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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳正士
研究生(外文):Chen, C.S.
論文名稱:鈦鋁氮薄膜的電性及擴散屏障之效應
論文名稱(外文):Evaluation of Resistivity and Diffusion Barrier Effect in (Ti,Al)N Films
指導教授:杜正恭杜正恭引用關係
指導教授(外文):Duh, J.G.
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:材料科學工程研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1997
畢業學年度:85
語文別:英文
論文頁數:141
中文關鍵詞:同步工程電腦輔助流程模式
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本研究乃探討以研製之鈦鋁氮化物Ti1-xAlxN作為擴散屏障的可行性。以反應式濺鍍法在氮氣中鍍覆不同成份的Ti1-xAlxN薄膜,測量其電阻、微觀結構及元素成份之分佈,並與傳統之TiN作系列式比較,以評估最佳組成之鈦鋁氮薄膜的擴散屏障之效果。
所鍍覆出之(Ti, Al)N薄膜,其相與結構經由低掠角X光繞射鑑定為B1之立方結構。在(Ti, Al)N固溶體中,因鋁原子比鈦原子小,鋁取代鈦,而使晶格常數隨鋁含量增加而減少,造成晶格的扭曲(distortion),反而增加電子的散射,減短其平均自由程,造成電阻隨著鋁含量增加而提高。另外,氮化鋁電阻約1021μΩ-cm類似絕緣體,而TiN近似導體約10~1000μΩ-cm,所以當鋁含量愈多時Ti1-xAlxN之薄膜電阻亦隨著X之增加而增加。在退火500℃一小時之後,在FE-SEM十萬倍觀察之下,除了Ti0.5Al0.5N外,其餘成份的薄膜之晶粒都變大,而使電阻降低,但Ti0.5Al0.5N之晶粒反而明顯的變小,而使其電阻增高,這是由於添加愈多的鋁,而使應變能增高,造成再結晶。
在擴散屏障之研究中,利用二次離子質譜儀來量測其擴散深度之分析,從圖比較中發現,無論是朝向鋁接點或朝向矽基板的擴散,Ti0.89Al0.11N薄膜相對的元素擴散深度都比TiN短,顯然,Ti0.89Al0.11N阻擋鋁和矽的擴散能力比TiN強,其餘的成份亦都比TiN有較強的阻擋能力,但其電阻過高,不適用於實際的IC工業上。
最後,比較Si/TiN/Cu和Si/Ti0.89Al0.11N/Cu系統,發現銅在Ti0.89Al0.11N系統的擴散深度比在TiN的短,初步的結果顯示,成份為Ti0.89Al0.11N的薄膜,比未來發展到所謂的超大額積體電路(ULSI)上,即銅線取代鋁線的系統上,亦可能呈現較佳的屏障效果。


(Ti, Al)N thin films are deposited on Si (100) substrates by reactive sputtering for potential application of the diffusion barrier layers in Ultra-large-scale integration (ULSI). A convenient and economic fabrication of the Ti-Al compound targets is applied by inserting molten aluminum into drilled titanium bulk. The composition of the (Ti, Al)N films are well controlled by varying the surface ratios of aluminum to titanium in the magnetron effective area of the targets and the compositions of the (Ti, Al)N film is thus modified.
The phase and structure of the films are identified to be a cubic Bl structure for AlN contents ranged from 11 mol.% to 50 mol.%. In the solid solution of (Ti, Al)N, Ti in the TiN cell is substituted by the smaller Al. As a result, the lattice parameter of the (Ti, Al)N films decreases as the Al content is increased. The (Ti, Al)N lattice exhibits state of distortion and leads to anisotropic scattering of free electrons, and thus the resistivity is raised in proportion to AlN mol%. The plan view of grain sizes in the (Ti, Al)N films are evaluated with the aid of field emission scanning electron microscopy (FESME). It is observed that the resistivity is reduced for (Ti,Al)N films with larger grain size.
The diffusion zone of the (Ti, Al)N films are evaluated as the penetration depth of constituent elements with the aid of SIMS. The estimated diffusion zones both toward Al contact and Si substrate are decreased for Ti0.89Al0.11N as compared to the pure TiN. The diffusion barrier effect of other Ti1-xAlxN(0.11<x<0.50) films is also evidenced as compared to the pure TiN. Nevertheless, the measured resistivity may be too high to be applied in the pratical IC industry for Ti1-xAlxN films with x greater than 0.1.
In addition, AES depth profiles also exhibit a smaller amount of Cu atomes diffusing into the TiN related film in the Cu/Ti0.89Al0.11N/Si system than that in the TiN film for the Cu/TiN/Si system, indicating a evident diffusion barrier effect of Ti0.89Al0.11N film

QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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