Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11455/9987
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dc.contributor.advisor薛富盛zh_TW
dc.contributor.advisorFuh-Sheng Shieuen_US
dc.contributor.authorLu, Chih-Jungen_US
dc.contributor.author盧志榮zh_TW
dc.date2003zh_TW
dc.date.accessioned2014-06-06T06:43:59Z-
dc.date.available2014-06-06T06:43:59Z-
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11455/9987-
dc.description.abstractCopper replaces aluminum as an advanced ULSI interconnect material because of its low electric resistivity and better electromigration resistance. It is essential to have a high performance diffusion barrier to suppress diffusion between copper and silicon substrate. Zirconium nitride (ZrN) exhibits good thermal and chemical stabilities, high melting point and hardness, and good corrosion resistance. It has been considered to be a potential material for a variety of applications in different fields. In this study, ZrN thin films were deposited on Si substrate using a dual ion beam sputtering (DIBS) system. Two processing parameters, i.e., change of argon flow rate and dual ion beam current, were manipulated during deposition. It is found that high Ar flow rate and Kaufman ion current can increase the deposition rate, as measured by α-Step and atomic force microscopy (AFM). The surface morphology and thickness of the ZrN coatings are rather smooth and uniform. The average roughness, Ra, is smaller than 1 nm. By transmission electron microscopy (TEM), it is also observed that ZrN films have nanocrystalline structure with grain size of about 1~7 nm. The films have ZrN (111) preferred orientation as revealed by grazing incident angle X-ray diffraction (GIAXD). Analysis of the binding energy by electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA), resulted in the presence of ZrN phase, and the binding energy of Zr-N is increased with Ar flow rate and Kaufman ion current. In addition, the film composition was measured to be ZrNX with X was between 1.5~2 by Rutherford backscattering spectrometer (RBS) and Auger electron spectrometer (AES), i.e., nitrogen rich. After annealing in vacuum, the multilayered samples Cu/ZrN/Si were characterized by AES and secondary ion mass spectrometer (SIMS). It is obtained that the ZrN films produced by ion beam sputtering exhibit superior barrier properties upon annealing at 700℃. The results proved that ZrN can be used as a diffusion barrier for the Cu-Si system.en_US
dc.description.abstract現今的積體電路金屬化製程中,銅因為具有較低的電阻值與較佳的抗電致遷移特性,因此被用來取代鋁作為內連線材料。然而為了避免銅擴散到矽元件造成失效,需要有防止擴散之阻礙層。氮化鋯具備良好之熱及化學穩定性、高熔點與硬度、抗腐蝕性佳等特性,被視為一種很有潛力的材料,應用於各種不同領域中。 本研究係利用雙離子束濺鍍(DIBS)系統沉積氮化鋯薄膜於矽基材上,藉由改變氬氣流量與雙離子源電流等製程參數,對濺鍍後之薄膜進行分析。由表面形貌量測儀(α-Step)與原子力顯微鏡(AFM)量測發現,隨著氬氣流量與Kaufman離子源電流增加會提昇薄膜之沉積速率,薄膜表面平整,膜厚均勻,平均粗糙度(Ra)皆小於1 nm。經由穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察薄膜微結構得知,所鍍氮化鋯薄膜為奈米級微晶結構,晶粒大小約1~7 nm。以低掠角X光繞射儀(GIAXD)分析得知薄膜之成長方向皆以ZrN(111)晶向為主,由化學分析電子儀(ESCA)分析結果證實有氮化鋯的鍵結存在,且隨著氬氣流量與Kaufman離子源電流增加其束縛能強度會增強,使得氮化鋯鍵結更加穩定。從拉塞福背向散射分析儀(RBS)及歐傑電子能譜儀(AES)分析可知所鍍薄膜成份為ZrNX,且X值介於1.5~2之間,為一富氮之氮化鋯薄膜。 多層膜試片Cu/ZrN/Si阻礙層系統經真空退火後,以AES與SIMS對其化學成份分析得知,氮化鋯薄膜能承受700℃高溫退火而維持優良的阻礙特性,的確有應用於Cu-Si接觸系統之擴散阻礙層的可行性。zh_TW
dc.description.tableofcontents總目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 總目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XII 第一章 前言 1 1-1研究動機 1 1-2研究目的 3 第二章 理論基礎與文獻回顧 6 2-1雙離子束濺鍍之原理 6 2-1-1電漿的形成與濺鍍原理 6 2-1-2離子束濺鍍原理與特點 8 2-1-3雙離子束濺鍍系統(DIBS) 11 2-1-4薄膜沉積原理 12 2-2氮化鋯基本性質 14 2-2-1鋯的性質 14 2-2-2氮化鋯的性質 14 2-3銅導線製程的發展 16 2-4擴散阻礙層的發展趨勢 18 2-4-1擴散阻礙層之定義 18 2-4-2擴散阻礙層的種類 18 2-4-3各種擴散阻礙層之發展 20 2-4-4氮化鋯應用於擴散阻礙層之相關研究 21 第三章 實驗方法與步驟 38 3-1實驗規劃與流程圖 38 3-2實驗材料與基材前處理 40 3-3濺鍍系統與操作流程 41 3-4真空退火處理 43 3-5薄膜分析儀器 44 3-5-1表面形貌量測儀(α-Step) 44 3-5-2原子力顯微鏡(AFM) 44 3-5-3穿透式電子顯微鏡(TEM) 45 3-5-4低掠角X光繞射儀(GIAXD) 46 3-5-5化學分析電子儀(ESCA) 47 3-5-6拉塞福背向散射分析儀(RBS) 47 3-5-7歐傑電子能譜儀(AES) 48 3-5-8二次離子質譜儀(SIMS) 49 3-5-9紫外/可見光光譜儀(UV/VIS) 49 第四章 結果與討論 60 4-1 氬氣(Ar)流量之影響 60 4-1-1薄膜表面形貌與微結構分析 60 4-1-2薄膜結晶結構分析 61 4-1-3薄膜成份與化學組態分析 62 4-1-4改變Ar流量之結果 63 4-2 Kaufman及End Hall離子源電流之影響 64 4-2-1薄膜表面形貌與微結構分析 64 4-2-2薄膜結晶結構分析 66 4-2-3薄膜成份與化學組態分析 67 4-2-4改變Kaufman及End Hall離子源電流之結果 69 4-3 ZrN薄膜應用於擴散阻礙層之可行性 70 4-3-1 AES分析 70 4-3-2 SIMS分析 71 4-3-3 ZrN薄膜應用於擴散阻礙層可行性分析 71 4-4薄膜光學性質分析 73 第五章 結論 118 參考文獻 119 圖目錄 圖1.1元件尺寸與RC Time Delay關係圖 5 圖1.2擴散阻礙層於IC結構之應用位置 5 圖2.1濺鍍原理示意圖 25 圖2.2濺鍍沉積過程示意圖 25 圖2.3 Kaufman型離子源剖面圖 26 圖2.4 Kaufman型離子源電源供應器 26 圖2.5 Kaufman型離子源電漿之產生及離子之射出 27 圖2.6 Kaufman型之離子束的電流量與兩柵極之關係 27 圖2.7 End Hall型離子源之 (a)剖面圖 (b)電源供應器 28 圖2.8 End Hall型離子源工作原理圖 29 圖2.9雙離子束濺鍍系統(DIBS) 29 圖2.10薄膜沉積步驟 30 圖2.11氮化鋯晶體結構圖 31 圖2.12鋯-氮二元相圖 31 圖2.13擴散阻礙層示意圖 32 圖2.14被動式阻礙層 32 圖2.15犧牲式阻礙層 33 圖2.16填充式阻礙層 33 圖2.17無晶界式阻礙層 33 圖3.1雙離子束濺鍍真空系統圖 51 圖3.2表面形貌量測儀(α-Step)量測示意圖 52 圖3.3原子力顯微鏡(AFM)掃描原理示意圖 52 圖3.4穿透式電子顯微鏡(TEM)結構圖 53 圖3.5 TEM試片製作流程 54 圖3.6低掠角X光繞射法的幾何關係示意圖 55 圖3.7 ESCA光電子產生原理示意圖 55 圖3.8 RBS裝置及分析原理示意圖 56 圖3.9歐傑電子產生原理示意圖 56 圖3.10二次離子的生成機制示意圖 57 圖4.1不同Ar流量下之沉積速率 74 圖4.2(a) Ar流量為1 sccm時試片之表面形貌圖 74 圖4.2(b) Ar流量為2 sccm時試片之表面形貌圖 75 圖4.2(c) Ar流量為3 sccm時試片之表面形貌圖 75 圖4.3(a) Ar流量為1 sccm時試片之平面明視野圖 76 圖4.3(b) Ar流量為1 sccm時試片之平面暗視野圖 76 圖4.3(c) Ar流量為1 sccm時試片之擇區繞射圖 77 圖4.4(a) Ar流量為2 sccm時試片之平面明視野圖 78 圖4.4(b) Ar流量為2 sccm時試片之平面暗視野圖 78 圖4.4(c) Ar流量為2 sccm時試片之擇區繞射圖 79 圖4.5(a) Ar流量為3 sccm時試片之平面明視野圖 80 圖4.5(b) Ar流量為3 sccm時試片之平面暗視野圖 80 圖4.5(c) Ar流量為3 sccm時試片之擇區繞射圖 81 圖4.6 不同Ar流量下之GIAXD繞射圖 82 圖4.7 ESCA survey分析圖形 82 圖4.8 Zr及N隨Ar流量改變之化學位移情形 83 圖4.9試片鍍著條件為Kaufman:10mA時,不同End Hall電流之 沉積速率 84 圖4.10試片鍍著條件為Kaufman:5mA時,不同End Hall電流之 沉積速率 84 圖4.11(a)試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.5A時之 表面形貌圖 85 圖4.11(b)試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.7A時之 表面形貌圖 85 圖4.11(c)試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.9A時之 表面形貌圖 86 圖4.12(a)試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.5A時之 表面形貌圖 86 圖4.12(b)試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.7A時之 表面形貌圖 87 圖4.12(c)試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.9A時之 表面形貌圖 87 圖4.13(a)試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.5A時之 平面明視野圖 88 圖4.13(b)試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.5A時之 平面暗視野圖 88 圖4.13(c)試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.5A時之 擇區繞射圖 89 圖4.14(a)試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.7A時之 平面明視野圖 90 圖4.14(b)試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.7A時之 平面暗視野圖 90 圖4.14(c)試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.7A時之 擇區繞射圖 91 圖4.15(a)試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.9A時之 平面明視野圖 92 圖4.15(b)試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.9A時之 平面暗視野圖 92 圖4.15(c)試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.9A時之 擇區繞射圖 93 圖4.16(a)試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.5A時之 平面明視野圖 94 圖4.16(b)試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.5A時之 平面暗視野圖 94 圖4.16(c)試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.5A時之 擇區繞射圖 95 圖4.17(a)試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.7A時之 平面明視野圖 96 圖4.17(b)試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.7A時之 平面暗視野圖 96 圖4.17(c)試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.7A時之 擇區繞射圖 97 圖4.18(a)試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.9A時之 平面明視野圖 98 圖4.18(b)試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.9A時之 平面暗視野圖 98 圖4.18(c)試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.9A時之 擇區繞射圖 99 圖4.19試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.5A時之 橫截面圖 100 圖4.20試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.9A時之 橫截面圖 100 圖4.21試片鍍著條件為Kaufman:10mA時,不同End Hall電流 之GIAXD繞射圖 101 圖4.22試片鍍著條件為Kaufman:5mA時,不同End Hall電流 之GIAXD繞射圖 101 圖4.23試片鍍著條件為Kaufman:10mA時,Zr及N隨不同 End Hall電流改變之化學位移情形 102 圖4.24試片鍍著條件為Kaufman:5mA時,Zr及N隨不同 End Hall電流改變之化學位移情形 103 圖4.25試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.5A時之 RBS元素成份分析結果 104 圖4.26試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.5A時之 AES成份縱深分析 105 圖4.27試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.7A時之 AES成份縱深分析 105 圖4.28試片鍍著條件為Kaufman:10mA,End Hall:0.9A時之 AES成份縱深分析 106 圖4.29試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.5A時之 RBS元素成份分析結果 107 圖4.30試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.5A時之 AES成份縱深分析 108 圖4.31試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.7A時之 AES成份縱深分析 108 圖4.32試片鍍著條件為Kaufman:5mA,End Hall:0.9A時之 AES成份縱深分析 109 圖4.33 Cu/ZrN/Si試片隨真空退火溫度改變之SEM表面形貌 110 圖4.34 Cu/ZrN/Si試片剛鍍著之AES成份縱深分析 111 圖4.35 Cu/ZrN/Si試片經600℃真空退火後之AES成份縱深分 析 111 圖4.36 Cu/ZrN/Si試片經700℃真空退火後之AES成份縱深分 析 112 圖4.37 Cu/ZrN/Si試片經800℃真空退火後之AES成份縱深分 析 112 圖4.38 Cu/ZrN/Si試片經900℃真空退火後之AES成份縱深分 析 113 圖4.39 Cu/ZrN/Si試片剛鍍著之SIMS分析 114 圖4.40 Cu/ZrN/Si試片經600℃真空退火後之SIMS分析 114 圖4.41 Cu/ZrN/Si試片經700℃真空退火後之SIMS分析 115 圖4.42 Cu/ZrN/Si試片經800℃真空退火後之SIMS分析 115 圖4.43 Cu/ZrN/Si試片經900℃真空退火後之SIMS分析 116 圖4.44 不同參數條件之薄膜穿透率圖 117 表目錄 表2.1鋯及氮化鋯基本性質 34 表2.2各種金屬連線材料之性質比較 35 表2.3耐火性過渡金屬元素之氮、碳、矽、硼等化合物的基本性 質 36 表3.1雙離子束濺鍍法沉積氮化鋯薄膜之實驗參數表 58 表3.2雙離子束濺鍍法沉積銅薄膜之實驗參數表 59zh_TW
dc.language.isoen_USzh_TW
dc.publisher材料工程學研究所zh_TW
dc.subjectZirconium Nitrideen_US
dc.subject氮化鋯zh_TW
dc.subjectDual Ion Beamen_US
dc.subjectSputterungen_US
dc.subjectThin Filmsen_US
dc.subjectDiffusion Barrieren_US
dc.subject雙離子束zh_TW
dc.subject濺鍍zh_TW
dc.subject薄膜zh_TW
dc.subject擴散阻礙層zh_TW
dc.titleCharacterization and Applications of ZrNx Thin Films Prepared by Dual Ion Beam Sputteringen_US
dc.title雙離子束濺鍍沉積氮化鋯薄膜之特性及應用研究zh_TW
dc.typeThesis and Dissertationzh_TW
item.grantfulltextnone-
item.openairetypeThesis and Dissertation-
item.cerifentitytypePublications-
item.languageiso639-1en_US-
item.fulltextno fulltext-
item.openairecristypehttp://purl.org/coar/resource_type/c_18cf-
Appears in Collections:材料科學與工程學系
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