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研究生:李碧華
研究生(外文):LEE, PI-HUA
論文名稱:銅奈米雙晶薄膜之氧化特性研究
論文名稱(外文):Oxidation behavior of Copper thin films with nanoscale twins
指導教授:廖建能
指導教授(外文):Liao, Chien-Neng
口試委員:徐文光吳文偉
口試日期:2011-07-14
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:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:64
中文關鍵詞:銅氧化奈米雙晶即時電性量測
外文關鍵詞:copper oxidationnanotwin structurein-situ electrical measurement
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銅奈米尺寸雙晶(nanotwin)結構能大幅提升機械強度以及擁有良好的導電性,因此銅奈米雙晶結構被視為未來半導體製程中內連結導線的候選者之一。然而在文獻中有關於銅奈米雙晶導線氧化方面的資訊缺乏,因此本論文致力於研究銅奈米晶的氧化特性,本研究利用即時電性量測銅薄膜試片,並觀察在不同時期銅薄膜的氧化現象,並討論銅氧化的動力學機制。
本研究最主要的目的是,了解銅薄膜中引入奈米雙晶結構對於銅氧化特性的影響。利用電子槍蒸鍍(E-gun)來製備銅薄膜試片,並於200°C氧化氣氛下持溫,並觀察其氧化情形。首先利用不同鍍膜速率以及鍍膜溫度,製備不同密度的銅奈米雙晶薄膜試片,藉由TEM的分析來確認試片結構,發現高鍍膜速率銅膜擁有較高密度的奈米雙晶結構;此外,本實驗也利用AFM觀察不同時期的氧化形貌,觀察到高鍍膜速率銅膜表面粗糙度較小;利用XRD分析試片,結果顯示:四種試片的氧化物都是生成氧化亞銅,並無氧化銅的相生成;利用SEM從微結構的觀點,高鍍膜速率銅膜氧化過後,氧化層所形成的孔洞以及缺陷較少,由於擁有奈米雙晶的銅膜表面較為平整,因此形成氧化物較小分布也較均勻;利用電性量測方法量測試片在不同溫度下持溫,其電阻值變化與溫度、時間之間的關係,研究發現,高鍍膜速率銅膜氧化速率較低,此外,分析其氧化曲線可以得知:在高鍍膜速率中,主要的氧化機制由擴散所控制,由此可以推論引入奈米雙晶結構之後銅膜的氧化機制傾向以擴散控制為主,由此可以推論奈米雙晶結構扮演著降低氧化速率的角色,因此引入奈米雙晶結構的銅膜可以有效降低氧化速率。

Copper with a high density of nanoscale twins has attracted extensive research attention in the last decade due to its excellent mechanical strength and decent electrical conductivity. Nanotwinned Cu is considered as a candidate of interconnect material in nanoelectronic devices. However, the oxidation behavior of nanotwinned Cu has to be evaluated for process integration considerations. In this study, the oxidation kinetics of Cu films was investigated by in-situ resistivity measurement at different temperatures.
In this study, we deposited Cu films on a Si substrate by e-gun evaporation and oxidized Cu films at 200°C in air to observe the oxidation behavior. The different densities of nanotwinned Cu films were deposited by different deposition rate and deposition temperature. Using TEM analysis, the Cu films with high deposition rate had high densities of nanotwinned structure. The observation of oxidation morphology by AFM showed that Cu films with high deposition rate had lower roughness. The XRD analysis revealed that the Cu oxides were found to be Cu2O. Besides, the SEM observation indicated the Cu films with high deposition rate had small and uniformly distributed oxides. The oxidation rate of Cu films was determined by in-situ resistivity measurement at different temperature. It showed that the higher deposition rate had the lower oxidation rate. In addition, when nanotwinned structure was introduced into Cu films, the primary oxidation mechanism would be diffusion control. Therefore, nanotwinned Cu films could reduce oxidation rate effectively.

摘要
英文摘要
目錄
圖目錄
表目錄
第一章、緒論
1.1 背景簡介
1.2 研究動機
1.3 實驗方法
第二章、文獻回顧
2.1 銅奈米雙晶成型機制
2.1.1 奈米雙晶能量模擬模型
2.1.2鍍膜速率的影響
2.1.3鍍膜溫度的影響
2.2 銅金屬氧化模型
2.2.1 古典金屬氧化模型
2.2.2金屬擴散阻抗效應
2.2.3近代對銅氧化理論修正
第三章、實驗步驟
3.1 實驗設計與流程
3.2 氧化層的厚度計算方法
3.3 實驗設備與儀器
第四章、結果與討論
4.1 不同製程條件微結構之比較
4.2 電性分析
4.3氧化後SEM分析
4.4 AFM分析
第五章、結論
參考文獻
參考文獻
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