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研究生： 王明珊
Ming-Shan Wang
論文名稱： 擴散阻礙層氮化鋯與銅膜之應力行為
指導教授： 周卓煇
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： 2004
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 78
中文關鍵詞： 擴散阻礙層 、氮化鋯 、銅 、應力
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    • 本論文探討銅膜/氮化鋯薄膜/矽基材（Cu/ZrN/Si）三層結構之應力行為。ZrN薄膜及Cu膜皆以濺鍍法（Sputtering）鍍製，利用彎柄儀系統（Bending Beam Apparatus）量測薄膜的應力行為。以改變鍍製ZrN薄膜時，所通入的氮氣（N2）流量（Flow Rate）為參數，觀察ZrN/Si雙層結構的應力行為，以及Cu膜在Cu/ZrN/Si三層結構之間，隨ZrN不同之應力行為差異。

    應力量測實驗結果顯現，在ZrN/Si之雙層結構中，可發現ZrN之殘留應力皆為壓應力；並隨著通入之N2流量增加，而往較大之壓應力發展。在經過熱處理之後，ZrN在室溫之殘留壓應力均變小。

    Cu膜之室溫殘留應力，無論ZrN之參數如何，皆為張應力，並隨N2流量增加，而逐漸減小。經過熱處理之Cu膜，其殘留張應力，比未熱處理前大。

    由應力實驗，顯示隨著N2流量增加，Cu膜之熱機械性質會提升。經由X-Ray分析，可知其熱機械性質較大源自其晶粒尺寸較小。

    壹、簡介 1 貳、文獻回顧 4 2-1 薄膜應力 4 2-1-1 應力理論 4 2-1-2 薄膜在基材上之應力 5 2-1-3 溫度對薄膜本質應力的影響 7 2-2 薄膜的熱機械性質 7 2-3 擴散阻礙層 9 2-3-1 擴散阻礙層的種類 10 2-3-2 常見之擴散阻礙層 10 2-4 鋯及氮化鋯 11 2-4-1 鋯 11 2-4-2 氮化鋯 12 參、理論與原理 13 3-1 濺鍍原理 13 3-2 薄膜應力量測理論 14 3-2-1 基本平衡公式 14 3-2-2 二層結構應力理論 16 3-2-3 三層結構應力理論 18 3-2-4 彎柄儀量測基材的彎曲半徑 20 3-2-5 多層結構應力理論 23 肆、實驗細節 28 4-1 製備試片 28 4-1-1 擴散阻礙層ZrN之製備 28 4-1-2 銅膜之製備 29 4-2彎柄儀實驗 30 4-3 X光繞射儀 30 伍、結果與討論 32 5-1 擴散阻礙層ZrN薄膜在矽基材上之應力行為 32 5-2 Cu膜在Cu/ZrN/Si三層結構中之應力行為 33 5-2-1 ZrN之N2流量為7.5 sccm 34 5-2-2 ZrN之N2流量為10 sccm 35 5-2-3 ZrN之N2流量為12.5 sccm 35 5-2-4 ZrN之N2流量為15 sccm 36 5-2-5 ZrN之N2流量為17.5 sccm 37 5-3 擴散阻礙層對銅膜應力行為之影響 38 5-4 X光繞射結果 39 5-5 氧化Cu膜之應力行為 40 陸、結論 42 柒、參考文獻 43 表目錄 表一 鋁、銅之基本性質比較 48 表二 金屬氮化物擴散阻礙層之性質 49 表三 鋯與氮化鋯的基本性質 50 表四 N2流量對ZrN薄膜室溫殘留應力之影響（未熱處理前） 51 表五 N2流量對ZrN薄膜應力行為之影響（熱處理後） 52 表六 Cu膜在Cu/ZrN/Si三層結構中的應力行為 53 圖目錄 圖一 薄膜受應力彎曲示意圖 54 圖二 薄膜微結構與基材溫度、工作氣壓關係圖 55 圖三 擴散阻礙層種類之示意圖 56 圖四 濺鍍原理示意圖 57 圖五 彎柄儀量測試片絕對彎曲半徑示意圖 58 圖六 彎柄儀量測試片相對彎曲半徑示意圖 59 圖七 實驗流程圖 60 圖八 （a）試片規格（b）鍍膜結構 61 圖九 多功能真空濺鍍系統 62 圖十 真空彎柄儀裝置示意圖 63 圖十一 Rigaku廣角X光繞射儀示意圖 64 圖十二 ZrN薄膜在N2流量7.5 sccm時之應力對溫度變化圖 65 圖十三 ZrN薄膜在N2流量10 sccm時之應力對溫度變化圖 66 圖十四 ZrN薄膜在N2流量12.5 sccm時之應力對溫度變化圖 67 圖十五 ZrN薄膜在N2流量15 sccm時之應力對溫度變化圖 68 圖十六 ZrN薄膜在N2流量17.5 sccm時之應力對溫度變化圖 69 圖十七 ZrN薄膜於熱平衡前後之室溫殘留應力 70 圖十八 Cu膜在Cu/ZrN/Si三層結構中之應力對溫度變化關係圖，此時，鍍製ZrN膜之N2流量7.5 sccm 71 圖十九 Cu膜在Cu/ZrN/Si三層結構中之應力對溫度變化關係圖，此時，鍍製ZrN膜之N2流量10 sccm 72 圖二十 Cu膜在Cu/ZrN/Si三層結構中之應力對溫度變化關係圖，此時，鍍製ZrN膜之N2流量12.5 sccm 73 圖二十一 Cu膜在Cu/ZrN/Si三層結構中之應力對溫度變化關係圖，此時，鍍製ZrN膜之N2流量15 sccm 74 圖二十二 Cu膜在Cu/ZrN/Si三層結構中之應力對溫度變化關係圖，此時，鍍製ZrN膜之N2流量17.5 sccm 75 圖二十三 Cu膜的X-Ray繞射圖 76 圖二十四 受氧化Cu膜在Cu/ZrN/Si三層結構中之應力與溫度變化圖 77 圖二十五 （a）氧化Cu膜與（b）完整Cu膜之比較 78

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