TWI464286B - 作為緩衝層之銅鍍層及其製作方法 - Google Patents
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Description
本發明關於一種銅鍍層，尤指一種含有微量鈦鎢元素的銅鍍層。本發明關於一種以濺鍍法製備含有微量鈦鎢元素的銅鍍層。
銅金屬或合金材料除了具備絕佳的導電性、熱傳導性與常溫機械性質，更具備較高的電荷遷移阻力，使得銅金屬或合金材料具有更長的使用壽命及良好的穩定性，成為取代鋁金屬的導電層材料，而被廣泛地應用於半導體或光電產業中。
然而，由於銅金屬或其合金材料的高溫機械性質較差，使得銅金屬或其合金材料僅能在較低的工作溫度下進行，如此反而影響銅金屬或其合金材料的導電性或熱傳導性，更降低銅金屬或其合金材料的應用價值。此外，銅金屬在200℃之低溫下容易與矽基板產生擴散反應，其反應的生成物(即，銅矽化合物)將大幅降低銅金屬或其合金材料的導電性，反而會劣化整體元件的穩定性。
為了改善前述所面臨之問題，目前多半係於銅鍍層與矽基板之間額外設置一隔絕阻障層，以隔絕銅鍍層與矽基板之間的擴散作用，達到改善銅鍍層之導電性或穩定性之目的。然而，當電子元件的尺寸越來越小、密度越來越高、且阻障層越來越薄的趨勢下，將大幅提升整體元件的電阻值，更難以形成厚度小於2奈米又可耐高溫的隔絕阻障層。
有鑑於現有技術所面臨之問題，本發明之主要目的在於提供一種銅鍍層之製作方法，其係於銅鍍層中添加微量的鈦金屬、鎢金屬或其氮化物，不需額外設置一隔絕阻障層即可達到抑止銅鍍層與矽基板之間發生擴散反應之目的，藉以大幅降低導電銅鍍層的製程複雜度與製作成本。
為達成上述目的，本發明係提供一種銅鍍層之製作方法，包括：(A)提供一真空濺鍍系統及一基材；(B)通入一氬氣氣體、一氮氣氣體或其組合至該真空濺鍍系統中，形成一濺鍍環境；以及(C)於濺鍍壓力係介於1×10-2
至1×10-3
托(torr)，溫度係介於常溫至100℃，且濺鍍功率介於20至200瓦(W)下，使用一銅靶材及一鈦鎢金屬靶材於該濺鍍環境中於該基材上濺鍍形成一含有鈦鎢元素之銅鍍層；其中該鈦鎢金屬靶材係為鈦靶材與鎢靶材之組合或鈦鎢合金靶材。
於本發明製作銅鍍層之方法中，較佳係以直流磁控濺鍍製程(direct current magnetron sputter deposition process)於該基材上共同濺鍍銅靶材與鈦鎢金屬靶材，以製得含有鈦鎢元素或其氮化物的銅鍍層。
較佳為，於本發明銅鍍層之製作方法中，該基材係持續繞著基材之軸心旋轉，以製得具備良好均勻性的銅鍍層。
於前述製作方法之步驟(A)中，真空濺鍍系統之壓力較佳係維持於1×10-6
至1×10-7
托(torr)；於步驟(B)中，通入之惰性氣體可為氬氣氣體，但並不僅限於此；於步驟(B)及步驟(C)中，其氮氣氣體之氣體流量較佳係介於1至4 sccm。此外，於本發明之製作方法中，其濺鍍環境之溫度較佳係介於常溫至100℃。
此外，本發明銅鍍層之製作方法中，更包括一步驟(D)對含有鈦鎢元素之銅鍍層進行退火製程。其中，退火製程之壓力較佳係介於1×10-6
至1×10-7
托(torr)，並於200℃至750℃下，以每分鐘上升4至6℃之加熱速率，持續進行2至20小時。
本發明含有鈦鎢元素之銅鍍層在尚未經過退火製程前，其銅鍍層之電阻係數係介於25至35 μΩ-cm，漏電流密度係介於10-10
至10-9
A/cm2
，附著強度係介於10至20 MPa，以及大於10年的依時性介質崩潰電壓(TDDB)；經過退火製程後，其銅鍍層之電阻係數係介於2至6 μΩ-cm，漏電流密度係介於10-11
至10-10
A/cm2
，附著強度係介於20至30 MPa，以及大於10年的依時性介質崩潰電壓(TDDB)。
此外，本發明之另一目的在於提供一種作為緩衝層的銅鍍層，該銅鍍層之微量鈦鎢金屬可有效降低銅原子的擴散速率，使該銅鍍層不僅能具備絕佳的導電性、高溫穩定性與附著強度外，又可具有非平衡相(non-equilibrium)與超微粒顯微組織結構(nano-scale microstructure)之特性，使銅鍍層得以更廣泛地應用至半導體或光電產業。
如所知者，所述的「緩衝層」意指用以減緩銅原子擴散至設置於銅鍍層下方的矽基板之緩衝層。由於銅鍍層固有的化學特性，於大氣環境中很容易受到氧化和腐蝕，若沒有適當的隔絕阻障層或緩衝層減緩銅原子與矽基板間的擴散作用，將無法維持電子元件應有的的特性。
為達成上述目的，本發明提供一種作為緩衝層之銅鍍層，其係包括銅金屬以及一添加金屬，該添加金屬係為鈦鎢合金、鈦鎢合金的氮化物、或其等之混合物；其中，鈦元素之含量係低於2原子百分比，且該銅鍍層中鎢元素之含量係低於2原子百分比。
較佳為，該添加金屬可為鈦鎢合金與鈦鎢合金的氮化物，更佳為，添加金屬係為鈦鎢合金的氮化物。
較佳為，本發明作為緩衝層之銅鍍層可由前述之製作方法所製得。其中，該銅鍍層中氮元素之含量較佳係介於0.1至3原子百分比。
據此，本發明作為緩衝層之銅鍍層的電阻係數係介於2至6 μΩ-cm，附著強度係介於5至35 MPa，漏電流密度係介於10-13
至10-12
A/cm2
，並且具有大於10年的依時性介質崩潰電壓(TDDB)。
綜上所述，本發明作為緩衝層之銅鍍層與銅鍍層之製作方法可具備下列幾項優點：
(1)絕佳的導電性、高溫穩定性與附著強度：
由於本發明之銅鍍層含有微量的鈦鎢元素或其氮化物，前述化合物係與銅金屬不互溶的化合物，於高溫下會析出形成阻絕層(self-passivation layer)，藉此抑止其他氣體參與阻絕反應或銅矽之間發生化學反應之可能性，因而能夠具備低電阻、低漏電流、絕佳的高溫穩定性與附著強度之特點；
(2)減緩銅鍍層與其上方之錫膜的反應性，並且降低銅鍍層及矽基材間界金屬化合物的生成厚度；
(3)降低製程複雜度與製作成本：
本發明毋須經過其他沉積步驟，透過含鈦鎢元素或其氮化物之銅鍍層即可抑止銅鍍層與矽基材之間的化學反應；
(4)無污染的製作過程：
本發明係於真空、乾淨且不具污染的濺鍍系統中，通入微量的惰性氣體及氮氣氣體，即可完成銅鍍層之製作。
以下，將藉由具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝者可經由本說明書之內容輕易地了解本發明所能達成之優點與功效，並且於不悖離本之精神下進行各種修飾與變更，以施行或應用本發明之內容。
實施例1
首先，提供一壓力為7×10-7
托(torr)的真空濺鍍系統，並將一矽基材置於該真空濺鍍系統中。
接著，於該真空濺鍍系統中通入高純度的氬氣及微量的氮氣氣體，並將氬氣與氮氣的壓力維持於1×10-2
torr。於此，該氮氣氣體之氣體流量係維持於2.7 sccm。
接著，將無氧純銅靶材(純度約為99.9%)及鈦鎢金屬靶材置於矽基材之正下方約20公分處，並使矽基材以其軸心持續做定速旋轉，其中，該矽基材之溫度可介於常溫至100℃。於本實施例中，該鈦鎢金屬靶材係選用鈦鎢合金靶材，但亦可同時使用鈦金屬靶材與鎢金屬靶材，以於基材上同時濺鍍鈦元素及鎢元素。最後，以150瓦(W)之濺鍍功率、60-80℃之溫度、及4.8 nm/mm之濺鍍速率下，進行直流磁控濺鍍製程，以製得含有鈦鎢氮化物之銅鍍層。
據此，本發明可製得一含有鈦鎢的氮化物之銅鍍層(Cu(Ti0.5
W0.4
N0.9
))，以電子微探針分析儀(EPMA)測得其鈦元素之含量係為0.5原子百分比，鎢元素之含量係為0.4原子百分比，且氮元素之含量係為0.9原子百分比。
實施例2
如同實施例1所述，實施例2係大致以相同的方法製作含有鈦鎢元素之銅鍍層。
與實施例1不同之處在於，該濺鍍製程中僅通入氬氣氣體，而未通入氮氣氣體。據此，經過如實施例1所述之製作方法後，所形成之銅鍍層係為含有鈦鎢合金的銅鍍層(Cu(Ti0.5
W0.5
))。以電子微探針分析儀(EPMA)測得該銅鍍層中鈦元素之含量係為0.5原子百分比，而鎢元素之含量係為0.5原子百分比。
比較例
首先，於壓力為7×10-7
托(torr)的真空濺鍍系統，並將一矽基材置於該真空濺鍍系統中。接著，通入高純度的氬氣，以150瓦(W)之濺鍍功率，使用銅靶材進行濺鍍製程，以於矽基材上形成傳統的銅鍍層。
試驗例1：退火製程對銅鍍層之附著強度的影響
本試驗例係分別使用前述實施例1、實施例2及比較例所製得的銅鍍層，探討各實施例及比較例之樣品經過退火製程後的影響。
於本試驗例中，各樣品係於壓力為1x10-6
至1x10-7
torr且溫度為600℃之環境中，以每分鐘上升4至6℃的加熱速率下持續進行退火製程長達一小時。
之後，透過ASTM D4541-02測試法測得實施例1、實施例2及比較例之銅鍍層的附著強度，其結果係如下表1所示。
如上表1所示，含有鈦鎢氮化物之銅鍍層(實施例1)於退火製程前即具有良好的附著強度，且經退火製程後更具有絕佳的附著強度。此外，僅含有鈦鎢元素的銅鍍層(實施例2)不論是退火製程前後，相較於未含有鈦元素或鎢元素的銅鍍層(比較例)，仍可以維持良好的附著強度。
經由實驗結果證實，本發明所製備之銅鍍層由於含有微量的鈦元素與鎢元素，因而能夠使銅鍍層在經過退火製程後都可維持高附著強度之特性。
試驗例2：退火製程對銅鍍層之電阻係數值的影響
如同試驗例1所述，本試驗例係大致上經過相同的退火製程後，分別量測不同的退火溫度下，各實施例及比較例之樣品的電阻係數值，其結果係如圖1所示。
由實驗結果得知，本發明含有鈦鎢氮化物之銅鍍層(實施例1)在經過700℃之退火溫度後仍可具有低至2.20 μΩ-cm之電阻係數值；而含有鈦鎢元素之銅鍍層(實施例2)在經過700℃之退火溫度後，其電阻係數約為2 μΩ-cm。由此可知，本發明所提供之製備方法確實可達到提升銅鍍層之導電性的功效。
試驗例3：退火製程對銅鍍層之漏電流特性的影響
如同試驗例1所述，本試驗例係大致上經過相同的退火製程，於400℃的退火溫度下探討各實施例及比較例之樣品的漏電流特性，其結果係如圖2所示。
由實驗結果得知，本發明含有鈦鎢氮化物之銅鍍層(實施例1)經過退火製程後，其漏電流密度約為10-12
A/cm2
，而含有鈦鎢元素之銅鍍層(實施例2)經過退火製程後之漏電流密度約為10-12
A/cm2
，顯示本發明含有鈦鎢元素之銅鍍層可具有較低的漏電流密度值，且近一步含有微量氮化物的銅鍍層(實施例1)，更可以有效地改善原本銅鍍層的漏電流問題。
試驗例4：退火製程對銅鍍層之TDDB的影響
如同試驗例1所述，本試驗例係大致上經過相同的退火製程，探討各實施例及比較例之樣品的依時性崩潰電壓(time dependence dielectric breakdown,TDDB)，其結果係如圖3所示。
由實驗結果得知，相較於未含有添加金屬的銅鍍層，本發明含有鈦鎢氮化物之銅鍍層(實施例1)及含有鈦鎢元素之銅鍍層(實施例2)經過退火製程後，可提高依時性介電崩潰(TDDB)的信賴度，於2.7 MV/cm電場強度下且未引起介電崩潰前，實施例1之銅鍍層可具有10年以上的依時性介質崩潰電壓週期。
試驗例5：實施例1之銅鍍層的緩衝能力
本試驗例係測試實施例1之銅鍍層作為緩衝層的能力。經由X光繞射技術(XRD)之實驗結果證實，不論是將銅鍍層靜置4天或8天，本發明實施例1之銅鍍層確實具有降低銅鍍層與其上方錫膜的交互作用之功效，其測試結果係如圖4及圖5所示。
綜上所述，本發明同時含有鈦鎢元素之銅鍍層可具備絕佳的導電性、高溫穩定性與附著強度，於退火製程前後亦可作為減緩銅錫之間的反應性，或減緩銅原子擴散能力之緩衝層，藉以銅鍍層於半導體產業或光電產業之應用性。
圖1係為本發明之實施例1、實施例2及比較例經過不同退火溫度後的電阻量測結果圖。
圖2係為本發明之實施例1、實施例2及比較例於退火製程前後的漏電流結果比較圖。
圖3係為本發明之實施例1、實施例2及比較例於退火製程前後的TDDB結果比較圖。
圖4係為本發明實施例1靜置4天之X光繞射分析(XRD)之實驗結果圖。
圖5係為本發明實施例1靜置8天之X光繞射分析(XRD)之實驗結果圖。
Claims (10)
- 一種銅鍍層之製作方法，包括：(A)提供一真空濺鍍系統及一基材；(B)通入一氬氣氣體、一氮氣氣體或其組合至該真空濺鍍系統中，形成一濺鍍環境；以及(C)於濺鍍壓力係介於1×10-2 至1×10-3 托(torr)，溫度係介於常溫至100℃，且濺鍍功率介於20至200瓦(W)下，使用一銅靶材及一鈦鎢金屬靶材於該濺鍍環境中於該基材上濺鍍形成一含有鈦鎢元素之銅鍍層，該銅鍍層中鈦元素之含量係低於2原子百分比，且該銅鍍層中鎢元素之含量係低於2原子百分比；其中，該鈦鎢金屬靶材係為鈦靶材與鎢靶材之組合或鈦鎢合金靶材。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中步驟(C)係包括利用一直流磁控濺鍍製程(direct current magnetron sputter deposition process)於該基材上濺鍍形成含有鈦鎢元素之銅鍍層。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作方法，於步驟(C)中，該基材係持續繞著一軸心旋轉。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中該氮氣氣體之氣體流量係介於1至4sccm。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之製作方法，於步驟(C)後更包括一步驟(D)對該含有鈦鎢元素之銅鍍層進行退火製程，其退火製程係於1×10-6 至1×10-7 托(torr)之壓力，200℃至750℃之溫度下，以每分鐘上升 4至6℃之加熱速率，持續進行2至20小時。
- 如申請專利範圍第5項所述之製作方法，於步驟(D)之前，該銅鍍層之電阻係數係介於25至35μΩ-cm，漏電流密度係介於10-10 至10-9 A/cm2 ，附著強度係介於10至20Mpa，以及大於10年的依時性介質崩潰電壓(TDDB)；於步驟(D)之後，該銅鍍層之電阻係數係介於2至6μΩ-cm，漏電流密度係介於10-11 至10-10 A/cm2 ，附著強度係介於20至30Mpa，以及大於10年的依時性介質崩潰電壓(TDDB)。
- 一種作為緩衝層之銅鍍層，其係包括銅金屬以及一添加金屬，該添加金屬係鈦鎢合金、鈦鎢合金的氮化物、或其等之混合物；其中，鈦元素之含量係低於2原子百分比，且該銅鍍層中鎢元素之含量係低於2原子百分比。
- 如申請專利範圍第7項所述之銅鍍層，其中該銅鍍層中氮元素之含量係介於0.1至3原子百分比。
- 如申請專利範圍第7項所述之銅鍍層，其中該銅鍍層係由申請專利範圍第1至6項中任一項所述之製作方法所製得。
- 如申請專利範圍第7或8項所述之銅鍍層，其電阻係數係介於2至6μΩ-cm，附著強度係介於5至35MPa，漏電流密度係介於10-11 至10-12 A/cm2 ，並且具有大於10年的依時性介質崩潰電壓(TDDB)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW100139550A TWI464286B (zh) | 2011-10-31 | 2011-10-31 | 作為緩衝層之銅鍍層及其製作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW100139550A TWI464286B (zh) | 2011-10-31 | 2011-10-31 | 作為緩衝層之銅鍍層及其製作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201317378A TW201317378A (zh) | 2013-05-01 |
| TWI464286B true TWI464286B (zh) | 2014-12-11 |
Family
ID=48871754
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| TW100139550A TWI464286B (zh) | 2011-10-31 | 2011-10-31 | 作為緩衝層之銅鍍層及其製作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI464286B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI597377B (zh) * | 2016-08-16 | 2017-09-01 | zong-xin Lin | Copper plating with good thermal conductivity and illuminance and preparation method thereof |
-
2011
- 2011-10-31 TW TW100139550A patent/TWI464286B/zh active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 林宗新, 朱瑾, "無擴散阻絕層之含不互溶物質銅薄膜濺鍍合成與性質分析研究", 國立台灣海洋大學, 材料工程研究所, 2005.6, page：全文 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI597377B (zh) * | 2016-08-16 | 2017-09-01 | zong-xin Lin | Copper plating with good thermal conductivity and illuminance and preparation method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201317378A (zh) | 2013-05-01 |
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