三元非晶質薄膜擴散阻障層及銅-矽-氧系統之熱力學計算應用於銅金屬化

Abstract

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。