Abstract
本研究由下列兩個部分所組成，第一部份以釕/二氧化矽/矽薄膜結構在不同氧分壓條件下退火，觀察釕金屬氧化的機制。第二部分以銅/二氧化釕/二氧化矽/矽薄膜結構在高真空環境、不同溫度下退火，觀察此項結構的熱穩定性，同時觀察二氧化釕在高溫高壓下的穩定性。 退火後試片分析以高解析度電子顯微鏡（HRTEM, JEOL JEM-2010F），輔以X光能量分散光譜儀（EDX），比較在退火前與退火後，薄膜結構內產物結構的變化。再以四點探針法量測片電阻，以退火前試片作為對照組，觀察片電阻隨退火溫度變化。結合片電阻量測結果與薄膜結構的變化，討論此項結構的熱穩定性及可能的失效機制。 由本研究的結果，我們歸納出以下幾點： 1. 釕金屬薄膜在氧分壓為1%、溫度800℃環境下，可以在一小時內完全氧化成二氧化釕。當氧分壓 ≤ 0.1%時，釕金屬仍然會發生氧化，但是氧化反應的速率會因氧分壓過低而明顯下降，以致於釕金屬在一小時內無法完全氧化。 2. 銅/二氧化釕/二氧化矽/矽薄膜中的二氧化釕在400℃、2*10-7torr真空環境下退火一小時後，會還原成釕。還原產生的釕呈現多晶甚至奈米晶結構。在退火溫度等於或高於600℃時，釕金屬晶體明顯成長，並有球化現象，使得二氧化釕層（或說釕層）形成不連續狀態。 3. 在400℃、2*10-7torr真空環境下，銅會催化二氧化釕的還原反應。因此銅/二氧化釕結構經退火後，會變成銅/氧化亞銅/釕結構。而氧化亞銅為介穩態產物，當反應時間拉長後，氧化亞銅會分解成銅與氧，氧氣經由晶界釋出或累積在薄膜內形成空泡，而結構轉變為銅/釕結構。 4. 銅/二氧化釕/二氧化矽/矽薄膜結構在溫度800℃、2*10-7torr真空環境下退火一小時後，片電阻值會明顯升高，∆Rs/Rs = 149%。片電阻明顯升高的原因應是銅發生球化，薄膜變成不連續狀態。當退火溫度低於800℃時，片電阻值變化小。 總結來說，銅會催化二氧化釕的還原反應，在400℃時反應就會在一小時內發生。雖然在室溫下，銅催化二氧化釕還原的反應不易發生，但在半導體某些製程（例如成長高介電氧化物層）會用到400℃以上的溫度，因此二氧化釕層會有分解的可能。分解所生成的釕電阻率低（7.6μΩ.cm），而且不與銅發生反應，也不互溶，與二氧化矽接觸也很穩定，應該可以作為擴散障礙層。但是所釋出的氧氣，會使銅氧化成氧化亞銅，而且在氧氣往外擴散過程中，會在薄膜內造成空泡。這些結果都會造成銅的片電阻值上升。 因此二氧化釕並不適合單獨作為銅的擴散障礙層，可以考慮與其他材料混和使用，如鉭或釕，也可考慮直接使用釕做為擴散障礙層。