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研究生:陳中和
研究生(外文):Zong He Chen
論文名稱:第三丁基亞胺-三(二乙基胺)鉭錯合物的合成純化及化學氣相沉積氮化鉭薄膜
論文名稱(外文):The Purification of (tBuN)Ta(NEt2)3 and It's Chemical Vapor Deposition of Tantalum Nitride Thin Films
指導教授:李嘉平李嘉平引用關係
指導教授(外文):Chiapyng Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:化學工程系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
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:94
中文關鍵詞:氮化鉭薄膜有機金屬化學氣相沉積
外文關鍵詞:tantalum nitride thin filmsMOCVD
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摘 要
為了改善先驅物(tBuN)Ta(NEt2)3的純度,本研究首先對減壓蒸餾設備做改善而得到了較佳的純度。為了更進一步提升純度便對中間物(tBuN)TaCl3Py2做處理,選擇以己烷處理和加熱處理兩種方式並利用化學分析1H-NMR、13C-NMR來鑑定錯合物結構和純度,最後得到以加熱60℃、30min的方法得到的產物純度最好。
爾後以自行合成之錯合物(tBuN)Ta(NEt2)3為先驅物,利用有機金屬化學氣相沉積法,在沉積溫度550℃、先驅物揮發溫度40℃、沉積時間60分鐘,以不同的先驅物分壓沉積氮化鉭薄膜;發現在先驅物分壓8×10-4torr所沉積之氮化鉭薄膜的雜質較其他沉積壓力所沉積之氮化鉭薄膜的雜質為低,而且獲得最低電阻係數之氮化鉭薄膜。再者在pattern wafer上,發現較高的先驅物分壓有較佳的階梯覆蓋率。
最後,希望藉由模擬軟體探討氮化鉭薄膜的沉積機制,但是由模擬的結果發現與實驗的結果並不符合,可能要在參數設定上需做更進一步的探討,以期能得到與實驗符合的結果。

Abstract
In order to improve the purity of TBTDET (tert-butylimido- trisdiethylamido-tanalum), we study modified the vacuum distillation apparatus and TBTDET with a better purity was obtained. We also used hexane as the solvent to help the extraction of toluene and heat treatment on (tBuN=)TaCl3Py2 in order to purify TBTDET further. Between the purification treatments, the best way to obtain the most pure TBTDET is to heat the (tBuN=)TaCl3Py2 at 60℃ for 30min.
Then (tBuN=)Ta(NEt2)3 was used as the precursor for the metal-organic chemical vapor deposition of TaNx thin films on silicon dioxide substrates. Deposition was carried out in which precursor partial pressure range 8×10-4 to 5.4×10-3 torr while the precursor was vaporized at 40℃.Deposition was carried out at 550℃ and the deposition time was 60 minutes. According to the results of characterization, the TaNx thin film with lowest resistivity and least impurities was deposited at a precursor of 8×10-4 torr. TaNx films were also deposited on pattern wafers and obtained a better step coverage while a higher precursor partial pressure of 8×10-4 torr was used.
Finally, we used simulation software SILVACO to investigate the deposition mechanism. As a result, the simulation can't correlate with the experimental results. The parameter settings should be modified to receive better results.

目 錄
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖表索引 VII
第一章 緒論 1
1.1深次微米元件的選擇 1
1.2擴散障壁層之選擇 3
1.3亞胺基鉭錯合物之合成 4
1.4氮化鉭薄膜成長 7
1.5氮化鉭薄膜成長之模擬 9
第二章 實驗設備與程序 12
2.1 實驗設備 12
2.1.1化學合成系統 12
2.1.2低壓化學氣相沉積系統 18
2.2實驗藥品、材料與儀器 24
2.2.1化學試劑 24
2.2.2實驗材料 25
2.3分析儀器 26
2.4研究架構與實驗流程……………………………………………………..27
2.5實驗條件 28
2.6實驗程序 29
2.6.1先趨物的合成 29
2.6.2基板之準備 35
2.6.3成長TaN薄膜步驟 35
2.6.4先趨物分壓量測 36
2.6.5模擬TaNx薄膜沉積所用之軟體 38
第三章 結果與討論 40
3.1先驅物(tBuN=)Ta(NEt2)3之合成及化學和熱分析 .40
3.1.1(tBuN=)TaCl3Py2之合成 40
3.1.2(tBuN=)Ta(NEt2)3之合成 42
3.1.3(tBuN=)Ta(NEt2)3純度改善之研究 48
3.1.3.1蒸餾的設備改善 48
3.1.3.2(tBuN=)TaCl3Py2中間物做改善 50
3.2氮化鉭薄膜之成長與分析 .65
3.2.1成長速率及反應機制 65
3.2.2薄膜結構分析 66
3.2.3電阻係數之分析 67
3.2.4表面組成之分析 73
3.2.5沉積壓力對階梯覆蓋率的影響 77
3.3軟體模擬之結果分析 .80
第三章 結論 84
參考文獻 85
附錄………………………………………………………………………………..89
作者簡介 94
圖 表 索 引
圖2-1 合成系統實像圖 14
圖2-2 合成系統簡圖 15
圖2-3減壓蒸餾系統之實像圖 16
圖2-4減壓蒸餾系統之簡圖 17
圖2-5 化學氣相沉積系統設備簡圖 20
圖2-6 溫控器設定溫度值和試片基座實際溫度之校正線 21
圖2-7 設定之各閥開度對滯留時間的校正曲線 22
圖2-8 先趨物蒸發器設計圖 23
圖2-9 研究架構與實驗流程圖 27
圖2-10合成先驅物流程圖 29
圖2-11合成裝置實圖 34
圖3-1 (tBuN=)TaCl3Py2 1H-NMR圖譜 44
圖3-2 (tBuN=)TaCl3Py2 13C-NMR圖譜 45
圖3-3(tBuN=)Ta(NEt2)3之1H-NMR圖譜 46
圖3-4 (tBuN=)Ta(NEt2)3 之13C-NMR圖譜 47
圖3-5改善設備後的(tBuN=)Ta(NEt2)3 之1H-NMR圖譜 53
圖3-6改善設備後的(tBuN=)Ta(NEt2)3 之13C-NMR圖譜 54
圖3-7純tBuNH2之1H-NMR圖譜 55
圖3-8中間物以己烷處理所合成之 (tBuN=)Ta(NEt2)3 1HNMR圖譜 56
圖3-9中間物以己烷處理所合成之(tBuN=)Ta(NEt2)3 13C-NMR圖譜 57
圖3-10中間物加熱60℃、30分鐘所合成之 (tBuN=)Ta(NEt2)3 1H-NMR圖
譜 58
圖3-11中間物加熱60℃、30分鐘所合成之 (tBuN=)Ta(NEt2)3 13C-NMR
圖譜 .59
圖3-12中間物加熱80℃、60分鐘所合成之 (tBuN=)Ta(NEt2)3 1H-NMR圖
譜…………………………………………………………………..60
圖3-13中間物加熱80℃、60分鐘所合成之(tBuN=)Ta(NEt2)3 13C-NMR圖
譜…………………………………………………………………..61
圖3-14中間物加熱60℃、60分鐘所合成之 (tBuN=)Ta(NEt2)3 1H-NMR
圖譜………………………………………………………………..62
圖3-15中間物加熱60℃、60分鐘所合成之 (tBuN=)Ta(NEt2)3 13C-NMR
圖譜………………………………………………………………..63
圖3-16 Ti(NEt2)4 1H-NMR圖譜 64
圖3-17不同先驅物分壓所沉積之TaN薄膜的SEM橫截面照片,(a) 8.0×
10-4 torr(b) 1.7×10-3 torr(c) 3.0×10-3 torr(d) 4.2×10-3 torr(e) 5.4×10-3
torr 68
圖3-18先驅物分壓與成長速率之關係圖 69
圖3-19載氣為超高純度氬氣,流量5sccm、沉積時間60分鐘,不同先驅
物分壓所沉積之TaN膜的XRD繞射圖譜,先驅物分壓分別為(a)
8.0×10-4 torr、(b) 1.7×10-3 torr、(c) 3.0×10-3 torr、(d) 4.2×10-3 torr、
(e) 5.4×10-3 torr 70
圖3-20先驅物分壓與晶格參數之關係圖 71
圖3-21先驅物分壓與電阻係數之關係圖 72
圖3-22 Ta4f窄區掃描之XPS圖譜,先驅物分壓分別為(a) 8.0×10-4 torr、(b)
1.7×10-3 torr、(c) 3.0×10-3 torr、(d) 4.2×10-3 torr、(e) 5.4×10-3 torr
74
圖3-23 N1s窄區掃描之XPS圖譜,先驅物分壓分別為(a) 8.0×10-4 torr、(b) 1.7×10-3 torr、(c) 3.0×10-3 torr、(d) 4.2×10-3 torr、(e) 5.4×10-3 torr
75
圖3-24 N/Ta、O/Ta比與先驅物分壓之關係圖 76
圖3-25不同先驅物分壓在pattern wafer上沉積後的SEM照片,(a)未沉積
前、(b)分壓8×10-4torr、(c)分壓1.7×10-3torr、(d)分壓3×10-3torr(e)分壓4.2×10-3torr、(f)分壓5.4×10-3torr 78
圖3-26先驅物分壓對階梯覆蓋率的關係圖 79
圖3-27基材之模擬(a)Si基材經蝕刻後得到的輪廓、(b)經氧化所得的輪廓、(c)溝槽沉積氮化鉭薄膜後之SEM照片、(d)SEM照片與氧化後膜結果的疊圖比較 82
圖3-28氮化鉭沉積模擬之比較,(a)與(b)改變mcseed參數圖形,其他的參數固定,(c)與(d)改變黏滯係數其他的參數固定所得到的模擬結果 83
表1-1導線材料之比較 2
表1-2各種不同先驅物成長氮化鉭薄膜之比較 9
表2-1實驗條件 28
表2-2不同沉積壓力下先驅物的分壓計算 38

參考文獻
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