗所長薄膜，分別做500℃、600℃、700℃ 之真空熱退火處理1小時及常溫下之X-ray繞射圖形(20度-60 度) 58 圖5.7 表(五)中第O組實驗所長薄膜，分別做500℃、600℃、700℃ 之真空熱退火處理1小時及常溫下之X-ray繞射圖形(20度-60 度) 59 圖5.8 表(五)中第P組實驗所長薄膜，分別做500℃、600℃、700℃ 之真空熱退火處理1小時及常溫下之X-ray繞射圖形(20度-60 度) 60 圖5.9 表(五)中第P組實驗所長薄膜，分別做450℃、550℃、650℃ 之真空熱退火處理1小時及常溫下之X-ray繞射圖形(20度-60 度) 61 圖5.10 表(五)中第P組實驗所長薄膜，分別做450℃、500℃、550 ℃、600℃之真空熱退火處理2小時及常溫下之X-ray繞射 圖形(20度-60度) 62 圖5.11 表(六)中第P組實驗所長薄膜，分別做700℃、800℃、900 ℃、1000℃之真空熱退火處理1小時及常溫下之X-ray繞射 圖形(30度-55度) 63 圖5.12 表(六)中第Q組實驗所長薄膜，分別做700℃、800℃、900 ℃、1000℃之真空熱退火處理1小時及常溫下之X-ray繞射 圖形(30度-55度) 64 圖5.13 表(六)中第R組實驗所長薄膜，分別做700℃、800℃、900 ℃、1000℃、1100℃之真空熱退火處理1小時及常溫下之 X-ray繞射圖形(30度-55度) 65 圖5.14 表(六)中第S組實驗所長薄膜，分別做800℃、900℃、1000 ℃、1100℃之真空熱退火處理1小時及常溫下之X-ray繞射 圖形(30度-55度) 66 圖5.15 表(七)中第T組實驗所長薄膜，分別做700℃、800℃、850 ℃、900℃之真空熱退火處理1小時及常溫下之X-ray繞射 圖形(30度-55度) 67 圖5.16 表(七)中第U組實驗所長薄膜，分別做750℃、800℃、900 ℃之真空熱退火處理1小時及常溫下之X-ray繞射圖形(30 度-55度) 68 圖5.17 表(八)中第V組實驗所長薄膜，分別做700℃、750℃、800 ℃、900℃之真空熱退火處理1小時及常溫下之X-ray繞射 圖形(30度-50度) 69 圖5.18 表(八)中第W組實驗所長薄膜，分別做650℃、700℃、800 ℃、900℃之真空熱退火處理1小時及常溫下之X-ray繞射 圖形(30度-50度) 70 圖5.19 表(八)中第X組實驗所長薄膜，分別做650℃、700℃、800 ℃、900℃之真空熱退火處理1小時及常溫下之X-ray繞射 圖形(30度-50度) 71 圖5.20 表(八)中第Y組實驗所長薄膜，分別做700℃、750℃、800 ℃、900℃之真空熱退火處理1小時及常溫下之X-ray繞射 圖形(30度-50度) 72 圖5.21 差排結構與偽晶結構 73 圖5.22 未釋放應變的超晶格可視為穩定應變場上的一個震盪場 74 圖5.23 Si0.7Ge0.3薄膜之TEM照片(plane-view) 75 圖5.24 Si0.7Ge0.3薄膜之TEM照片(cross-section) 76 圖5.25 第N組試片退火前的TEM微結構照片(cross-section) 77 圖5.26 第N組試片經700℃退火1hr後的TEM側面微結構照片(甲 區) 78 圖5.27 第N組試片經700℃退火1hr後的TEM側面微結構照片(乙 區) 79 圖5.28 第N組試片經700℃退火1hr後的TEM側面微結構照片(丙 區) 80 圖5.29 第N組試片退火前與經700℃退火1hr後的TEM明視野像 對照(cross section) 81 圖5.30 Cu3Si析出物在(100)矽晶基板之方位圖 81 圖5.31 非晶質Ta2N擴散阻礙層在銅金屬化薄膜(基板為Si)之失效 機制的示意圖 82 圖5.32 表(七)中第T組實驗(基板為Si)所長薄膜，分別做700℃、 800℃、900℃之真空熱退火處理1小時及常溫下之SEM表 面照片 83 圖5.33 表(七)中第P組實驗(基板為Si0.9Ge0.1)所長薄膜，分別做800 ℃、900℃、1000℃之真空熱退火處理1小時及常溫下之SEM 表面照片 84 圖5.34 表(七)中第U組實驗(基板為Si0.8Ge0.2)所長薄膜，分別做700 ℃、800℃、900℃之真空熱退火處理1小時及常溫下之SEM 表面照片 85 圖5.35 表(七)中第Q組實驗(基板為Si0.7Ge0.3)所長薄膜，分別做800 ℃、900℃、1000℃之真空熱退火處理1小時及常溫下之SEM 表面照片 86 圖5.36 (a) SEM觀察Cu3Si四角錐之成長情形(b) SEM觀察Cu3Si 呈圓形之成長情形 87 |
參考文獻 References |
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