臺灣博碩士論文加值系統

論文摘要
在本篇論文當中，我們主要在探討低介電常數材料與銅導線技術整合時，兩者之間的交互作用與機制。在此實驗當中，我們採用一種無機低介電常數材料，FOx-15，此介電常數可以在3以下，和一般的二氧化矽(ε=3.9)比較，具有較低的介電常數，但是由於銅在此介電材料中容易藉溫度擴散，進而影響元件的電特性，因此，針對本研究將特別針對銅與低介電常數材料之間的交互作用探討，並利用各種分析方法及量測技術，分別就此樣介電材料的物性及電特性，探討銅與低介電常數材料(FOx-15)間的作用機制，以及導致介電層特性退化的成因；此外，有別於一般求取活化能的方式，引進核微量分析的技術，配合擴散方程式及擴散系數公式，希望推導出低溫情況下，銅在低介電常數材料當中的擴散系數(D)及活化能(Ea)，並和傳統的量測(如SIMS)及推導方式（I-V,C-V特性），做一個對照，並提供求取活化能的另一選擇。
除了第一章導論及文獻回顧外，後四章將分別針對低介電常數材料的物性、電性做探討，各章的概要如下所述：
第二章 針對低介電常數材料（HSQ）的物性，諸如厚度、熱應力、分子鍵結、雜質縱深等加以分析，並引進核微量分析技術，推導銅在低介電常數材料中的擴散係數、活化能。
第三章 針對低介電常數材料(HSQ)的電性，搭配不同的金屬電極材料，如鋁及銅導線，量測元件的漏電流密度，介電常數，及介電薄膜可靠度等。
第四章 針對第二章及第三章的物性及電性分析，做一個完整的推論及說明。
第五章 實驗結論及未來繼續執行的研究與建議。

目錄
論文摘要……………………………………………………………I
目錄…………………………………………………………………II
圖目錄………………………………………………………………V
表目錄………………………………………………………………VIII
第一章 導論及文獻回顧……………………………………………1
1.1 緒言……………………………………………………………1
1.2 銅導線技術……………………………………………………2
1.3 低介電常數材料簡介…………………………………………5
1.4 各章摘要………………………………………………………8
第二章 低介電常數材料(HSQ)特性及材料分析……………………16
2.1 實驗流程………………………………………………………17
2.2 低介電常數材料(HSQ)物性分析…………………………….18
2.2.1 二次離子質譜儀分析(SIMS)……………………….18
2.2.2 薄膜厚度及折射係數分析(n&k)……………………20
2.2.3 應力分析(stress)………………………………….21
2.2.4 傅式轉換紅外線光譜儀分析(FTIR)……………….22
2.2.5 X光光電子能譜術分析(XPS)……………………….24
2.3 微量分析技術…………………………………………………25
2.3.1 簡介…………………………………………………25
2.3.2 實驗流程……………………………………………29
2.4 摘要………………………………………………………….34
第三章 低介電材料電性量測……………………………………..51
3.1 實驗流程…………………………………………………….51
3.2 電流-電壓量測(I-V)……………………………………….53
3.2.1 傳統鋁導線(Aluminum wiring)…………………..53
3.2.2 銅導線(copper wiring)…………………………..54
3.3電容-電壓量測（C-V）…………………………………….55
3.3.1 傳統鋁導線(Aluminum wiring)……………………55
3.3.2 銅導線(copper wiring)……………………………56
3.4 偏壓及溫度應力量測(BTS)…………………………………57
3.5 摘要………………………………………………………….58
第四章 特性探討及推論…………………………………………..65
4.1 物性分析探討及推論……………………………………….65
4.2 電性量測探討及推論……………………………………….70
4.3 摘要………………………………………………………….75
第五章 結論與建議………………………………………………..82
5.1 結論………………………………………………………….82
5.2 建議…………………………………………………………..83
參考文獻…………………………………………………………….85
圖目錄
第一章
導論及文獻回顧
圖1-1閘極延遲與內連線(RC)延遲比較圖………………………9
圖1-2未來擴散障礙層趨勢圖……………………………………9
圖1-3 Damascene製程流程圖……………………………………10
圖1-4 IBM六層連線剖面圖………………………………………11
圖1-5不同程度之平坦化結果……………………………………12
圖1-6回蝕刻進行介電層平坦化步驟……………………………13
圖1-7填平回蝕刻凹陷處示意圖…………………………………12
圖1-8兩種常用SOG材質化學結構圖…………………………..13
第二章
低介電常數材料(HSQ)特性及材料分析
圖2-1(a),(b) HSQ結構圖,固化退火後之網絡結構…………..36
圖2-2(a),(b),(c) HSQ於烘烤固化後之厚度變化………..37,38
圖2-3 HSQ膜之XPS能譜圖……………………………………..38
圖2-4(a),(b)HSQ膜不同蝕刻深度下各成份元素之比例………39
圖2-5(a),(b) HSQ膜之FTIR能譜圖……………………….40,41
圖2-6(a),(b) Thermal Stress第一，第二次加熱之應力圖..42
圖2-7(a),(b)HSQ膜於不同基板之SIMS縱深分佈圖…………43
圖2-8 SIMS原理示意圖………………………………………..44
圖2-9 n&k analyzer原理示意圖………………………………44
圖2-10 Thermal Stress分析示意圖………………………….45
圖2-11 FTIR示意圖…………………………………………….45
圖2-12光電子發生原理示意圖………………………………..46
圖2-13 HSQ膜在不同溫度下之FTIR圖……………………….46
圖2-14 HSQ薄膜在不同溫度下之折射係數……………………47
圖2-15 半導體偵檢器示意圖……………………………………47
圖2-16 半導體偵檢器系統方塊圖……………………………..48
圖2-17 HSQ薄膜之蝕刻率(HF：H20＝1：200)…………………48
第三章
低介電常數材料電性量測
圖3-1 鋁電極於各種退火溫度下之漏電流密度示意圖……….59
圖3-2 銅電極於各種退火溫度下之漏電流密度示意圖……….59
圖3-3 鋁電極與銅電極於500℃退火溫度下之漏電流密度示意
圖…………………………………………………………..60
圖3-4 鋁電極於退火溫度500度之崩潰電場分佈圖………….60
圖3-5 銅電極於各種退火溫度下之崩潰電場分佈圖………….61
圖3-6 FOx（Cu gate）之各種退火溫度下V.S崩潰電場圖….61
圖3-7 鋁電極於各種退火溫度下之介電常數變化圖………….62
圖3-8 銅電極於各種退火溫度下之介電常數變化圖………….62
圖3-9 銅電極於不同退火溫度下之電容-電壓圖(C-V Curve)...63
圖3-10 銅電極之漏電流V.S時間變化示意圖…………………63
圖3-11 銅電極於預先加熱下(3hr)及未預先加熱下之漏電流V.S時
間變化示意圖……………………………………….64
圖3-12 銅電極於電場效應及200℃溫度下漏電流V.S時間變化示意
圖…………………………………………………….64
第四章
特性探討與推論
圖4-1 FOx於烘烤及固化步驟後之應力變化圖………………..77
圖4-2 熱應力種類示意圖……………………………………….77
圖4-3(a),(b),(c),(d) 不同溫度下，銅濃度V.S縱深分佈圖…78,79
圖4-4 HSQ薄膜之擴散係數V.S溫度倒數圖…………………..80
圖4-5 相同退火溫度(500℃)下鋁銅電極崩潰電場比較圖…..80
圖4-6 室溫時，不同金屬電極之介電常數…………………….81
表目錄
第一章
表1-1連接線金屬材料特性比較………………………………14
表1-2各種沉積銅薄膜技術之比較……………………………15
第二章
表2-1實驗流程圖………………………………………………49
表2-2 微量分析實驗流程圖……………………………………50
第五章
表5-1未來深次微米世代所需介電層之介電常數(k)表…….84

[1] S-P Heng et al, 1995 Inter-national Symposium on VLSI TSA, p.164
[2] D. C. Edelstein "Advantages of copper interconnects", VMIC
Conference, June 27-29, 1995
[3] S. Subbanna et al., Proc. IEEE IEDM, 275 (1996)
[4] L. Su et al., Proc. IEEE VLSI Tech. Symp., 12 (1996)
[5] D. Edelstein, J. Heidenreich, R. Goldblatt, W.Cote, C. Uzoh, N. Lustig,
P. Roper, T. McDevitt, W. Motsiff, A. Simon, J. Dukovic, R. Wachnik, H.
Rathore, R. Schulz, L. Su, S. Luce, and J. Slattery, "Full Copper Wiring in a
Sub-0.25μm CMOS ULSI Technology", IEDM, 1997, 773~776
[6] S. Venkatesan, et al.,IEDM(1997)769~772
[7] M. T. Wang, Y. C. Lin, and M. C. Chen, J. Electrochem. Soc., Vol.145, No.7,July 1998
[8] M. S. Angyal, and Y. Shacham-Diamand, Appl. Phys. Lett.67, 9 Oct. 1995
[9] L. A. Clevenger, N. A. Bojarczuk, J. Appl. Phys. 73, 1 Jan. 1993
[10] "IBM Makes Breakthrough To Copper" Electronic Buyers'' News, 9/22 1997
[11] D. Edelstein et al, proceeding of IEDM 1997, p.773
[12] K. D. Beyer, U. S. Patent, No.4994836, 1990
[13] S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, John Wiley&Sons, 1981
[14] 莊達人主編, "VLSI製造技術", 高立圖書有限公司, 1997五版
[15] S. K. Gupta, MRS Symposium Proceedings, Vol.108, 1988, p.275
[16] M. Matsuura, et al.,1993 VMIC Conference, p.113
[17] 葉斯哲,"The Improvement of Low Dielectric Constant Hydrogen
Silisequioxane Using NH3 Plasma Treatment for Copper Interconnect Application"國立交通大學碩士論文(1999)
[18] 鄭懿芳, "Study on Integration of Low Dielectric Constant Material
Hydrogen Silsesquioxane(HSQ) and Copper", 國立交通大學碩士論文(1999)
[19] T. C. Chang, P. T. Liu, M. S. Feng, Y. F. Cheng, S. M. Sze, F. M.
Pan, B. T. Dai, H. D. Huang, H. C. Liou, F. Y. Shih,"The Effective Method
in Abating Copper Diffusion through Low-k Hydrogen Silsesquioxane
(HSQ) by H2 Plasma Treatment", Symposium on Nano Device Technology,
1999
[20] 汪建民主編, "材料分析", 中國材料科學學會, 1998初版
[21] A. R. Forouhi and I. Bloomer,Phys. Rev. B, 34(1986)7018
[22] A. R. Forouhi and I. Bloomer,Phys. Rev. B, 38(1988)1865
[23] A. R. Forouhi and I. Bloomer, U. S. Patent No.4,905,170
[24] J. Szcrzyrbowski, Thin Solid Films, 130(1985)57
[25] P. Bornhauser and G. Calzaferri, Spectrochim. Acta, Part A, 46(1990)1045
[26] J. W. Price, "Nuclear Radiation Detection," McGraw-Hill, New York,
1964
[27] Lithium Drifted Germanium Detectors Proceedings of panel, IAEA,
Vienna, 1966
[28] E. Fairstein and J. Hahn, Nuclear pulse amplifier－Fundamentals and
design practice, Pt. I and II, Nucleonics 23:(July and September 1965)
[29] Glenn F. Knoll, "Radiation Detection and Measurement", John Wiley
& sons, Inc, 1989
[30] S. P.Murarka, R. J. Gutmann, A. E. Kaloyeros, and W. A. Lanford,"Advanced Multilayer Metallization Schemes with Copper as Interconnection Metal", Thin Solid Films,236, P.257(1993)
[31] D. H. Kim, R. H. Wentorf, and W. N. Gill, "Low Pressure Chemical Vapor Deposited Copper Films for Advanced Device Metallization", J. Electrochem. Soc.140, p.3273(1993)
[32] C. A. Chang, "Formation of Copper Silicides from Cu(100)/Si(100) and
Cu(111)/Si(111) Structure", J. Appl. Phys. 67, p.566(1990)
[33] B. Y. Tsui and M. C. Chen, "Dielectric Degradation of Pt/SiO2/Si
Structures during Thermal annealing" ,Solid State Electronics 36, 583(1993)
[34] S. Wolf and R. N. Tauber, "Silicon Processing for the VLSI Eva,"
Volume 1,Lattice Press, California, p.115(1986)
[35] Y. Shacham-Diamand and A. Dedhia, D. Hoffstetter and W. G. Oldham,
"Copper Transport in Thermal SiO2", J. Electrochem. Soc., Vol. 140, No.8,
August 1993
[36] J. D. McBrayer, R. M. D. Swanson, and T. W. Sigmon, "Diffusion of
Metals in Silicon Dioxide", J. Electrochem. Soc. Vol.133, No.6, June. 1986
[37] For a discussion on diffusion in silicon, see, for example, J. C.
C. Tsai, "Diffusion," in S. M. Sze, Ed., VLSI Techology, McGraw-Hill, New
York, 1983
[38] G. Raghavan, C. Chiang, P. B. Anders, S. M. Tzeng, Rvillasol, G. Bai,
M. Bohr, and D. B. Fraser, "Diffusion of copper through dielectric films
under bias temperature stress", Thin Solid Films, 262, 168(1995)
[39] S. M. Sze, "Semiconductor Devices Physics and Technology", John
Wiley & sons, p.57, 1985
[40] A. S. Grove, Physics and Technology of Semiconductor Devices,
Wiley, New York, 1962
[41] Alvin L. S. Loke, Jeffrey T. Wetzel, Paul H. Townsend, Tsuneaki
Tanabe, Raymond N. Vrtis, "Kinetics of Copper Drift in Low-k Polymer
Interlevel Dielectrics", IEEE Trans. On Electron Devices, Vol.46, No.11,
November, 1999
[42] Y. K. Siew, G. Sarkar, X. Hu, J. Hui, A. See, and C. T. Chua, "Thermal
Curing of Hydrogen Silsesquioxane" ,Journal of The Electrochem. Soc.,
147, p.335, 2000