歐傑電子能譜儀縱深分析

為了了解電漿處理後的奈米孔洞二氧化矽薄膜是否能抵抗後續金屬製程的擴散，我 們將電漿處理前後的奈米孔洞二氧化矽薄膜利用多功能真空濺鍍系統，鍍上20 nm 氮化 鉭，再沉積上100 nm 銅，我們利用 SEM 斷面圖觀察其堆疊情形，如圖 4-17 所示。接 著置於450^oC 真空退火爐管中退火 30 分鐘。之後利用歐傑電子能譜儀的縱深分析，觀 察銅原子與鉭原子的擴散情形，以確定孔洞封合的效果。

在進行歐傑電子縱深成分分佈分析時，縱深成分分佈曲線上之任何微小區間的實際 原子濃度分佈都會受到擴寬。在未達實際界面位置時，基質元素的歐傑電子訊號已逐漸 上升，這是因為入射離子在植入試片的內層時，試片中的原子因入射離子的衝撞及隨後 自身相互的碰撞而產生了移位，這種現象稱之為離子混合(ion mixing)。因此，在一個與 基質完全沒有交互擴散反應的薄膜試片之歐傑縱深成分分佈圖中，薄膜元素的縱深分佈 曲線在界面位置並非是一垂直陡降的曲線，而是呈現緩降的形狀。

圖4-18 為未經電漿處理後的奈米孔洞二氧化矽薄膜，沉積了 TaN 與 Cu 後經過 450^oC

退火30 分鐘的歐傑縱深成分分佈圖。我們可以發現在此退火條件下，Ta 曲線並非如高 斯曲線緩慢下降，而是帶有一不規則的尾巴往奈米孔洞二氧化矽薄膜延伸，明顯的向下 擴散進入奈米孔洞二氧化矽薄膜內，在此製程條件下 Ta 將會劣化奈米孔洞二氧化矽薄 膜的性質。

而我們將經過 O2電漿處理的奈米孔洞二氧化矽薄膜，利用一樣的沉積條件與退火 溫度及時間，去做歐傑縱深成分分析，得到的結果如圖 4-19 所示。由圖中我們可以觀 察到在Cu/Ta 與 Ta/SiO2的界面，不管是 Cu、Ta 與 Si 之原子濃度，都呈現高斯曲線的 分佈，因此雖然各元素的濃度曲線彼此有重疊，但應為離子混合效應所致。

圖 4-20 為 N2 電漿處理後，同樣經過金屬薄膜沉積與退火後的歐傑縱深成分分佈 圖。我們同樣可以發現，在Ta/SiO2的界面處，Si 呈現高斯曲線上升，而 Ta 的下降曲線 亦如同高斯曲線，表示 Ta 並無擴散進入奈米孔洞二氧化矽薄膜中，因此我們可以斷定 經過電漿處理之奈米孔洞二氧化矽薄膜，確實能將薄膜表面孔洞封合，阻擋後續金屬製 程中，金屬原子的擴散行為。

圖4- 17 奈米孔洞二氧化矽薄膜沉積氮化鉭與銅的 SEM 斷面圖。

圖4- 18 Cu/TaN/奈米孔洞二氧化矽薄膜經退火後之歐傑縱深成分分佈圖。

圖4- 19 Cu/TaN/氧電漿處理後之奈米孔洞二氧化矽薄膜經退火後之歐傑縱深成分分佈 圖。

0 200 400 600 800

0 20 40 60 80 100

Atomic percent (%)

Etch time (s)

N O Cu Si Ta

0 200 400 600 800

0 20 40 60 80 100

Atomic percent (%)

Etch time (s)

N O Cu Si Ta

圖4- 20 Cu/TaN/氮電漿處理後之奈米孔洞二氧化矽薄膜經退火後之歐傑縱深成分分佈 圖。