氮化鎢及其電漿處理在銅金屬化系統之擴散阻障特性

Abstract

本研究中，以不同氮流量濺鍍製備氮化鎢薄膜，探討氮含量對氮化鎢薄膜特性及阻障能力的影響。此外，以NH3、N2及N2O 電漿處理，對鎢及氮化鎢薄膜做表面改質，以改善阻障效果。實驗中使用XRD 、TEM 、RBS、AES 、AFM 及stress analyzer分析薄膜之微觀組織及結構變化，並藉由片電阻及漏電流密度的量測，探討氮化鎢薄膜之阻障能力及熱穩定性。 實驗結果顯示 : 隨著氮流量的增加，氮化鎢薄膜由 W相轉變為 β-W相，最後趨向非晶質化，而晶粒尺寸由60~90 nm 縮小至10 nm以下，表面越趨於平坦，薄膜張應力變小。W原子與N原子在退火後易形成W2N相，且隨薄膜內氮含量的增加而增加。由電性分析的結果可知，Cu/W1.7N1/n+p 在500℃退火下仍不致破壞，阻障能力最佳。氮化鎢薄膜的阻障能力隨著結構趨向非晶質態而提升，因此，非晶質態的結構是增進阻障能力的重要因素。 在電漿處理部分，以NH3、N2及N2O電漿處理W及W2.0N1的薄膜表面，來改善薄膜特性及阻障能力。研究中，N2O電漿處理效果優於NH3。W經N2O電漿處理後，表面有氧化鎢的鍵結，隨著電漿處理時間的增加，轉變成氮化鎢及氮氧化鎢。此外，經電漿處理後的薄膜表面因非晶質層的產生，使粗糙度下降，阻障能力明顯提昇。SiNx/Cu/W/n+p經N2O電漿處理5分鐘，及Cu/W2.0N1/n+p在經N2O電漿處理10分鐘後，在650℃的退火下，漏電流密度維持在10-7 A/cm2以下，顯示優良的阻障能力。