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研究生:謝志德
研究生(外文):Chih-Te Hsieh
論文名稱:擴散阻礙層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:101
中文關鍵詞:銅膜擴散阻礙層濺鍍電鍍化學氣相沉積
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本論文探討以濺鍍法(Sputtering)、化學氣相沈積法(Chemical Vapor Deposition, CVD)與電鍍法(Electroplating)所製備之銅膜,其鍍覆在矽與鍍有擴散阻礙層的矽基材上之應力行為。其中擴散阻礙層為TaN(Tantalum Nitride)與Ta2N(Amorphous Tantalum Nitride),其乃以濺鍍法製備;應力量測儀器為真空彎柄儀(Bending Beam Apparatus),薄膜之結晶結構使用X光繞射儀(X-ray Diffractometer)測定。
應力量測實驗結果顯示,在有擴散阻礙層時,銅膜在室溫之殘留應力、熱應力變化與熱機械性質(dσ/dT),均較小;其中,以採用TaN為擴散阻礙層時最小,Ta2N次之。而無論有無擴散阻礙層,銅膜之熱應力變化與熱機械性質,皆以電鍍法製備者最小,化學氣相沉積法製備者次之,濺鍍法製備者最大。
X光繞射實驗結果顯示,不同製程所得之銅膜,其晶粒尺寸並不相同,其由小至大的順序為:濺鍍、化學氣相沈積、電鍍。同樣的薄膜,晶粒大者,其機械強度低,所呈現的熱應力變化及熱機械性質均應較小,這個結果與應力實驗結果相互吻合。
另外,在熱處理前後,化學氣相沈積銅膜,其晶粒尺寸並無太大改變,亦即其微結構,並無明顯變化,故其室溫殘留應力前後相近;電鍍與濺鍍銅膜,在熱處理後,晶粒皆增大,故其室溫殘留應力,皆朝張應力明顯增加。

目錄
摘要….……………………………………………………………..…….I
目錄……………………………………………………………...….…..Ⅶ
表目錄…………..……………………………………………………....XI
圖目錄……………………………………..…….………………….…XⅡ
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……………………..…………….. 5
2-2 溫度對薄膜本質應力的影響 …………………………………….. 7
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 …………………… 8
2-5 利用熱應力變化量測薄膜的熱機械性質……………………...…. 9
參、理論與原理 ...…………………………..………………………… 12
3-1 濺鍍原理 ………………………………………………………… 12
3-2 化學氣相沉積原理 ……………………………………………… 14
3-3 電鍍原理…………………………..……………………………… 15
3-4 薄膜應力量測理論..……………………………………………… 16
3-4-1 基本平衡公式……………………………..………………… 16
3-4-2 二層結構應力理論………………………………..………… 18
3-4-3三層薄膜應力公式……………………………………..……. 20
3-4-4彎柄儀量測基材的彎曲半徑………………………………… 22
3-4-41 絕對彎曲半徑量測……………………………...……….… 22
3-4-42 相對彎曲半徑量測…………………………………...….… 23
3-4-5多層結構應力理論……………………………………..….… 26
肆、實驗部分 ……………………………………………..……….… 31
4-1 試片的製備 ……………………………………………………… 32
4-1-1 擴散阻礙層TaN及Ta2N薄膜之製備……………………… 33
4-1-2 濺鍍銅膜之製備……………………………………..……… 32
4-1-3 化學氣相沉積銅膜之製備……………………………..…… 33
4-1-4 電鍍銅膜之製備…………………………………..………… 33
4-1-5 銅 / TaN或Ta2N / 矽 三層結構試片之製備……………… 34
4-2 彎柄儀實驗 ……………………………………………………… 34
4-3 X光繞射實驗 ……………………………………………………. 35
伍、結果與討論 ……………………………………………..………. 36
5-1 擴散阻礙層薄膜在矽基材上之應力行為……………...……...… 36
5-1-1 Ta2N薄膜在矽基材上之應力行為…………………...……… 36
5-1-2 TaN薄膜在矽基材上之應力行為…………………………… 37
5-2 銅膜在矽基材上之應力行為 …………………………………… 38
5-2-1 濺鍍銅膜在矽基材上之應力行為………………..………… 39
5-2-2 化學氣相沈積銅膜在矽基材上之應力行為………..……… 39
5-2-3 電鍍銅膜在矽基材上之應力行為………..………………… 40
5-3 銅膜在Cu / Ta2N / Si三層結構中之應力行為……………..…… 42
5-3-1 濺鍍銅膜在Cu / Ta2N / Si三層結構中之應力行為……..… 42
5-3-2 化學氣相沈積銅膜在Cu / Ta2N / Si三層結構中之應力行.. 43
5-3-3 電鍍銅膜在Cu / Ta2N / Si三層結構中之應力行為…...…… 44
5-4 銅膜在Cu / TaN / Si三層結構中之應力行為…………………… 45
5-4-1 濺鍍銅膜在Cu / TaN / Si三層結構中之應力行為…....…… 45
5-4-2 化學氣相沈積銅膜在Cu / TaN / Si三層結構中之應力行… 46
5-4-3 電鍍銅膜在Cu / TaN / Si三層結構中之應力行為…....…… 47
5-5 擴散阻礙層對銅膜應力行為之影響………………………….… .49
5-6、X光繞射結果…………………………………………………… 50
5-6-1、X光繞射強度……………………………………………… 50
5-6-2、晶粒大小…………………………………………………… 51
陸、結論 ………………………………..……………………...…….... 52
柒、參考文獻 ..……...…..…….…………………….………………... 53

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