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研究生： 張君毅
Chun-Yi Chang
論文名稱： 多孔性矽烷氧低介電常數薄膜界面結構與機械性質之研究
Interface Structures and Mechanical Properties of Porous SiOCH Low Dielectric Constant Films
指導教授： 林樹均
Su-Jien Lin
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 124
中文關鍵詞： 多孔性低介電常數薄膜 、奈米機械性質測試 、奈米壓痕測試 、奈米刮痕測試 、界面強度 、界面鍵結
外文關鍵詞： Porous low-k thin films, nano-mechanical test, nanoindentation, nanoscratch, interface adhesion, interface bonding
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    • 摘要
    本研究以電漿輔助化學氣相沉積法 (PECVD)，於矽晶圓上沉積SiCN薄膜與多孔性低介電常數薄膜。低介電常數薄膜的組成為矽烷氧化合物 (SiOCH)。對於薄膜的表面分別施以氫氣與氨氣電漿處理，藉此觀察電漿處理對於薄膜界面性質的影響。
    本研究所使用的薄膜可分為單層薄膜、雙層薄膜和多層結構薄膜，三者分別用於薄膜的結構分析、化學性質分析與機械性質分析。
    薄膜結構分析是藉由薄膜表面形貌與橫截面微結構的觀察，以及薄膜晶體繞射分析，來確認SiCN薄膜與SiOCH薄膜的微結構。
    薄膜的化學性質分析，是分別以XPS及SIMS分析薄膜的成分縱深分佈；另外以XPS與FTIR分析薄膜的化學鍵結型態。藉由比較經過三種不同電漿處理後的薄膜，其界面成分與化學鍵結型態的差異，分析電漿處理對於薄膜界面化學性質所造成的影響。
    以奈米壓痕及奈米刮痕測試法檢測薄膜的機械性質。對於薄膜的硬度、彈性模數和界面強度做了一系列的量測，並比較不同電漿處理下，薄膜機械性質的差異。此外，以奈米壓痕測試的荷重-深度曲線，配合薄膜破裂形貌的觀察，來推斷薄膜的破裂機制與薄膜的界面強度。

    目錄 摘要 I 誌謝 II 目錄 IV 圖目錄 VIII 表目錄 XV 第一章 前言與研究目的 1 第二章 文獻回顧 2 2-1 半導體技術發展與低介電常數材料 2 2-1-1 半導體產業技術發展與電阻電容延遲效應 2 2-1-2 半導體銅製程技術與挑戰 2 2-1-3 低介電常數材料 (Low-k materials) 4 2-2 奈米壓痕測試 11 2-2-1奈米壓痕測試原理[18,19] 11 2-2-2 奈米壓痕測試實際操作之修正項 13 2-3 以奈米壓痕測試分析薄膜破裂韌性與界面強度 20 2-3-1 塊材或厚膜的破裂韌性 20 2-3-2 薄膜斷裂韌性 21 2-3-3 薄膜界面強度 22 2-4 奈米刮痕測試 31 2-4-1 奈米刮痕測試原理 31 2-4-2 奈米刮痕測試之薄膜破裂形貌 32 第三章 實驗方法與步驟 37 3-1 試片製備 37 3-1-1 單層薄膜 ( Si / SiCN及Si / SiOCH ) 37 3-1-2 雙層薄膜 ( Si / SiOCH / SiCN ) 38 3-1-3 多層薄膜 ( Si / PEOX / SiCN / SiOCH / SiCN ) 38 3-2 薄膜結構分析 38 3-2-1 薄膜形貌觀察 38 3-2-2 薄膜晶體結構分析 39 3-3薄膜化學性質分析 39 3-3-1 X光光電子能譜儀 ( XPS ) 39 3-3-2 二次離子質譜儀 ( SIMS ) 40 3-3-3 霍氏轉換紅外光譜儀 ( FTIR ) 40 3-4薄膜機械性質分析 41 3-4-1 薄膜應力量測 41 3-4-2 奈米壓痕測試 (nanoindentation) 41 3-4-3 奈米刮痕測試 (nanoscratch) 42 3-4-3 聚焦離子束 ( FIB ) 42 第四章 結果與討論 46 4-1 薄膜基本性質 46 4-1-1 單層SiCN薄膜之形貌與微結構 46 4-1-2 單層SiOCH Low-k薄膜之形貌與微結構 46 4-1-3 多層薄膜結構 ( Si / PEOX / SiCN / SiOCH / SiCN ) 之形貌與微結構 47 4-1-4 薄膜晶體結構 48 4-2 薄膜化學成分分析 56 4-2-1 單層SiCN薄膜成分分析 56 4-2-2 單層SiOCH Low-k薄膜成分分析 56 4-2-3 多層薄膜結構成分分析 ( Si / SiOCH / SiCN ) 57 4-3 薄膜鍵結型態分析 66 4-3-1 單層SiCN薄膜鍵結分析 66 4-3-2 單層SiOCH Low-k薄膜鍵結分析 66 4-3-3 多層薄膜結構鍵結分析 ( Si / SiOCH / SiCN ) 68 4-3-4 薄膜鍵結型態FTIR分析 85 4-3-5 電漿處理對薄膜鍵結型態之影響 85 4-4 薄膜機械性質分析 89 4-4-1 單層薄膜機械性質分析 89 4-4-2 多層薄膜結構奈米壓痕測試 94 4-4-3 多層薄膜結構奈米刮痕測試 112 第五章 結論 120 第六章 參考文獻 122 圖目錄 圖 2 – 1 (a) RC Delay與內連線線寬關係圖 (b) 半導體連接線路(interconnect)未來進展[1] 6 圖 2 – 2 Al / SiO2與Cu / Low-k組合，其個別RC Delay與內連線線寬關係圖[6]………………………………………………………….7 圖 2 – 3 銅內連線與多孔性低介電常數 (Low-k) 材料在製程整合上的困難與挑戰[11] 7 圖 2 – 4 低介電常數材料 (Low-k materials) 分類關係圖[1] 8 圖 2 – 5 多孔性低介電常數材料結構示意圖[13] 8 圖 2 – 6 奈米壓痕及刮痕測試設備結構示意圖[20] 16 圖 2 – 7 奈米壓痕測試 (a) 荷重施加-壓入深度曲線 (b) 壓痕幾何形狀[21] 17 圖 2 – 8 硬度隨著壓入深度的改變以及薄膜變型示意圖[22] 19 圖 2 – 9 硬度受薄膜與基材共同影響隨著不同荷重的變化[23] 19 圖 2 – 10 奈米壓痕測試材料所產生之變形狀況[24] 26 圖 2 – 11 材料破裂的壓痕形貌[27] 26 圖 2 – 12 奈米壓痕測試 (a) 薄膜受力變形破裂三階段示意圖 (b) 相對應荷重－深度曲線與實際破裂形貌[28] 27 圖 2 – 13 奈米壓痕測試荷重－深度曲線與能量示意圖[24] 28 圖 2 – 14 破壞能量 (Wirr) 對荷重的變化曲線[30] 28 圖 2 – 15 薄膜與基材界面能(γ)與接觸角(θ)示意圖[28] 29 圖 2 – 16 界面強度計算的理論模型示意圖：(a) Marshall理論模型[31,32] (b) Thouless理論模型[33,34] 30 圖 2 – 17 奈米刮痕測試示意圖[35] 33 圖 2 – 18 微米刮痕測試造成薄膜表面破壞以及測試之荷重深度曲線[36] 34 圖 2 – 19 刮痕測試薄膜破壞類型示意圖[42] 35 圖 2 – 20 微奈米刮痕測試法進行薄膜界面強度分析及破壞機制示意圖[28]………………………………………………………………. 36 圖 3 – 1 實驗流程圖…………………………………………………..43 圖 3 – 2 薄膜結構及厚度示意圖 (a) 單層薄膜 (b) 雙層薄膜 (c) 多 層薄膜結構…………..……………………………………………44 圖 4 - 1 單層SiCN薄膜形貌 (a) AFM表面形貌 (b) SEM橫截面形貌 49 圖 4 - 2 單層SiOCH Low-k薄膜AFM表面形貌 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 50 圖 4 - 3 單層SiOCH Low-k薄膜SEM表面形貌 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 51 圖 4 - 4單層SiOCH Low-k薄膜SEM橫截面形貌 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 52 圖 4 - 5 多層薄膜結構AFM表面形貌 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 53 圖 4 - 6多層薄膜結構SEM橫截面形貌 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氫氣電漿處理, 高倍影像 (d) 氨氣電漿處理 54 圖 4 - 7 低掠角X光繞射圖形 (a) SiCN薄膜 (b) 多層薄膜結構 55 圖 4 - 8 不同電漿處理XPS元素縱深成分分佈 (a) 碳 (b) 氮 (c)氧 (d) 矽 62 圖 4 - 9不同電漿處理SIMS元素縱深成分分佈 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 63 圖 4 - 10不同電漿處理SIMS元素縱深成分分佈 (a) 氫 (b) 碳 (c)氧 (d) 矽 (e) 氮 65 圖 4 - 11 個別元素相互鍵結示意圖 (a) 單層SiCN薄膜 (b) 單層SiOCH Low-k薄膜 (c) 多層薄膜結構中表層SiCN薄膜 (d) 多層薄膜結構中內層SiOCH Low-k薄膜 70 圖 4 - 12 單層SiCN薄膜，個別元素XPS圖譜與個別鍵結含量隨深度的變化 (a) 矽 (b) 氮 (c) 碳 71 圖 4 - 13單層SiOCH Low-k薄膜，經不同表面電漿處理，碳元素XPS圖譜與個別鍵結含量隨深度的變化 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 (d) 鍵結含量隨深度的變化 72 圖 4 - 14單層SiOCH Low-k薄膜，經不同表面電漿處理，氧元素XPS圖譜與個別鍵結含量隨深度的變化 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 (d) 鍵結含量隨深度的變化 73 圖 4 - 15單層SiOCH Low-k薄膜，經不同表面電漿處理，矽元素XPS圖譜與個別鍵結含量隨深度的變化 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 (d) 鍵結含量隨深度的變化 74 圖 4 - 16多層薄膜結構，經不同電漿處理，碳元素XPS圖譜縱深分析 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 75 圖 4 - 17多層薄膜結構，經不同電漿處理，碳元素XPS鍵結含量縱深分析 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 76 圖 4 - 18多層薄膜結構，經不同電漿處理，氮元素XPS圖譜縱深分析 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 77 圖 4 - 19多層薄膜結構，經不同電漿處理，氮元素XPS鍵結含量縱深分析 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 78 圖 4 - 20多層薄膜結構，經不同電漿處理，氧元素XPS圖譜縱深分析 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 79 圖 4 - 21多層薄膜結構，經不同電漿處理，氧元素XPS鍵結含量縱深分析 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 80 圖 4 - 22多層薄膜結構，經不同電漿處理，矽元素XPS圖譜縱深分析 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 81 圖 4 - 23多層結構薄膜，經不同電漿處理，矽元素XPS鍵結含量縱深分析 (a) 無電漿處理 (b) 氫氣電漿處理 (c) 氨氣電漿處理 82 圖 4 - 24 FTIR圖譜受電漿處理的影響 (a) 單層SiOCH Low-k薄膜 (b) 多層薄膜結構 88 圖 4 - 25 SiCN薄膜硬度與彈性模數隨深度變化 (a)薄膜硬度 (b)薄膜彈性模數 (c)薄膜硬度單一曲線 (d) 薄膜彈性模數單一曲線 91 圖 4 - 26 SiOCH Low-k薄膜硬度與彈性模數隨深度變化 (a)薄膜硬度 (b)薄膜彈性模數 (c, e)薄膜硬度(局部放大) (d, f)薄膜彈性模數(局部放大) 92 圖 4 - 27 SiCN及SiOCH Low-k薄膜殘留應力 93 圖 4 - 28 荷重施加與壓入深度曲線 (a)最大荷重40 mN (b)不同最大荷重疊加圖 101 圖 4 - 29 荷重施加與壓入深度曲線 (a)不同電漿處理的曲線疊加圖 (b) a圖曲線平移 (c) a圖局部放大 102 圖 4 - 30 不同電漿處理荷重施加與壓入深度曲線 (a)無電漿處理 (b)氫氣電漿處理 (c)氨氣電漿處理 103 圖 4 - 31 荷重施加與壓入深度曲線 (a)不同最大荷重疊加圖 (b) a圖相對應的微分曲線 104 圖 4 - 32 不同最大荷重的壓痕形貌 (a) 10 mN (b) 10 mN (a圖中央局部放大) (c) 20 mN (d) 20 mN (c圖中央局部放大) (e) 30 mN (f) 30 mN 105 圖 4 - 33 不同最大荷重壓痕形貌 (a) 40 mN (b) 40 mN (c) 50 mN (d) 50 mN 106 圖 4 - 34 薄膜壓痕的內部形貌，最大荷重為10 mN (a) 壓痕橫截面全貌 (b) a圖中央局部放大 (c) a圖左側局部放大 (d) a圖右側局部放大 107 圖 4 - 35 薄膜的壓痕形貌，最大荷重為20 mN (a)薄膜表面壓痕形貌 (b)壓痕橫截面全貌 (c) b圖中央局部放大 (d) b圖左側局部放大 (e) b圖右側局部放大 108 圖 4 - 36 壓痕內部形貌，最大荷重為30 mN (a)壓痕橫截面全貌 (b) a圖左側局部放大 (c) a圖右側局部放大 109 圖 4 - 37 壓痕內部形貌，最大荷重為30 mN，經氨氣電漿處理 (a) 壓痕橫截面全貌 (b) a圖左側局部放大 (c) a圖右側局部放大 110 圖 4 - 38奈米刮痕測試深度與荷重施加、橫向位移曲線 (a)、(b) 無電漿處理 (c)、(d) 氫氣電漿處理 (e)、(f) 氨氣電漿處理 115 圖 4 - 39奈米刮痕測試薄膜破裂形貌 (a)薄膜掀起剝離 (Spallation) (b)薄膜產生裂隙 (Crack) (c)薄膜掀起剝離 (d)薄膜產生裂隙 (e)薄膜掀起剝離。壓頭鈍面朝前，由右向左移動。 116 圖 4 - 40奈米刮痕測試薄膜破裂形貌 (a)刮痕全貌 (b) a圖局部放大 (c)ａ圖刮痕左端局部放大 (d) b圖刮痕右端局部放大 (e) d圖A區局部放大，可見層狀裂痕 (f) d圖B區局部放大，可見表層片狀SiCN薄膜。 117 圖 4 - 41 奈米刮痕測試薄膜剝離臨界荷重與壓入深度 118 圖 4 - 42界面強度與應力角度關係圖[28] 119 表目錄 表 2 - 1 各種線寬所使用的低介電常數材料，以及其對於材料各項 特性的要求[7].............................................................................9 表 2 - 2 介電材料介電常數與材料生長方式分類表[11].......................10 表 2 - 3 常見奈米壓痕測試的壓頭幾何形狀以及相關常數[18] ..........18 表 2 - 4 刮痕測試參數歸納表[41] ..........................................................34 表 3 - 1 元素鍵結型態與鍵結能量.......................................................45 表 4 - 1 單層SiCN薄膜縱深成分分析表..............................................61 表 4 - 2 單層SiOCH Low-k薄膜縱深成分分析表.................................61 表 4 - 3 奈米壓痕測試SiOCH薄膜與SiCN薄膜界面強度.................111 表 4 - 4 奈米刮痕測試SiOCH薄膜與SiCN薄膜界面應力與界面附著 強度........................................................................................118

    第六章 參考文獻
    1. Parshuram B. Zantye, Ashok Kumar, A.K. Sikder, Materials Science and Engineering, 45, 89, 2005.
    2. 莊達人編著，VLSI製造技術，高立圖書有限公司，2004年。
    3. 陳力俊主編，微電子材料與製程，中國材料科學學會，2000年。
    4. J. J. Sniegowski, Solid State Technology, 39, 83, 1996.
    5. M. T. Bohr, Proceedings of the IEEE International Electron Device Meeting, 241, 1995.
    6. 積體電路製程技術訓練班講義，國家奈米元件中心，2004年
    7. M. Fayollea , G. Passemardb, O. Louveaub, F. Fusalbab, J. Cluzela Microelectronic Engineering, 70, 255, 2003.
    8. T. Homma, Materials Science and Engineering, 23, 243, 1998.
    9. K. Maex, M.R. Baklanov, D. Shamiryan, F. Lacopi, S.H. Brongersma, and Z.S. Yanovitskaya, Journal of Applied Physics, 93, 8793, 2003.
    10. A.M. Padovani, L. Rhodes, L. Riester, G. Lohman, B. Tsuie, J. Conner, S.A.B. Allen, and P.A. Kohl, Solid State Letters, 4, F25, 2001.
    11. R.J.O.M. Hoofman, G.J.A.M. Verheijden, J. Michelon, F. Iacopi, Microelectronic Engineering, 80, 337, 2005.
    12. 國科會計畫「超大型積體電路多層銅內連線之薄膜奈米機械性質研究 (I)」NSC 93-2216-E-005-018，93年4月-94年3月。
    13. J.B. VELLA, I.S. ADHIHETTY, K. JUNKER and A.A. VOLINSKY International Journal of Fracture, 119/120, 487, 2003.
    14. T. Homma, Journal of the Electrochemical Society, 143, 707, 1996.
    15. T. Homma, Journal of the Electrochemical Society, 143, 1084, 1996.
    16. S. Takeishi, H. Kudoh, R. Shinohara, A. Tsukune. Y. Satoh, H. Miyazawa, H. Harada, and M. Yamada, Journal of the Electrochemical Society, 143, 381, 1996.
    17. H. Kudo, R. Shinohara, S. Takeishi, N. Awaji, and M. Yamada, Japanese Journal of Applied Physics, 35, 1583, 1996.
    18. A.C. Fischer-Cripps, Nanoindentation, Springer-Verlag, New York, 2002.
    19. 張傳華，微/納米力學測試技術與其應用，北京出版社，2004。
    20. N.X. Randall and R. Consiglio, Review of Scientific Instruments, 71, 2796, 2000.
    21. W.C. Oliver, and G. M. Pharr, Journal of Materials Research, 7, 1564, 1992.
    22. Xiaodong Li, Bharat Bhushan, Materials Characterization, 48, 11, 2002
    23. Xi Chen and Joost J. Vlassak, Materials Research Society, 16, 1974, 2001
    24. A.E. Giannakopoulos, S. Suresh, Scripta Materialia., 40, 1191, 1999.
    25. K. Endo and T. Tatsumi, Applied Physics Letters, 68, 3656, 1996.
    26. 李志偉，教育部九十三年度奈米人才培育計畫講義
    27. S.J. Bull, E. G. Berasetegui, T.F. Page, Wear, 256, 857, 2004
    28. A.A. Volinsky, N.R. Moody, and W.W. Gerberich, Acta Materialia , 50, 441, 2002.
    29. Xiaodong Li, Bharat Bhushan, Thin Solid Films, 315, 214, 1998.
    30. J. Malzbender, J.M.J. den Toonder, A.R. Balkenende, G. de With, Materials Science and Engineering, 36, 47, 2002.
    31. D.B. Marshall, A. G. Evans, Journal of Applied Physics, 56, 2632, 1984.
    32. Michael D. Kriese, William W. Gerberich, Neville R. Moody, Journal of Materials Research, 14, 3007, 1999.
    33. M.D. Thouless, Acta Metallurgica Materialia, 36, 3131, 1988.
    34. L.G. Rosenfeld, J. E. Ritter, T. J. Lardner, and M.R. Lin, Journal of Applied Physics, 67, 32914, 1990
    35.J. Ye, N. Kojima, K. Ueoka, and J. Shimanuki, Journal of Applied Physics, 95, 3704, 2004
    36. S.Y. Chang, H.L. Chang, Y.C. Lu, S.M. Jang, S.J. Lin, and M.S. Liang, Thin Solid Films, 460, 167, 2004.
    37. S. Benayoun, L. Fouilland-Paill□, and J.J. Hantzpergue, Thin Solid Films, 352, 156, 1999.
    38. N. Ariel, M. Eizenberg, Y. Wang, and S.P. Murarka, Materials Science in Semiconductor Processing, 4, 383, 2001.
    39. K.S. Kim, Y.C. Jang, H. J. Kim, Y.C. Quan, and N.E. Lee, Thin Solid Films, 377-378, 122, 2000.
    40. K. Endo and T. Tatsumi, Applied Physics Letters, 70, 1078, 1997.
    41. S.J. Bull, E.G. Berasetegui, Tribology International, 39, 99, 2006.
    42. V. Bellido-Gonzaez, N. Stefanopoulos, Deguilhen, Surface and Coating Technology, 74-75, 884, 1995.

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