表面型態

圖 4-13 為 Cu/TaNx/SiO2/Si 阻障系統在熱處理溫度 800℃下之 SEM 表 面型態照片。由圖4-13 (a)中可發現銅膜表面有許多破洞，顯示銅膜表面 已開始產生凝聚結塊現象^[34]。圖4-13 (b)則顯示出銅膜表面除了孔洞外，

尚有許多白色細絲存在，而圖4-13 (c)則為圖 4-13 (b)的區域放大圖。

圖4-13 Cu/TaNx/SiO2/Si 阻障系統在 800℃熱處理之 SEM 表面型態照片 (a) 放大倍率 x 5000 (b) 放大倍率 x 10000 (c) 放大倍率 x 100000

4-4 TaNx/Cu 附著力之探討與比較

3. 最後再將經過此兩種處理方式的試片結果與 PE-ALD Ta/TaNx 疊層結 Curve-Fitting 後的圖形並無相異之處。但當熱處理溫度達到 700℃時，其 Curve-Fitting 過後的 Ta (4f) 訊號峰除了原本氮化與氧化的訊號外，出現 了小部分純金屬鉭的訊號，如圖4-14 (a)與(b)所示。此顯示 TaNx薄膜表 面產生了部分還原的現象，推測可能原因來自 Forming Gas 中的氫氣在 700℃的高溫下與 TaNx薄膜產生還原反應，致使薄膜表面產生脫氮的效

果^[35-36]。此結果與Cu/TaNx疊層經450℃退火一小時後的 SEM、AFM 影

像一致。由圖4-15 (a)、(b)與圖 4-16 (a)、(b)可知，經 700℃熱處理的試 工作壓力分別為5 mTorr、50 mTorr、500 mTorr。由於沉積的 TaNx薄膜厚 度很薄，大約是10 nm，所以電漿處理過程中不施加基板偏壓，以避免過

隨之將電漿處理過後的試片進行XPS 定性分析，並以 PVD 方式濺鍍 上 100 nm 的銅膜金屬，進行 450℃真空退火一小時，探討 Cu/TaNx的界 面附著性。於XPS 的定性分析中，可發現 TaNx薄膜的 Ta (4f)訊號峰經過 5 mTorr、50 mTorr 氫電漿處理與未經表面處理的 Curve-Fitting 圖形幾乎 完全一致。但當工作壓力達到500 mTorr 時，其 Curve-Fitting 過後的 Ta (4f) 訊號峰除了原本氮化與氧化的訊號外，亦出現了微弱的純金屬鉭訊號，如

備兩組PE-ALD Ta/TaNx試片，編號分別為 P 和 Q，其阻障系統沉積條件

100 nm 的銅膜金屬，進行 450℃真空退火一小時，分析 Cu/Ta/TaNx的界

面附著性。圖4-14 (d)為 Ta (4f)訊號峰的 XPS Curve-Fitting 結果。圖 4-15 (d)與圖 4-16 (d)則分別為 Cu/Ta/TaNx疊層，在450℃真空退火一小時後的 SEM 與 AFM 影像，Cu/Ta/TaNx疊層經退火後的附著性較 Cu/TaNx疊層來 的好，且表面粗糙度也比較小。

實驗最後將經過上述三種不同處理的試片，利用NDL 的附著力測試 系統進行附著力的量測。所採用的試片面積為2 × 2 cm²，經試片前處理 準備後，每個條件下的試片皆量測20 次，由於希望儘量避免實驗誤差，

故將所得之數據去除較大與較小的值後取平均，其測試結果如圖 4-18 所 示。由實驗結果可知，無論是經過RTA (15 % H2)熱處理、500mTorr 氫電 漿處理或是再疊一層金屬鉭薄膜，皆可得到銅膜在後段高溫退火製程過後 附著強度有增加的趨勢，此結果與 SEM 影像及 Ta (4f)訊號峰之 XPS Curve-Fitting 相符。其中 RTA 15 % H2)熱處理的改善效果與 Ta/TaNx疊層 的效果相近，但卻可達到減少製程的時間與製程成本的目標。

圖4-14 TaNx薄膜經表面處理後之XPS Curve-Fitting 圖 (a) 未經任何處理 (b) 700℃的 RTA (15 % H2) 熱處理 (c) 500 mTorr 氫電漿處理 (d) Ta/TaNx

疊層結構

圖 4-15 TaNx薄膜經表面處理且鍍銅退火後之SEM 影像 (a) 未經任何處 理 (b) 700℃的 RTA (15 % H2) 熱處理 (c) 500 mTorr 氫電漿處理 (d)

Ta/TaNx疊層結構

圖 4-16 TaNx薄膜經表面處理且鍍銅退火後之AFM 影像 (a) 未經任何處 理 (b) 700℃的 RTA (15 % H2) 熱處理 (c) 500 mTorr 氫電漿處理 (d)

Ta/TaNx疊層結構

`表 4-4 TaNx薄膜經氫電漿表面處理後之試片表面粗糙度

表4-5 Ta/TaNx之試片表面粗糙度

圖4-17 Cu/Ta/TaNx 450℃退火一小時後之 SEM 影像 (a) 經 500 mTorr 氫 電漿處理 (b) 未經 500 mTorr 氫電漿處理

圖4-18 TaNx薄膜經各種表面處理且鍍銅退火450℃一小時後之薄膜附著 強度。其中 A. 未經任何處理 B. 700℃的 RTA (15 % H2) 熱處理 C. 500

mTorr 氫電漿處理 D. Ta/TaNx疊層結構

第五章、結論

效，此結果則符合現今IC 後段製程的需求(~420℃)。

3. TaNx 薄膜無論是經由 RTA (15 % H2)熱處理或氫電漿處理等表面處 理，都能在適當條件下成功減少薄膜表面的 Ta-N 鍵結，並還原成部 份純金屬鉭，由於銅與金屬鉭的附著能較銅與 TaNx來的大，故能有 效改善 Cu/TaNx/SiO2/Si 疊層結構在後段退火溫度中的失潤現象。因 此，隨著元件尺寸的縮小，使用薄膜表面處理來改善阻障層與銅膜間 的附著性，能達到與使用Ta/TaNx雙層阻障層結構的效果，卻又能達 到有效降低使用PE-ALD 製程沉積金屬鉭附著層的時間與成本。

5.2 未來工作

1. 本實驗是利用快速升溫退火爐在氫氣的氛圍下，以期還原 TaNx擴散

阻障層表面的 Ta-N 鍵結增進銅膜與阻障層間的附著強度。實驗設計 是在固定氫氣濃度(15%)下改變熱處理溫度進行表面改質，且結果顯 示在700℃的高溫處理下阻障層薄膜才有部分還原現象出現，但由於 此溫度超過一般 IC 後段製程的操作溫度範圍。故我們後續將嘗試改 變熱處理時的氫氣濃度及時間，希望降低熱處理溫度後仍能有效改善 銅膜與TaNx阻障層的附著強度，以相容於現今半導體後段製程。

2. 由於實驗中皆未以溝渠(trench)及引洞(via hole)等高深寬比的結構做 為薄膜沉積及改質的探討對象，故未來將嘗試將現有的研究成果與這 些高深寬比的結構整合在一起，以探討評估其可行性。

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