臺灣博碩士論文加值系統

本研究利用穿透式電子顯微鏡（TEM）、掃描式電子顯微鏡（SEM）、X光繞射儀（XRD）、X射線能量散佈分析儀（EDS）及四點探針（four-point probe）來分析銦錫氧化物（Indium Tin Oxide，ITO）作為銅與矽間之擴散阻礙層特性與性能。研究結果發現在銅與矽之間的銦錫氧化物薄膜結構為微晶厚度為10 nm，銦錫氧化物薄膜能有效的阻礙銅與矽之間的擴散。
銦錫氧化物薄膜可以阻礙銅擴散至矽的溫度達650℃。銦錫氧化物薄膜之失效溫度為700℃。研究結果顯示銦錫氧化物薄膜可有效的作為銅製程中之擴散阻礙層。
銦錫氧化物阻礙層的失效機制為銅薄膜先產生聚集效應後誘發銦錫氧化物薄膜產生聚集效應而失效。為提高銦錫氧化物阻礙層失效溫度，在銅薄膜上沉積一層厚度20 nm的銦錫氧化物薄膜作為覆蓋層（capping layer），研究結果發現capping layer能有效提高銦錫氧化物阻礙層失效溫度達750℃。

The characteristics and performance of indium tin oxide (Indium Tin Oxide, ITO) as diffusion barrier between copper and silicon were studied by using the transmission electron microscope (TEM), scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), energy dispersive spectroscopy (EDS), and sheet resistance measurement. The results revealed that the structure and thickness of indium tin oxide between copper and silicon is nanocrystalline and 10 nm, respectively and it can be effective to hinder diffusion between copper and silicon.
The indium tin oxide thin film was found to be a good diffusion barrier against Cu at least up to 650°C. The failure temperature of ITO films diffusion barrier (10 nm) was about 700°C. Our results show that ITO film can be considered as diffusion barriers for Cu metallization.
The failure mechanism of indium tin oxide diffusion barrier is that the agglomeration of copper thin film and then induced indium tin oxide thin film to agglomerate. In order to raise the failure temperature, the indium tin oxide of 20 nm was deposited on copper as a capping layer. The results show that the failure temperature was lifted 750℃ after adding a capping layer ITO on Cu film.

總目錄
中文摘要 …………………………………………………… i
英文摘要 …………………………………………………… ii
誌謝 …………………………………………………… iv
總目錄 …………………………………………………… v
圖目錄 …………………………………………………… vii
一、序論 …..…………………………………………………… 1
二、實驗步驟與分析方法 …..………………………………… 3
2-1 製程 …………………………………………….… 3
2-1-1 試片前處理 ……………………………………….. 3
2-1-2 成長氧化膜 ……………………………………….. 3
2-1-3 TEM試片製作 ………………………….…………… 4
2-1-4 濺鍍薄膜 ………………………………….……. 5
2-2 退火處理 ………………………………………… 7
2-3 試片分析與量測 …………………………………….. 7
三、結果與討論 ..…………………………………………........ 15
3-1 銦錫氧化物與銅和矽之間的化學穩定性之評估 ....... 15
3-2 銦錫氧化物作為擴散阻礙層應用之評估 ……….… 17
3-3 銦錫氧化物薄膜厚度與失效溫度之關係 ……….… 22
3-4 銦錫氧化物阻礙層失效機制的探討 …………….… 27
3-5 銦錫氧化物薄膜作為capping layer的應用性 …….. 29
四、結論 ……………………………………………………….. 70
參考文獻 ……………………………………………………….. 72
發表著作 ……………………………………………………….. 75
簡歷 ……………………………………………………….. 76


























圖目錄
圖 2-1 實驗流程圖 ………………………………………….. 11
圖2-2 cross-section TEM試片製作流程 .…………………... 12
圖 2-3 濺鍍腔體 ……………………………..…………..….. 16
圖 3-1 ITO 50 nm / Si試片經400℃~1000℃持溫5分鐘熱處理之XRD圖譜 ……………………………………………………..…..…. 32
圖 3-2 ITO 50 nm / Si試片經1000℃持溫5分鐘之TEM橫截面影像 ………………………………………………………………. 33
圖 3-3 Cu 30 nm / ITO 15 nm / Cu 30 nm / ITO 15 nm / Cu 30 nm / SiO2 40 nm / Si試片 經500℃~1000℃持溫5分鐘熱處理之XRD圖譜 ………………………………………………………………. 33
圖 3-4 Cu 30 nm / ITO 15 nm / Cu 30 nm / ITO 15 nm / Cu 30 nm / SiO2 40 nm / Si（a）as-dep（b）500℃（c）700℃（d）800℃熱處理持溫5分鐘之TEM橫截面影像 ……………………………………. 34
圖 3-5 Cu 100 nm / ITO 10nm / Si試片之片電阻與熱處理溫度曲線圖 ……………………………………………………………….. 36
圖 3-6 （a）Cu 100 nm / ITO 10 nm / Si試片未經熱處理之TEM橫截面影像，（b）HRTEM影像（c）ITO之擇區繞射（select area diffraction，SAD） ……………………………………………..………….... 37
圖 3-7 Cu 100 nm / ITO 10 nm / Si試片經不同熱處理溫度持溫5分鐘的TEM橫截面影像（a）300℃（b）400℃（c）500℃（d）600℃ ……………………………………………………………. 39
圖3-8 Cu 100 nm / ITO 10 nm / Si試片經700℃持溫5分鐘熱處理之（a）（b）TEM橫截面影像（c）TEM平視野影像（d）平視野影像中之矩形EDS分析圖譜 ……………………………………………. 40
圖 3-9 Cu 100 nm / ITO 10 nm / Si試片經300℃~800℃熱處理持溫5分鐘之XRD圖譜 …………………………………………… 42
圖 3-10 Cu 100 nm / ITO 10 nm / Si試片經不同溫度熱處理持溫5分鐘之SEM影像（a）（b）700℃（c）750℃（d）800℃ ….…. 43
圖 3-11 Cu 100 nm / ITO 10 nm / Si試片經750℃熱處理持溫不同時間之SEM影像（a）3s（b）5s（c）12s（d）15s ………….…… 45
圖 3-12 Cu 100 nm / ITO 10 nm / Si試片之TEM平視野影像（a）as-dep（b）500℃持溫5分鐘 ………………………………………. 47
圖 3-13 Cu 100 nm / ITO 10 nm、20 nm、40 m、60 nm / Si試片熱處理溫度與片電阻關係的曲線圖 …………………….………… 48
圖3-14 Cu 100 nm / ITO 20 nm / Si試片經300℃~800℃持溫5分鐘之XRD圖譜 ……………………………………………………. 49
圖3-15 Cu 100 nm / ITO 40 nm / Si試片經300℃~800℃持溫5分鐘之XRD圖譜 ……………………………………………………. 50
圖3-16 Cu 100 nm / ITO 60 nm / Si試片經300℃~800℃持溫5分鐘之XRD圖譜 …………………………………………………... 51
圖3-17 Cu 100 nm / ITO 20 nm / Si試片（a）as-dep（b）600℃（c）700℃（d）740℃（e）900℃持溫5分鐘的熱處理之TEM橫截面影像 …………………………………………………………….. 52
圖3-18 Cu 100 nm / ITO 40 nm / Si試片（a）as-dep（b）600℃（c）700℃（d）740℃（e）900℃持溫5分鐘的熱處理之TEM橫截面影像 …………………………………………………………….. 54
圖3-19 Cu 100 nm / ITO 60 nm / Si試片（a）as-dep（b）600℃（c）700℃（d）740℃（e）900℃持溫5分鐘的熱處理之TEM橫截面影像 …………………………………………………………….. 56
圖3-20 Cu 100 nm / ITO 20 nm / Si試片經700℃持溫5分鐘之SEM影像 ……………………………………………………………... 58
圖3-21 Cu 100 nm / ITO 20 nm / Si試片經750℃持溫5分鐘之SEM影像 ……………………………………………………………... 59
圖3-22 Cu 100 nm / ITO 40 nm / Si試片經750℃持溫5分鐘之SEM影像 …………………………………………………...………… 60
圖3-23 Cu 100 nm / ITO 60 nm / Si試片經750℃持溫5分鐘之SEM影像 ………………………………………………………… 61
圖3-24 Cu 100 nm / ITO 40 nm / Si試片（a）as-dep（b）600℃（c）700℃（d）740℃（e）900℃持溫5分鐘熱處理的TEM橫截面影像及依照影像所繪製的模型 …………………………………………. 62
圖3-25 ITO 50 nm /Si經（a）400℃（b）700℃（c）1000℃持溫5分鐘之TEM平視野影像 ………………………………..……. 64
圖3-26 ITO 20 nm / Cu 100 nm / ITO 10 nm / Si試片與Cu 100 nm / ITO 10 nm / Si試片熱處理溫度與片電阻曲線的關係圖 …… 65
圖3-27 ITO 20 nm / Cu 100 nm / ITO 10 nm / Si試片經300℃~800℃持溫5分鐘的XRD圖譜 ……………………….………… 66
圖3-28 ITO 20 nm / Cu 100 nm / ITO 10 nm / Si試片（a）as-dep（b）300℃（c）400℃（d）500℃（e）600℃（f）700℃（g）750℃（h）800℃ …………………………………………………………… 67

參考文獻
1.M.T. Bohr, Interconnect scaling – the real limiter to high performance ULSI, Int. Electr. Dev. Meet. Technical Digest. 241(1995)
2.S.P. Murarka, I.V. Verner, R.J. Gutmann, loppor – Fundametal Mechanisms for Microelectronic Application, John Wiley & Sons, New York (2000)
3.C.-A. Chang, J. Appl. Phys. 67, 566-569 (1990)
4.A.A. Istratov and E.R. Weber, J. Electrochem, Soc., 149, G21 (2002)
5.S.P. Murarka, Microelectron. Eng., 37, 29 (1997)
6.H.Ono, T. Nakanom T, Ohta, Appl. Phya Lett., 64, 1551(1994)
7.E. Kolawa, J.S. Chen, J.S. Reid, P.J. Pokela, M.A. Nicolet, J. Appl. Phys., 70, 1369 (1991)
8.M. Uekubo, T. Oku, K. Nii, M. Murakami, K. Takahiro, S. Yamaguchi, T. Nakano, T. Ohta, Thin Solid Films, 286, 170 (1996)
9.T. Oku, E. Kawakami, M. Uekubo, K. Takahiro, S. Yamaguchi, M. Murakami, Appl. Surf. Sci., 99, 265 (1996)
10.S. Q. Wang, I. Rasijmakers, B.J. Burrow, S. Suthar, S. Redkar, K.B. Kim, J. Appl. Phys., 68, 5176 (1990)
11.X. Sun, E. Kolawa, S. Im, C. Garland, M.A. Nicolet, Appl. Phys., A65, 43 (1997)
12.Y.J. Lee, B.S. Suh, M.S. Kwon, C.O. Park, J. Appl. Phys., 85, 1927 (1999)
13.S.T. Lin, Y.L. Kuo, and C. Lee, Appl. Surf. Sci., 220, 349 (2003)
14.D.J. Kim and Y.T. Kim, and J.W. Park, J. Appl. Phys., 82, 4847 (1997)
15.J. Pellega and G. Sade, J. Appl. Phys., 91, 6099 (2002)
16. Y.S.Diamand, J. Electron. Mater., 30, 336 (2001)
17. J.S. Jeng, J.S. Chen, G. Lin and J. Su, J. of the Electrochem. Soc. 149, G562 (2002).
18. Y.L. Kuo, H.H. Lee, C.P. Lee, J.C. Lin, S.L. Shue, M.S. Liang, and D. Brian, Electrochem. Solid-state Lett. 7, C35 (2004)
19.Y.L. Kuo, J.J. Huang, S.T. Lin, C.P. Lee and W.H. Lee, Mater. Chem. Phys.80, 690 (2003).
20. S.H. Wang, C.C. Chang and J.S. Chen, J. Vac. Sci. Technol. A 22, 2145 (2004).
21.G.S. Chen and S.T. Chen, J. Appl. Phys. 87,8473-8482(2000).
22.G. Granqvist, A. Hultaker, Thin Solid Films, 411, 1 (2002).
23.A.K. Kulkarni, K.H. Schulz, T.S. Lim, M. Khan, Thin Solid Films, 308–309, 1 (1997).
24.H. Yumoto, T. Inoue, S.J. Li, T. Sako, K. Nishiyama, Thin Solid Films, 345, 38 (1999).
25.S.E. Dyer, O.J. Gregory, P.S. Amons, A. Bruins Slot, Thin Solid Films, 288, 279 (1996).
26.Y. Hu, X.G. Diao, C. Wang, W.C. Hao, and T.M. Wang, Vacuum, 75, 183 (2004).
27. J.-W. Lim, K. Mimura, M. Isshiki, Science and Technology of Advanced Materials 4 (2003) 391–396
28. 陽靖宇,陳貞夙,銅薄膜高溫凝聚行為之研究,民國91年7月