進階搜尋


 
系統識別號 U0026-0812200910205533
論文名稱(中文) 直流式磁控濺鍍鈷膜於矽基板之結構變化與應用於OME製程之研究
論文名稱(英文) Co Thin Films Deposited by DC Magnetron Sputtering and Their Applications for OME Process
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 材料科學及工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Materials Science and Engineering
學年度 90
學期 2
出版年 91
研究生(中文) 溫金瑞
研究生(英文) Jin-Ray Wain
電子信箱 zooke@ms22.url.com.tw
學號 n5689132
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 124頁
口試委員 口試委員-邱國峰
口試委員-蔡哲正
指導教授-劉全璞
中文關鍵字 氧化調節層磊晶成長法  鈷薄膜  直流式磁控濺鍍 
英文關鍵字 Co thin film  OME  DC magnetron sputtering 
學科別分類
中文摘要 中文摘要

本實驗主要研究目標為利用DC磁控濺鍍系統濺鍍鈷薄膜於(100)矽基板上並探討沉積的鈷薄膜是否可應用於OME製程上。固定濺鍍功率50Watt,工作壓力8x10-3torr,改變靶材到基板濺鍍距離(6,10及12cm)與基板偏壓,然後將所沉積的鈷薄膜進行膜厚及片電阻的電性量測,XRD分析,觀察薄膜結構變化,再利用場發射掃描式電鏡(FE-SEM)觀察薄膜的表面型態,最後製作鈷薄膜TEM試片,確定鈷膜的結構。另外,將幾組具有比較突出性質 (結晶性、平整性) 的鈷薄膜進行OME製程,由實驗得知:不同的濺鍍距離,對沉積鈷薄膜會產生不同的結構,濺鍍距離(Ds-t)6cm,工作壓力8x10-3torr,基板偏壓-100V,可以得到HCP結構的鈷薄膜,當濺鍍距離(Ds-t)10cm,工作壓力8x10-3torr,基板偏壓-100V,從TEM 繞射圖分析得知鈷薄膜的結構會轉變為FCC結構。濺鍍距離(Ds-t)6cm,基板偏壓-75V,工作壓力8x10-3torr的濺鍍條件可以沉積出最低電阻值(9.8μΩ-cm)的鈷薄膜,與鈷薄膜的理想電阻值8μΩ-cm相當接近。當濺鍍距離(Ds-t)10cm,基板偏壓-100V時,由AFM影像分析可得最佳薄膜平整性(Rms=0.864 nm)。
本論文的另一研究重點,即是利用DC磁控濺鍍系統進行OME製程。利用前半段鍍膜實驗可以得到最佳結晶性與平整性的鈷膜,應用此濺鍍參數沉積鈷薄膜,進行OME製程的前置鍍膜製程。使用雷射曲率掃描實驗,可以得知OME製程在400℃及650℃產生反應,將試片進行400℃及650℃退火,再對試片做XPS分析,從分析結果中,選擇有鈷元素反應的試片,再做低略角XRD以分析試片的結構,用AES分析試片的縱深反應,得知矽、氧及鈷原子在試片的相對關係,最後利用TEM截面分析確定產生磊晶矽化物。

英文摘要 Abstract

The primary aim of the research is to deposite Co thin films on Si(100) substrate by DC sputter system and study the viability of the applications in OME process. During seposition, power supply and working pressure are kept constant at 50 watt and 8x10-3 torr, respectively, while target to substrate distance and substrate bias are varied. Then we use α-step and four-point probe to measure the thickness and the sheet resistance of the sputtered films. We make use of XRD and FE-SEM to analyze the phases and morphologies of the specimens. Finally, we identify the microstructure of specimens by TEM analysis. According to the experimental results, we find that different deposition distance produces different cobalt structure. When deposition distance of 6 cm, working pressure of 8x10-3 torr, the bias of subatrate of -100 volt are applied, we could obtain Co thin film with HCP structure. If we change the deposition distance to 10 cm keeping the other parameters the same, the Co thin films of FCC structure can be obtained by TEM diffraction patterns. The lowest resistivity of Co thin film is 9.8 μΩ-cm obtained under the deposition distance of 6 cm, the structure bias of -100 volt, the working pressure of 8x10-3 torr, compared to 8 μΩ-cm from the ideal value of Co thin film. When the deposition distance of 10 cm, the subatrate bias of -100 volt, working pressure of 8x10-3 torr, are applied AFM image show that Co thin film is the smoothest, which is deposited by DC sputter system. In the research of the application of Co thin film in the OME process, the Co thin film are chosen to possess either the lowest resistivity or the smoothest parameter. From the continuous in-situ curvature measurement with temperature by a Laser beam, the reaction temperatures where chemical reactions possibly seriously occur are of 400℃ and 650℃, the chemical reactions including the chemical species redistribution and new phase formation are analyzed by XPS, GIXRD, AES, and XTEM. Ultimately, the epitaxial cobalt silicide is demonstrated to be successful in this study.

論文目次 總目錄

第一章 諸論
1-1 前言…………………………………………………………………1
1-2 研究動機與目的……………………………………………………1
第二章 文獻回顧……………………………………………………… 6
2-1金屬薄膜與製程…………………………………………………… 6
2-2 傳統矽化物製程……………………………………………………7
2-3 常用的矽化物………………………………………………………12
2-3-1 二矽化鈦(TiSi2)………………………………………………12
2-2-2二矽化鈷(CoSi2)………………………………………………13
2-2-3 矽化鎳(NiSi)…………………………………………………14
第三章 電漿與濺鍍理論基礎…………………………………………22
3-1 電漿的形成…………………………………………………………22
3-2 輝光放電(Glow discharge)的特性……………………………23
3-2-1 濺鍍原理…………………………………………………………24
3-3 薄膜沉積原理………………………………………………………26
3-3-1沉積現象…………………………………………………………26
3-3-2 鍍層微結構的Thornton 模型…………………………………27
3-3-3 基板偏壓的效應…………………………………………………28
第四章 實驗方法與儀器………………………………………………40
4-1 D.C磁控濺鍍用靶材………………………………………………40
4-2 試藥準備……………………………………………………………40
4-3 實驗器材準備………………………………………………………40
4-4 實驗步驟……………………………………………………………41
4-4-1基板置備(裁製)…………………………………………………41
4-4-2基板清洗…………………………………………………………41
4-5氧化層(SiO2)的製備………………………………………………42
4-6磁控濺鍍鈷薄膜與鈷薄膜應用於OME製程………………………42
4-7真空退火……………………………………………………………43
4-8試片分析……………………………………………………………45
4-8-1膜厚測定(α-step)…………………………………………………45
4-8-2片電阻(sheet resistance)量測……………………………………45
4-8-3橢圓儀(Ellipsometry)……………………………………………46
4-8-4 鈷薄膜表面與截面型態分析(SEM)……………………………46
4-8-5 原子力顯微鏡(AFM)……………………………………………47
4-8-6 雷射掃描試片曲率法……………………………………………48
4-8-7 粉末X-ray繞射儀(Powder XRD)………………………………48
4-8-8 低略角X-ray繞射儀分析(GIXRD)……………………………49
4-8-9 Auger-electron spectrum (AES)……………………………………50
4-8-10 XPS元素鍵結能分析……………………………………………51
4-8-11穿透式電子顯微鏡分析(TEM)…………………………………52
第五章 結果與討論……………………………………………………65
5-1 鈷膜的基本性質……………………………………………………65
5-1-1 濺鍍距離對鈷膜的影響…………………………………………65
5-2 基板旋轉對鈷薄膜性質的影響……………………………………67
5-3 偏壓對濺鍍鈷膜的電性影響………………………………………69
5-3-1 濺鍍鈷膜的平整性影響…………………………………………70
5-3-2 濺鍍速率…………………………………………………………70
5-3-3 鈷膜優選方向……………………………………………………71
5-3-5 表面奈米結構物(pyramid structure)的影響……………………72
5-3-6 正偏壓試片的AES縱深分析……………………………………73
5-3-7 鈷薄膜沉積之結果………………………………………………74
5-4 二氧化矽製程………………………………………………………74
5-4-1 時間對氧化厚度的影響…………………………………………74
5-4-2 溫度對氧化厚度的影響…………………………………………75
5-5 OME製程……………………………………………………………75
5-5-1 OME的曲率變化…………………………………………………76
5-5-2 OME製程的XPS定性分析………………………………………76
5-5-3 OME製程的低略角X-Ray分析…………………………………77
5-5-4OME製程的AES分析……………………………………………78
5-5-5 OME製程的TEM截面分析………………………………………78
5-5-6 EDS分析…………………………………………………………79
第六章 結論……………………………………………………………118
6-1 鈷金屬薄膜沉積…………………………………………………118
6-2 二氧化矽製程……………………………………………………118
6-3 OME製程…………………………………………………………119
6-4 總結………………………………………………………………120
參考文獻………………………………………………………………121

圖目錄
圖2-1 polycide 製程示意圖……………………………………………10
圖2-2 Salicide製程示意圖………………………………………………11
圖2-3 鈦(Ti)與矽(Si)的二元相圖………………………………………16
圖2-4 鈷(Co)與矽(Si)的二元相圖……………………………………17
圖2-5 鎳(Ni)與矽(Si)的二元相圖………………………………………18
圖2-6 (a)Ti C-49相與(b)Ti C-54相二矽化鈦的結構圖………19
圖2-7 CoSi2的晶格結構為CaF2,右圖即為純矽的結構圖……………20
圖2-8 NiSi的晶格結構為CaF2,右圖即為純矽的結構………………21
圖3-1 真空輝光放電系統示意圖………………………………………30
圖3-2 直流輝光放電過程之 I-V 曲線………………………………31
圖 3-3 直流電漿放電圖………………………………………………32
圖3-4 濺鍍系統之陰極與陽極間電位分佈……………………………33圖3-5 二極式直流濺鍍系統示意圖……………………………………34
圖3-6 電場與磁場交互作用下之電子之路徑漂移……………………35
圖3-7 平面式磁控靶磁場分佈狀況與電子漂移………………………36
圖3-8 電子於正交電磁場的作用下產生E ×B 運動…………………37
圖3-9 濺擊原子經由真空沉積至基材表面可能發生的情形…………38
圖3-10 濺鍍薄膜之結構區(Thorntone Zone) 模型……………………39
圖4-1 Sputter 系統示意圖………………………………………………54
圖4-2 真空退火爐管示意圖…………………………………………55
圖4-3 α-step工作原理圖………………………………………………56
圖4-4 四點探針及其原理圖示…………………………………………57
圖4-5 橢圓儀原理示意圖………………………………………………58
圖4-6 原子力顯微鏡(AFM)示意圖……………………………………59
圖4-7 雷射曲率掃描系統之真空設備示圖……………………………60
圖4-8曲率量測光學原理示意圖………………………………………61
圖4-9 X-Ray繞射原理圖………………………………………………62
圖4-10 歐傑電子產生示意圖…………………………………………63
圖4-11 XPS工作原理圖…………………………………………………64
圖4-12 TEM中試片繞射平面及成像平面相對位置及電子圖………65
圖5-1 濺鍍距離與薄膜電阻率關係圖…………………………………80
圖5-2 (a)為濺鍍距離10公分的鈷薄膜的晶格繞射圖 (b)為濺鍍距離10公分的鈷薄膜的明野視圖……………………………………81
圖5-3 (a)濺鍍距離為6公分的鈷薄膜晶格繞射圖 (b)左圖為濺鍍距離為6公分的鈷薄膜暗野視圖,右圖則為鈷薄膜上的單晶………………………………………………………………82
圖5-4 濺鍍距離與鈷薄膜電性的關係圖………………………………83
圖5-5 (a)為濺鍍距離6公分與10公分之SEM表面圖 (b)為濺鍍距離6公分與10公分之鈷薄膜截面圖………………………………84
圖5-6 基板旋轉時,鈷薄膜沉積截面示意圖…………………………85
圖5-7 基板與鈷薄膜電阻率的關係圖…………………………………86
圖5-8 濺鍍距離為6 cm與10 cm的條件下,偏壓與鈷薄膜電阻率的關係圖……………………………………………………………87
圖5-9 (a)濺鍍距離為6 cm時,負偏壓對鈷薄膜表面的影響…………88
圖5-10 (b)濺鍍距離為6 cm時,正偏壓對鈷薄膜表面的影響………89
圖5-11 (c)濺鍍距離為10 cm時,負偏壓對鈷薄膜表面的影響………90
圖5-12 (d)濺鍍距離為10 cm時,負偏壓對鈷薄膜表面的影響………91
圖5-13 基板偏壓與濺鍍速率的關係圖………………………………92
圖5-14 負偏壓對鈷膜優選方向的影響………………………………93
圖5-15 基板偏壓與晶粒大小的關係圖………………………………94
圖5-16 三角錐結構在不同濺渡參數(時間、偏壓)下的SEM表面圖………………………………………………………………95
圖5-17 三角錐結構在不同負偏壓下的SEM截面圖…………………96
圖5-18 濺鍍距離為6 cm 的濺鍍條件,施加偏壓(=+100V)時的SEM截面圖…………………………………………………………98
圖5-19 (a)濺鍍距離為6cm ,施加正偏壓於基板,產生團化的現象,(b) 濺鍍時間為(a)的三分之一(c) 濺鍍距離為10cm施加負偏壓於基板,(d)對團化試片做AES 縱深分析………………99
圖5-20 鈷薄膜之AFM表面示意圖 (a) 濺鍍距離6 cm,bias=-75V,所沉積的鈷薄膜 (b) 濺鍍距離10 cm,bias=-100V,所沉積的鈷薄膜…………………………………………………………100
圖5-21 氧化時間對二氧化矽厚度的關係圖…………………………101
圖5-22 氧化溫度對二氧化矽厚度的關係圖…………………………102
圖5-23 OME製程示意圖……………………………………………104
圖5-24 (a) 濺度距離6 cm,施加偏壓(-75V) ,無鈦抗氧化層
(b) 濺度距離6 cm,施加偏壓(-75V) ,鈦抗氧化層……105
圖5-24 (c) 濺度距離6 cm,施加偏壓(+100V) ,無鈦抗氧化層
(d) 濺度距離6 cm,施加偏壓(+100V) ,鈦抗氧化層……106
圖5-25 OME製程試片之XPS 分析 (a) 濺度距離6 cm,施加偏(+100V) ,退火溫度400℃,30sec (b) 濺度距離10 cm,施加偏(+100V) ,退火溫度400℃,30sec………………………107
圖5-25 OME製程試片之XPS 分析 (c) 濺度距離6 cm,施加偏(-100V) ,退火溫度400℃,30sec (d) 濺度距離10 cm,施加偏(-100V) ,退火溫度650℃,30sec…………………………108
圖5-26 經XPS有鈷元素存在的OME製程試片,做GIXRD 分析所
得到的XRD圖………………………………………………110
圖5-27 (a) 濺鍍距離6 cm,bias = +100 v,退火溫度400℃(30 sec之AES 縱深分析
(b) 濺鍍距離6 cm,bias = +100 v,退火溫度650℃(30 sec)之AES 縱深分析…………………………………………111
圖5-27 (c) 濺鍍距離6 cm,bias = -75 v,退火溫度400℃(30 sec)之AES 縱深分析
(d) 濺鍍距離6 cm,bias = -75 v,退火溫度650℃(30 sec)之AES 縱深分析…………………………………………112
圖5-27 (e) 濺鍍距離10 cm,bias = +100 v,退火溫度400℃(30 sec)之AES 縱深分析
(f) 濺鍍距離10 cm,bias =+100 v,退火溫度650℃(30 sec之AES 縱深分析…………………………………………113
圖5-27 (g) 濺鍍距離10 cm,bias =-100 v,退火溫度400℃(30 sec)之AES 縱深分析
(h) 濺鍍距離10 cm,bias =-100 v,退火溫度650℃(30 sec)之AES 縱深分析…………………………………………114
圖5-28 利用濺鍍條件為6,Bias= +100 v,濺鍍時間6 sec,未進行退火的OME標準試片,中間層狀物,黑色為鈷薄膜,白色為二氧化矽 (a) 放大倍率:1000kx (b) 放大倍:500kx (c) 為鈷原子繞射圖 (d) 為二氧化矽繞射圖…………………………115
圖5-29利用濺鍍條件為6,Bias = +100 v,濺鍍時間6 sec,進行400℃退火30sec (a) 由二氧化矽與基板間所得到的二矽化鈷晶格繞射圖(b) 退火後的截面明野視圖,放大倍率:500 kx
………………………………………………………………116
圖5-30 OME製程未退火之試片做TEM截面分析,將電子數打在層狀結構物上所得到的原子元素成分圖……………………117

表目錄
表 2-1 1997年美國半導體金屬薄膜技術圖……………………………7
表2-2 金屬矽化物的性質………………………………………………15
表2-3 矽化鈷與矽化鈦退火溫度比較…………………………………15
表5-1金屬在矽的擴散係數……………………………………………97
表5-2 OME製程之鈷金屬膜主要濺鍍條件參數……………………103
表5-3 Co-Si 系統鍵結能整理…………………………………………109
參考文獻 參考文獻

1. 溫金瑞,劉全璞, ”磊晶二矽化鈷(CoSi2)之成長”, 工業材料p.170-p.174(2001)
2. 林鴻志, 深次微米閘極技術知發展與未來趨勢, 毫微米通訊期刊,第五卷第三期
3. Shyam P. Murarka, Metallization Theory and Practice for VLSI and ULSI,p.25-p.39
4. R. T. Tung, “Oxide mediated epitaxy of CoSi2 on silicon”, p.3461 (1996)
5. R. T. Tung, “A Novel Technique for Ultrathin CoSi2 Layers: Oxide Mediated Epitaxy”, p.1650-1654 (1997)
6. R. T. Tung, “Ultrathin silicide formation for ULSI devices”, p.268-274 (1997)
7. R. T. Tung, “Epitaxial silicide interfaces in microelectronics”, p.233-239(2000)
8. 陳力俊, ”微電子材料與製程”, 中國材料科學學會,p.279-p.300(1998)
9. G. J. van Grup, W. F. van der Weg, and D. Sigurd, “interaction in the Co/Si Thin Film System. Ⅱ. Diffusion Maker Experimenrts”, J. Appl. Phys. 49 (1978) 4011-4020.
10. J.P.Gambinoa, E.G. Colgan, “Invited Review Silicide and ohmic contacts”,p.99-p.146(1998
11. )J. B. Lasky, J. S. Nakos, D. J. Cain, andP. J. Geiss, “Comparison of Transformation to Low-Resistivity Phase and Aggeramation of TiSi2 and C0Si2”, IEEE Tran. Electron. Devices, ED-38,p.262-p.269(1991)
12. K. Maex, “Silicides for Integrated Circuits:TiSi2 and C0Si2”, Materials Science and Engineering R11,p.53-p.153(1993)
13. R. Beyers. R. Sinclair,”Metastable Phase Formation in Titanium-Silicon Thin-Film”, J. Appl. Phys. 57(1985)5240-5245
14. T. Ohguro et al, IEEE Tran. Electron Devices, ED-41, p.2305(1994)
15. T. Ohguro, S. Nakamura, M. Koike,T. Morimoto, A. Nishiyama, Y. Ushiku, T.Yoshitomi, M. Ono, M. Saito, and H. Iwai,”Analysis of Rs
Sistance Behavior in Ti-salicide and Ni-salicide polysilicon Films,”Analysya,IWWTrans. IEEE Tran. Election Device ED-41(199483-88)
16. K. N. Tu and J. M. Mayer, “Silicide Formation “, in Thin Films-Interdifusion and Reactions, edited by J. M. Poate, K. N. Tu and J. W. Mayer (Wiley, New York, 1978) p.359
17. GJ. Van Gurp and C. Langereis, “Cobalt Silicide Layer on Si. l. Structure and Growth”, J. Appl. Phys. 49,p.4301-p.4307(1975)
18. S. S. Lau, J. W. Mayer, and K. N. Tu, “Interaction in the Co/Si Thin Film System. I. kinetics”, J. Appl. Phys.49,p.4005-p.4010(1978)
19. K. N. Tu, G. Ottaviani, R. D. Thompson, and J. W. Mayer, “Thermal Stabilityy and Growth Kinetics of Co2Si and CoSi in Thin-Film Reaction”, J. Appl. Phys. 53, p.4406-p.4410(1982)
20. G. J. van Grup, W. F. van der Weg, and D. Sigurd, “interaction in the Co/Si Thin Film System. Ⅱ. Diffusion Maker Experimenrts”, J. Appl. Phys. 49 (1978) 4011-4020.
21. K. N. Tu and J. M. Mayer, “Silicide Formation “, in Thin Films-Interdifusion and Reactions, edited by J. M. Poate, K. N. Tu and J. W. Mayer (Wiley, New York, 1978) p.359
22. K. Maex, Material Science and Engineering, R11(1993)
23. K. Goto et al., Proc. IRPS, p.363(1998)
24. T. Ohguro et al.,Proc. SSDM, p.192(1993)
25. 楊錦章譯,”基礎濺鍍電漿”,電子發展月刊,第68期,(1983)13
26. 賴耿陽,”IC製程之濺射技術”復漢出版社,(1997)
27. Brain Chapman, ‘Glow Discharge Process”,chap.3, p.129-131, Academic Press, U. K. (1992)
28. John A. Thornton, “Influence of Apparatus Geometry and Deposition conditions on the Structure and Topography of Thick Sputtered Coatings”, J. Vac. Sci. Technol. 11(4), 666(1974).
29. Milton Ohring, “The Materials Science if Thin Films, Chap. 3, Academic Press, p.129-p.131(1992)
30. A. Ishizaka and Y. Shiraki, J. Electrochem. Soc. 133, 666(1986)
31. Brain Chapman,Glow Discharge Processes,chap.3,p.49-p.74,John Wiley and Sons, New York (1980)
32. SHYAM P. MURAKA,”Metallization Theory and Practice for VLSI and ULSI”,p.99-p.102,(1990)
33. Jmes D. Plummer, Michael D. Deal, Peter B. Griffin,”SILICON VLSI TECHNOLOGY”, Chapter 6, PRENTICE HALL,p. 312-p.313(2000)
34. C. Detavernier, R.L. Van Meirhaeghe, F. Cardon, R. A. Donaton, K. Maex,”The influence of Ti Capping layers on CoSi2 formation”,p.125-p.132(2000)
35. S. S. Lau, J. W. Mayer, K. N. Tu. [J. Appl. Phys. (USA) vol.(1978) p.4005]
36. C. D. Lien, M. A. Nicolet, C. S. Pai., S. S. Lau [Appl. Phys. A (Germany ) vol.36 (1985) p.153]
37. G. J. van Gurp, C. Langereis [J. Appl. Phys. (USA) vol.46 (1975) p.4301]
38. C. D. Lien, M. A. Nicolet, C. S. Pai., S. S. Lau [Appl. Phys. A (Germany ) vol.34 (1984) p.249]
39. C. D. Lien, M. Bartur, M. A. Nicolet [Mater. Res. Soc. Symp. Proc. (USA) vol.25 (1984) p.51]
論文全文使用權限
  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2003-07-16起公開。
  • 同意授權校外瀏覽/列印電子全文服務,於2003-07-16起公開。


  • 如您有疑問,請聯絡圖書館
    聯絡電話:(06)2757575#65773
    聯絡E-mail:etds@email.ncku.edu.tw