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研究生:曾佳玉
論文名稱:擴散阻礙層厚度對銅膜應力行為之影響
指導教授:周卓煇
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:材料科學工程學系
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:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:84
中文關鍵詞:銅膜擴散阻礙層濺鍍
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本論文主要在探討銅膜之應力行為,先探討銅膜在有或無擴散阻礙層(diffusion barrier)下之應力行為,再改變擴散阻礙層厚度,探討其對銅膜應力行為之影響,其中擴散阻礙層採用TaN薄膜,與銅膜皆以濺鍍法(Sputtering)製備,實驗中所使用的應力量測儀器為真空彎柄儀(Bending Beam Apparatus)系統。
實驗結果顯示,有擴散阻礙層時,其熱應力變化與熱機械性質(dσ/dT),均較無擴散阻礙層時小,且隨著擴散阻礙層厚度的減少,此等性質亦隨之變小。
在有擴散阻礙層時,銅膜之室溫殘留應力較低;當擴散阻礙層厚度在80到20 nm之間,其應力值在170至180 MPa;然而,當厚度在10到5 nm時,室溫殘留應力驟減為20至25MPa。

摘要….……………………………………………………………..…….I
致謝………………………………………………………………….….Ⅲ
目錄……………..……………………………………………………....Ⅴ
表目錄……………………………………..……………………………Ⅷ
圖目錄………………………………………………………………… Ⅸ
壹、 簡介 ………………………………………………………………. 1
貳、 文獻回顧 ………………………………………………………..... 4
2-1 薄膜應力 ………………………………………………………….. 4
2-1-1 理論……………………………………………..…………….. 4
2-1-2 彎柄儀技術…………………………..……………………….. 5
2-1-3 金屬薄膜在基材上之應力……………………..…………….. 6
2-2 溫度對薄膜本質應力的影響 …………………………………….. 8
2-3 銅/矽介面化合物的生成 …………………………………………. 8
2-4 銅膜/氮化鉭膜/矽基材之擴散破壞機制研究 …………………… 9
2-5 利用熱應力變化量測薄膜的熱機械性質……………………...…10
參、理論與原理 ...…………………………..………………………… 12
3-1 濺鍍原理 ………………………………………………………… 12
3-2 薄膜應力量測理論..……………………………………………… 14
3-2-1 基本平衡公式……………………………..………………… 14
3-2-2 二層結構應力理論………………………………..………… 16
3-2-3三層薄膜應力公式……………………………………..……. 18
3-2-4彎柄儀量測基材的彎曲半徑………………………………… 20
3-2-4.1 絕對彎曲半徑量測……………………………...………… 20
3-2-4.2 相對彎曲半徑量測…………………………………..….… 21
3-2-5多層結構應力理論……………………………………..….… 23
肆、實驗部分 ……………………………………………..……….… 28
4-1 試片的製備 ……………………………………………………… 28
4-1-1 擴散阻礙層TaN薄膜之製備…………………..…………… 28
4-1-2 濺鍍銅膜之製備……………………………………..……… 29
4-1-3 Cu / TaN / Si 三層結構試片之製備..…………………..…… 30
4-2 試片彎曲半徑的量測..…………………………………………… 30
4-2-1 絕對彎曲半徑的量測之製備…………………..…………… 30
4-2-2相對彎曲半徑的量測..………………………………..……… 31
伍、結果與討論 ……………………………………………..………. 32
5-1 擴散阻礙層薄膜在矽基材上之應力行為……………...……...… 32
5-2 銅膜在矽基材上之應力行為 …………………………………… 34
5-3三層結構中銅膜之應力行為………………………………..…… 35
5-4擴散阻礙層厚度對銅膜應力行為之影響………………..……… 38
5-4-1擴散阻礙層厚度對銅膜殘留應力之影響………….…...…… 38
5-4-2擴散阻礙層厚度對銅膜熱機械性質與熱應力之影響……… 39
陸、結論 ………………………………..……………………...…….... 40
柒、參考文獻 ..……...…..…….…………………….………………... 41
表目錄
表一、TaN厚度對室溫殘留應力的影響…………………………………. 47
表二、銅膜在不同厚度擴散阻礙層下於150℃至50℃之熱機械性質
(dσ/dT)…………………………………………………..………. 48
表三、銅膜在不同厚度擴散阻礙層下於400~50℃之熱應力變化…… 49
圖目錄
圖一、真空彎柄儀裝置示意圖……………………………………….. 50
圖二、薄膜受應力彎曲示意圖………………………………………... 51
圖三、薄膜微結構與基材溫度、工作氣壓關係圖…………………… 52
圖四、二極直流濺射裝置示意圖……………………………………. 53
圖五、n層結構示意圖………………………………………….……. 54
圖六、彎柄儀量測試片絕對彎曲半徑示意圖………………………. 55
圖七、彎柄儀量測試片相對彎曲半徑示意圖………………………. 56
圖八、Cu/擴散阻礙層/Si三層結構試片製作流程示意圖……..…… 57
圖九、利用標準試片校正彎曲半徑………………………….………. 58
圖十、80 nm濺鍍氮化鉭膜(TaN)之應力對溫度變化圖;所用基材為140 μm Si………………………………………………….…… 59
圖十一、40 nm濺鍍氮化鉭膜(TaN)之應力對溫度變化圖;所用基材為140 μm Si…………………………………………….……… 60
圖十二、20 nm濺鍍氮化鉭膜(TaN)之應力對溫度變化圖;所用基材為140 μm Si…………………………………………………… 61
圖十三、10 nm濺鍍氮化鉭膜之應力對溫度變化圖;所用基材為140 μm Si……………………………………………….……….. 62
圖十四、5 nm濺鍍氮化鉭膜(TaN)之應力對溫度變化圖;所用基材為80 μm Si…………………………………………………….. 63
圖十五、濺鍍銅膜之應力對溫度變化圖;所用基材為140 μm Si... 64
圖十六、濺鍍銅膜在鍍有80 nm TaN矽基材上之應力對溫度變圖…………………………………………………………… 65
圖十七、濺鍍銅膜在鍍有40 nm TaN矽基材上之應力對溫度變化圖
……………………………………………………..…..……. 66
圖十八、濺鍍銅膜在鍍有20 nm TaN矽基材上之應力對溫度變化圖
……………………………………………………..…..……. 67
圖十九、濺鍍銅膜在鍍有10 nm TaN矽基材上之應力對溫度變化圖
……………………………………………………..…..……. 68
圖二十、濺鍍銅膜在鍍有5 nm TaN矽基材上之應力對溫度變化圖
……………………………………………………..…..……. 69
圖二十一、擴散阻礙層TaN厚度對濺鍍銅膜熱應力行為之影響(第一次升溫) ………...……………………………………...…. 70
圖二十二、擴散阻礙層TaN厚度對濺鍍銅膜熱應力行為之影響(第一次降溫) ……...……………………………………...……. 71
圖二十三、擴散阻礙層TaN厚度對濺鍍銅膜熱應力行為之影響(第二次降溫) …………...…………………………………...…. 72

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75. 林永祥, 碩士論文, 國立清華大學材料所, 8, 2001.
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