臺灣博碩士論文加值系統

本研究中，Cu-Si-O反應中當氧分壓值較低時，首先形成Cu-Si金屬間化合物，其後，隨著氧分壓值增加依序形成SiO2、Cu6Si6018、CuO等氧化物( Si→SiO2→Cu6Si6O18→CuO ) 。而Cu-Si之金屬間化合物的形成則隨著Cu活性的增加，依序形成Cu3Si、Cu4Si、Cu5Si等相( Si→ Cu3Si→ Cu4Si→ Cu5Si)。
此外本研究論及三元非晶質金屬薄膜，反應式濺鍍沈積N2或NH3能產生非晶質材料，非晶質薄膜已經被認為是比多晶體更為有效的擴散阻障層，因為非晶質薄膜沒有作為快速通道的晶界，三元非晶質薄膜如( Ta，W，Mo，Ti)-Si-N，W-B-N被認為是最有效的擴散阻障層，因為他們的結晶溫度高，較穩定。其中以Ta-Si-N阻障層已經被廣泛地研究，因為他們不僅相對於銅有比較高的熔化溫度而且在熱力學上比較穩定。
總而言之:
1.結晶化已經達成, 結晶相產生,阻障層就失敗。銅、矽就會沿著晶界,即快速通道擴散。以熱穩定性高,即結晶溫度要高的觀點觀之,阻障層優劣性 Ta36Si14N50 > Re26Si34N40 > W24Si38N38 > Ti10Si6N16。
2.阻障層必須和接觸的Cu金屬及Si基底在熱力學上穩定,即有惰性不能和銅、矽反應。從Cu原子和Si原子不能穿透阻障層的觀點觀之,阻障層優劣性 Ta36Si14N50 > Ti10Si6N16 > W24Si38N38 > Re26Si34N40。
3.從電子可穿透性(electronic transparency),即電阻率要低可實際應用做阻障層的觀點觀之,阻障層優劣性 Ti10Si6N16 > Ta36Si14N50 > W24Si38N38 > Re26Si34N40。
綜合1,2,3點來說,阻障層之優劣性 : Ta36Si14N50 > Ti10Si6N16 > W24Si38N38 > Re26Si34N40。

目 錄

第一章 前言..................................................1
第二章 文獻回顧..............................................9
2-1 電漿原理.............................................9
2-1-1 電漿處理效應..................................12
2-2薄膜的沈積機構......................................13
2-2-1成核..........................................13
2-2-2晶粒成長......................................14
2-2-3晶粒聚集......................................15
2-2-4縫道填補......................................15
2-2-5薄膜成長......................................15
2-3擴散阻障層之機制與種類..............................16
2-4氮化鈦..............................................18
2-5氮化鉭..............................................21
2-6氮化鎢..............................................23
2-7鋁金屬化............................................25
2-8銅金屬化............................................27
第三章 Cu–Si–O系統之熱力學計算...........................29
3-1推導 ΔGT =ΔH298 －TΔS298.............................29
3-2平衡常數和G之間的關係...............................30
3-3計算各化合物之生成自由能............................31
3-4熱力學說明..........................................34
3-5計算反應式ΔGf，並利用ΔGf=-RTlnK計算...............36
第四章 三元非晶質薄膜阻障層應用於銅金屬化...................42
4-1三元非晶質薄膜......................................42
4-2 Ta–Si–N...........................................43
4-3 Ti–Si–N...........................................44
4-4 Re-Si-N.............................................45
4-5 W–Si–N............................................46
第五章 結論................................................47
參考文獻...................................................88




圖目錄

圖1. 金屬導線與矽接面接觸所產生的尖峰(spike)現象...........50
圖2. (a)傳統單層阻障層 (b)鈦-氮化鈦疊層阻障層..............51
圖3. 銅製程中關鍵技術未來的趨勢............................52
圖4. 濺鍍儀器影響導致Ar原子流劇烈散射後到達基材之示意圖...53
圖5. (a)直流式電漿產生器 (b)帶電荷離子經電場加速而撞擊電極板,所產生的幾種主要粒子...............................54
圖6. A.薄膜沉積步驟分解圖 B薄膜成長示意圖.................55
圖7. T=600℃時 TiN-Al 和 TiN-TiAl3 反應推測圖...............56
圖8. Al-Si-Cu/TiN/Ti/n+-Si 系統中阻障層破壞機制顯示圖.......57
圖9. Lee 所提出的W與W100-XNX 的晶格模型......................58
圖10. 鋁離子在晶格位能井中承受電力 (FE) 和電子風力 (F1) 之
示意圖..............................................59
圖11. Si-O 相圖............................................60
圖12. Cu-O 相圖............................................61
圖13. Si-Cu 相圖...........................................62
圖14. 局部放大(5-30 mol.% Si)的 Cu-Si 相圖.................63
圖15. Cu-Si-O 之恆溫穩定圖(T=600K).........................64
圖16. Cu-Si-O 之恆溫穩定圖(T=650K).........................65
圖17. Cu-Si-O 之恆溫穩定圖(T=700K).........................66
圖18. Cu-Si-O 之恆溫穩定圖(T=750K).........................67
圖19. Cu-Si-O 之恆溫穩定圖(T=800K).........................68
圖20. TaSiN薄膜電阻率對薄膜中N含量的函數圖................69
圖21. 恆溫 Ta-Si-N 相圖 (1: Ta60Si11N29 ,2: Ta54Si7N39 ,3: Ta48Si5N47 ,
4: Ta43Si4N53)..........................................70
圖22. Ti-Si-N 相圖(700℃-1000℃)............................71
圖23. 於1273K之Re-Si-N 三元相圖,模擬的實驗條件A,B,C,D標示
於圖中...............................................72
圖24. 於773K之W-Si-N 三元相圖.............................73
圖25. 於773K之Ti-Si-N 三元相圖............................74
圖26. 一淺的 n+p Si接面二極體(<Si>/W24Si38N38(140nm)/Cu(260nm)
金屬化)的I(V)特性圖.................................75



表目錄

表1. 三種物理氣相沉積法的比較.............................76
表2. 應用於後段金屬連線所需材料與製程要求.................77
表3. 內連現金屬材料特性之比較.............................78
表4. 壓力與頻率離子密度及能量的影響.......................79
表5. Ta、TaN和Ta2N對阻障層Cu擴散的特性比較圖............80
表6. 熱力學數據表(a)Cu-O 系統.............................81
(b)Si-O 系統.............................82
表7. Cu-Si 系統invariant 反應的成分和溫度表...............83
表8. 繪製 圖16-圖19 之 lnPo2及lnaCu之數據表...............84
表9. 厚度全約300Å的Ta-Si-N 薄膜的成分,電阻率和當沉積時N2/(Ar+N2)流量比表....................................85
表10. 濺鍍沉積的Ti-Si-N薄膜N2/Ar流量比,成分及原子密度表...85
表11. 選擇的沉積條件和相對應的計算相.......................86
表12. 不同Me-Si-N薄膜的電阻率值表(Me=Re,W,Ta,Ti)..........87

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