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研究生:黃怡誠
研究生(外文):Yii-Chuang Huang
論文名稱:銅膜及阻障層氘氣後金屬退火之研究
論文名稱(外文):Characterization of Deuterium Post-Metallization Anneal of Copper Films and Barrier Layers
指導教授:吳幼麟
指導教授(外文):You-Lin Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立暨南國際大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:52
中文關鍵詞:電鍍銅膜銅金屬連線氘氣後金屬退火
外文關鍵詞:ECDelectro-chemical platingcopper filmCopper Metallization interconnectDeuterium Post-Metallization Anneal
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本論文旨在使用氘氣對沉積於不同阻障層材料上之電鍍銅薄膜進行後金屬退火處理,並觀察其經退火處理後的特性。
甫沉積完畢之電鍍銅膜會展現自我退火現象,銅膜中晶粒會隨時間成長而造成銅膜特性的不隱定。後金屬導線退火處理因而成為絕對必要的製程步驟,因為它可以有效地控制電鍍銅膜的自我退火現象,使電鍍銅膜的電阻率穩定,提升電鍍銅膜的可靠度。另一方面,有學者改以氘氣取代氫氣進行退火處理,且已証實可以改善MOS電晶體中熱電子所產生的衰減,並可以改善MOS電晶體的熱載子可靠性。
由於以銅導線作為積體電路中之連線必然趨勢,若能同時以後金屬退火處理同時改善銅膜穩定性及MOS電晶體的可靠性,則可以簡化積體電路之製程步驟。
在本論文中,我們將針對沈積在不同阻障材料(Ta、TaN、TiN)上之電鍍銅膜,使用不同的流量比例混合之氘氣與氮氣,應用不同的退火溫度與退火時間施以後金屬退火處理,觀測所沈積電鍍銅膜的特性並與在Forming Gas與純N2環境做後金屬退火處理之銅膜特性進行比較。我們使用四點探針來量測片電阻的變化;X-ray粉末繞射儀被用來檢定在銅膜之晶粒成長方向及組織結構;掃描式電子顯微鏡被用來觀察銅膜之晶粒尺寸與表面形態;我們使用二次離子質譜儀來檢驗在銅原子在阻障層及二氧化矽中的縱深分佈。
由實驗結果,我們發現在適當的氘氣後金屬退火條件,沉積在TaN阻障層上之電鍍銅膜有較低的片電阻值,而沉積在Ta阻障層上之電鍍銅膜則有較佳的抗電致遷移特性。不論是使用Ta或TaN為阻障層材料,氘氣後金屬退火均展現較傳統之氮氣或Forming Gas後金屬退火較佳的特性。

The main purpose of this thesis is to study the influence of applying deuterium (D2) post-metallization-anneal (PMA) to electro-chemical plating (ECP) Cu films deposited on different barrier layer materials.
Since the self-annealing behavior, the as-deposited ECP Cu film is not stable because of the grains grows under room temperature as time evolves. Therefore, a post-metallization-anneal in N2 or forming gas ambient is necessary after the ECP Cu deposition to improve the Cu film stability. On the other hand, lots of reports have demonstrated that D2 post-metallization-anneal can reduce the hot-carrier degradation and improve hot carrier reliability in MOS devices.
Copper wire is now becoming the mainstream for interconnect in integrated circuit. Therefore, if we can improve the stability of ECP Cu films and the reliability of MOS devices simultaneously by applying D2 PMA once, the processing complexity can be reduced. In this work, we proposed that, for the first time.
In this thesis, the ECP Cu films were deposited on three different barrier materials: Ta, TaN and TiN. Post-metallization-anneal was then performed in D2 and N2 mixture with different D2/N2 ratios at various annealing temperatures, and different annealing time. In order to make a comparison, post-metallization-anneal of the ECP Cu film in N2 and in forming gas were also carried out in this work. Four-point probe was used to characterize the sheet resistance of Cu film before and after anneal. X-ray diffraction (XRD) analysis was employed to inspect the preferential growth orientation and texture structure of the Cu film. Scanning electron microscopy (SEM) was used the examined the grain size of the ECP Cu films. Secondary Ion Mass Spectroscopy(SIMS)was employed to characterize the depth profile of Cu atoms in barrier layer under different PMA conditions.
From the experimental results, we found that, under appropriate D2 PMA condition, the ECP Cu film deposited on TaN barrier material can exhibit a lower sheet resistance. However, the ECP Cu film deposited on Ta barrier material can have a better resistance to electromigration. No matter Ta or TaN barrier material is used, the ECP Cu films after D2 PMA can have better characteristics that those subjected to N2 or forming gas PMA.

第一章:緒論
1.1 銅金屬連線的背景 ------------------------------- 1
1.2 電鍍銅膜的自我退火(self-annealing)現象 -------- 4
1.3 本論文研究動機 ---------------------------------- 5
第二章:實驗程序
2.1 樣本準備與退火條件 ------------------------------ 14
2.2 退火製程與操作說明 ------------------------------ 15
2.3 電性量測與物性分析 ------------------------------ 17
第三章:結果與討論
3.1 片電阻量測 -------------------------------------- 20
3.2 X光粉末繞射量測與分析 --------------------------- 23
3.3 銅膜的晶粒尺寸與表面形態 ------------------------ 27
3.4 阻障層的穩定性 ---------------------------------- 29
第四章:結論 ----------------------------------------- 46
第五章:未來之研究方向 ------------------------------- 48
參考文獻 --------------------------------------------- 50

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