臺灣博碩士論文加值系統

本實驗分別利用傳統與感應耦合電漿（ICP）兩種磁控濺鍍沉積製程，並改變腔體背景氣壓、基材偏壓與濺鍍氣壓等實驗參數以調節所生長之鎢薄膜（約40 nm或20 nm）之相與微結構，且利用掠角X光繞射分析、四點探針量測、掃瞄電子顯微分析術（SEM）及穿透式電子顯微術（TEM）觀察這些薄膜的電導性、微結構與相的轉變，同時，研究鎢膜及電漿鈍（氮）化表面改質鎢膜對銅之擴散阻礙層性能。
濺鍍鎢薄膜本身具有兩種型態，一為低阻值之a-W（~25 mW-cm），另一為高阻值之b-W（~170 mW-cm）。改變腔體之背景氣壓（真空潔淨度高低）會影響到鎢膜之相（a-W、b-W與兩相混合）：低真空潔淨度傾向於b-W之生長。而且，任何基材偏壓（0VDC、-50 VDC、-75 VDC、-100 VDC與-125 VDC）之傳統磁控濺鍍製程在相對低之氬氣濺鍍氣壓（10-3 mbar）均只能沉積以高阻態b-W為主的鎢膜，升高濺鍍氣壓傾向於生長b-W，因此，於2.0 × 10-2 mb所沉積之鎢膜完全為b-W。
但是，利用ICP磁控濺鍍製程，因可以準確控制轟擊離子的能量與調節離子的流通量，因此可以調節沉積鎢薄膜之結構及性質，而在相當寬廣之濺鍍氣壓視窗（5.0 × 10-3 mb、8.0 × 10-3 mb與 1.3 × 10-2 mb），利用基材偏壓□75 VDC時能形成完全a-W之低電阻率薄膜，其電阻率僅有22－40 mW-cm。但是，與傳統磁控濺鍍一樣，當濺鍍氣壓到某一臨界值（2.0 × 10-2 mb）時，ICP偏壓磁控濺鍍所沉積之鎢膜會完全轉變成b-W。彎柄儀應力量測證實：低氣壓（10-3 mb）沉積之ICP薄膜均有~660 MPa之壓應力，而升高氣壓會使鎢膜之壓應力減小。這種變化趨勢可以由濺鍍理論與結構區帶模型（Structure Zone Model）解釋之。
本實驗亦利用H2/N2混合電漿處理a-W與b-W薄膜，並探討氮化時間、基座溫度兩個參數對表面鈍化效果之影響，同時研究20與40 nm兩種b-W、a-W與氮化b-W與a-W﹝分稱b-W(N)與a-W(N)﹞薄膜在「Si/Cu」之擴散阻障能力。與b-W相比較，最佳化的b-W(N)能有效提升對銅之擴散阻障能力，而且，阻障層厚度越厚，對銅阻障能力越好：「Si/b-W（40 nm）/Cu」與「Si/b-W(N)（40 nm）/Cu」所對應之臨界破壞溫度（TC）分別為700 ℃與775 ℃；「Si/b-W（20 nm）/Cu」與「Si/b-W(N)（20 nm）/Cu」所對應之TC分別為550 ℃與600 ℃。另外，b-W之對銅之阻抗能力優於a-W。最後，積層試片之破壞行為與機制也被探討。

This work employed conventional (diode) and inductively coupled plasma (ICP) magnetron sputtering to deposit thin films of tungsten having thickness 40 (or 20) nm. The effect of varying the deposition parameters (background pressure, substrate bias, and sputtering pressure) on the phase distribution, electrical resistivity, and microstrucure of the deposited films was investigated by using glazing-angle X-ray diffractometry (XRD), scanning electron microscopy (SEM), resistivity plots, and transmission electron microscopy (TEM). Meanwhile, the effectiveness of passivating the tungsten films in terms of acting as diffusion barriers for copper was evaluated.
There are two types of phases for the sputter deposited tungsten. One (a-W) is low-resistivity (~25 mW-cm) equilibrium phase of body centered cubic structure. Another (b-W) is a high-resistivity (~170 mW-cm) metastable phase exhibiting A15 (cubic) structure. Varying background pressure of the chamber by one order from 5 ´ 10-6 to 5 ´ 10-5 mb impacts markedly the phase of the films: reducing background pressure tends to favor the formation of a-W. However, tungsten films deposited by applying any values of substrate bias (up to -125 VDC) at the deposition window employed are dominated by b-W. Raising the sputtering pressure tends to accelerate the formation of b-W, ultimately forming films comprising only b-phase at 2 ´ 10-2 mb.
However, being able to control independently the flux density and bombarding energy, the ICP sputtering is capable of depositing tungsten films containing single a-phase over a broad range of sputtering pressure and substrate bias. Nonetheless, ICP-deposited tungsten films are also converted into b-phase upon increasing the sputtering pressure to 2 ´ 10-2 mb. Additionally, bending-beam measurement reveals that raising sputtering pressure indeed has an impact on the intrinsic stress of the films, and the trend of stress change is explained in terms of transportation/deposition of the emitted particles and the zone structure model proposed before.
Finally, N2/H2 plasma treatment was performed to passivate the a- and b-W thin barrier films [denoted as W(N)]. Then, the effect of the passivation parameters (temperature and duration) on increasing the barrier capability against copper diffusion was evaluated by comparing the threshold temperatures for the Si/barrier (40 or 20 nm)/Cu stacked samples to lose electrical integrity. b-W(N) outperforms b-W and a-W(N) outperforms a-W, whereas b-W is better than a-W. A preliminary result based on TEM analysis indicates that the difference in barrier property between b-W and a-W is attributed to differences in barriers’ microstructure and crystallinity.

中文摘要..Ⅰ
Abstract..Ⅲ
目錄..Ⅳ
圖目錄..Ⅶ
表目錄XⅢ
第一章、前言 1
第二章、研究背景與動機 7
2.1 銅製程特色 7
2.2 擴散阻礙層之特性 8
2.3 銅製程之擴散阻礙層特殊需求 10
2.4 鎢薄膜材料特性 13
第三章、試片製作與實驗/分析細節 20
3.1 薄膜沉積與臨場離子氮化處理設備 20
3.2 偏壓/加熱/氮化多功能試片基座設計與特色 21
3.3 實驗流程 23
3.4 傳統/感應耦合電漿（ICP）磁控濺鍍與現場鈍化之薄
膜特性分析 25
3.4.1鎢膜特性分析25
3.4.2 擴散阻礙性能評估28
第四章、傳統與感應耦合電漿磁控濺鍍鎢薄膜之特性35
4.1鎢膜沉積先導實驗36
4.2 傳統偏壓磁控濺鍍薄膜之特性39
4.2.1基材偏壓效應40
4.2.2 濺鍍氣壓效應44
4.3 ICP磁控濺鍍薄膜特性48
4.3.1基材偏壓效應49
4.3.2 濺鍍氣壓效應51
4.4 ICP磁控濺鍍薄膜殘留應力分析54
第五章、磁控濺鍍及電漿鈍化鎢薄膜之擴散阻礙性質分析80
5.1 b-W與a-W薄膜之TEM顯微分析80
5.2 b-W與a-W薄膜表面電漿處理特性分析81
5.2.1電性與厚度變化率量測81
5.2.2 SEM表面型態觀察82
5.3電漿鈍(氮)化b-W薄膜之擴散阻礙性質評估82
5.3.1 b-W薄膜擴散阻礙層之電漿氮化效應83
5.3.2 b-W薄膜擴散阻礙層之厚度效應評估85
5.4 Si/a-W/Cu與Si/a-W(N)/Cu阻礙層之擴散阻礙性質評估89
第六章、結論與未來研究方向103
參考文獻107

圖目錄
圖2.1雙重大馬士製程示意圖…………………………………………17
圖2.2尖突效應導致元件失效示意圖。(a) 初始狀態， (b) 高溫促使
矽局部固溶於鋁內部（陰影處）， (c) 鋁逆向移動造成嚴重之
尖突現象…………………………………………….…………..18
圖2.3 各種金屬氮化物之阻礙層厚度與阻礙溫度之關係圖…….…..19
圖3.1直流磁控濺鍍鎢膜沉積系統之示意圖………………….……....31
圖3.2電漿耦合（ICP）系統示意圖………………………….……….32
圖3.3 加熱偏壓/離子氮化基座，(a)示意圖及(b)部分放大圖…….…33
圖3.4 傳統與ICP磁控濺鍍沉積鎢薄膜之本質特性與對銅之擴散阻
礙實驗流程圖……………………………………………….….34
圖4.1 於相同沉積條件，但背景氣壓為(a) 5.0 × 10-5 mb與(b) 5.0 ×10-6
mb之傳統偏壓以及背景氣壓為(c) 5.0 × 10-5 mb與(d) 5.0 ×
10-6 mb之ICP偏壓磁控濺鍍鎢薄膜之X光繞射譜…………60
圖4.2 於相同沉積條件，但背景氣壓為(a) 5.0 × 10-5 mb與(b) 5.0 ×
10-6 mb之傳統偏壓以及背景氣壓為(c) 5.0 × 10-5 mb與(d) 5.0
× 10-6 mb之ICP偏壓磁控濺鍍鎢薄膜之高解析X光繞射圖譜
…………………………………………………………………..61
圖4.3 傳統磁控濺鍍鎢薄膜之薄膜厚度與片電阻隨基材偏壓改變曲
線圖………………………………………………………………….62
圖4.4 傳統磁控濺鍍鎢薄膜之沉積速率與電流隨基材偏壓改變曲線
圖………………………………………………………...…………..62
圖4.5 傳統磁控濺鍍鎢薄膜之薄膜電阻率隨基材偏壓改變曲線圖…
………………………………………………………………………..62
圖4.6 傳統磁控濺鍍鎢薄膜隨基材偏壓改變之X光繞射圖譜，(a) 0
V、(b) —50 VDC、(c) —75 VDC、(b) —100 VDC與(e) —125 VDC…63
圖4.7 傳統磁控濺鍍鎢薄膜隨基材偏壓改變之薄膜表面型態掃瞄式
電子顯微照片，(a) 0 V、(b) -50 VDC、(c) -75 VDC、(d) -100
VDC、(e) -125 VDC……………………………………………………64
圖4.8 傳統磁控濺鍍鎢薄膜之薄膜厚度與薄膜片電阻隨濺鍍氣壓改
變曲線圖……………………………………………………………..65
圖4.9 傳統磁控濺鍍鎢薄膜之沉積速率與電流隨濺鍍氣壓改變曲線
圖……………………………………………………………………..65
圖4.10 傳統磁控濺鍍鎢薄膜之薄膜電阻率隨濺鍍氣壓改變曲線圖…
………………………………………………...…..……………………...65
圖4.11 傳統磁控濺鍍鎢薄膜於不同濺鍍氣壓條件下之X光繞射圖譜
(a)5.0 × 10-3 mb、(b) 8.0 × 10-3 mb、(c) 1.3 × 10-2 mb及(d) 2.0
× 10-2 mb………………………………………...…………………66
圖4.12 不同濺鍍氣壓所沉積之傳統磁控濺鍍鎢薄膜之高解析X光繞
射圖譜(a) 5.0 × 10-3 mb、(b) 8.0 × 10-3 mb及(c) 1.3 × 10-2 mb
…………………………………………………………….…...67
圖4.13 傳統磁控濺鍍鎢薄膜於不同濺鍍氣壓條件下之表面型態掃瞄
式電子顯微照片，(a) 5.0 × 10-3 mb、(b) 8.0 × 10-3 mb、(c) 1.3
× 10-2 mb、(d) 2.0 × 10-2 mb………………..………………………68
圖4.14 ICP磁控濺鍍鎢薄膜之薄膜厚度與薄膜片電阻隨基材偏壓改
變曲線圖……………………………………………………………..69
圖4.15 ICP磁控濺鍍鎢薄膜之沉積速率與電流隨基材偏壓改變曲線
圖……………………………………………………………………..69
圖4.16 ICP磁控濺鍍鎢薄膜之薄膜電阻率隨基材偏壓改變曲線圖…
………………………………………………………………………..69
圖4.17 ICP磁控濺鍍鎢薄膜隨基材偏壓改變之X光繞射圖譜，(a)-50
VDC、(b) -75 VDC與(c) -100 VDC……………………………………70
圖4.18 ICP磁控濺鍍鎢薄膜隨基材偏壓改變之表面型態掃瞄式電子
顯微照片，(a) -50 VDC、(b) -75 VDC、(c) -100 VDC………………71
圖4.19 ICP磁控濺鍍鎢薄膜之薄膜厚度與薄膜片電阻隨濺鍍氣壓改
變曲線圖……………………………………………………………..72
圖4.20 ICP磁控濺鍍鎢薄膜之沉積速率與電流隨濺鍍氣壓改變曲線
圖……………………………………………………………………..72
圖4.21 ICP磁控濺鍍鎢薄膜之薄膜電阻率隨濺鍍氣壓改變曲線圖…
……………………………….…………………………………..72
圖4.22 ICP磁控濺鍍鎢薄膜於不同濺鍍氣壓條件下之X光繞射圖譜，
(a)5.0 × 10-3 mb、(b) 8.0 × 10-3 mb、(c) 1.3 × 10-2 mb與(d) 2.0 ×
10-2 mb………………………….…………………….…………73
圖4.23 ICP磁控濺鍍鎢薄膜於不同濺鍍氣壓條件下之表面型態掃瞄
式電子顯微照片，(a) 5.0 × 10-3 mb、(b) 8.0 × 10-3 mb、(c) 1.3 ×
10-2 mb、(d) 2.0 × 10-2 mb……………..…………………………….74
圖4.24 於濺鍍氣壓5.0 × 10-3 mb沉積之ICP磁控濺鍍鎢薄膜的熱循環應力量測曲線（偏壓-75 VDC）………………….……………………75
圖4.25 於濺鍍氣壓8.0 × 10-3 mb沉積之ICP磁控濺鍍鎢薄膜的熱循環應力量測曲線（偏壓-75 VDC）……….…………………………….76
圖4.26 於濺鍍氣壓5.0 × 10-3 mb沉積之ICP磁控濺鍍鎢薄膜的熱循環應力量測曲線（偏壓-75 VDC）………………………………………77
圖4.27 於濺鍍氣壓5.0 × 10-3 mb沉積之ICP磁控濺鍍鎢薄膜的熱循環應力量測曲線（偏壓-75 VDC）………………………………………78
圖4.28 ICP磁控濺鍍鎢薄膜之熱循環殘留應力對應濺鍍氣壓曲線：(a)初始應力、(b)最大應力值、(c)升溫至400 ℃應力值與(d)最終應力值（偏壓-75 VDC）。………………………………………………..79
圖5.1 b-W薄膜之平面穿透式電子顯微照片，(a)擇區繞射圖譜、(b)明場影像與(c)暗場影像…………………………………………….…….91
圖5.2 a-W薄膜之平面穿透式電子顯微照片，(a)擇區繞射圖譜、(b)明場影像與(c)暗場影像…………………………………………….…….92
圖5.3加熱與否之b-W薄膜隨鈍化時間改變之電阻率曲線圖（傳統磁控濺鍍濺鍍氣壓8 × 10-3 mb、-50 VDC）………………………….…….93
圖5.4加熱與否之薄膜總厚度隨鈍化時間之變化曲線圖（傳統磁控濺鍍濺鍍氣壓8 × 10-3 mb、-50 VDC）………………………...……….…….94
圖5.5 b-W薄膜經過氮化處理後之表面型態，(a)室溫3分鐘、(b)室溫12分鐘、(c)加熱3分鐘與(d)加熱12分鐘………………………..…….95
圖5.6 40 nm b-W薄膜在不同電漿鈍化時間及基座加熱與否之片電阻相對變化量（ΔR/R0）對應熱處理溫度曲線……………………….…….96
圖5.7 「Si/b-W/Cu」與「Si/b-W(N)/Cu」之片電阻相對變化量（ΔR/R0）對應熱處理溫度曲線………………………………………….…….97
圖5.8「Si/b-W（40 nm）/Cu」試片經過不同溫度熱處理後之表面型態掃瞄式電子顯微照片，(a) 700℃、(b) 750℃、(c) 775℃。……….…….98
圖5.9「Si/b-W(N)（40 nm）/Cu」試片經過不同溫度熱處理後之表面型態掃瞄式電子顯微照片，(a) 700℃、(b) 750℃、(c) 775℃。……….99
圖5.10「Si/b-W（20 nm）/Cu」試片經過不同溫度熱處理後之表面型態掃瞄式電子顯微照片，(a) 550℃、(b) 600℃、(c) 650℃。……….100
圖5.11「Si/b-W(N)（20 nm）/Cu」試片經過不同溫度熱處理後之表面型態掃瞄式電子顯微照片，(a) 550℃、(b) 600℃、(c) 650℃。……….101
圖5.12 「Si/a-W/Cu」與「Si/a-W(N)/Cu」之片電阻相對變化量（ΔR/R0）對應熱處理溫度曲線…………………………………………...….102

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