銅薄膜合成石墨烯暨石墨烯包覆奈米銅導線之電性與阻障特性研究

Translated title of the thesis: Graphene Synthesis by Copper Thin Film and the Study on Electrical and Diffusion Barrier Properties in Graphene-Coated Copper Nanowires for Interconnects
  • 王 大鈞

Student thesis: Master's Thesis

Abstract

高導電率的奈米銅導線具有高效率的訊號傳遞能力,可以應用在高性能半導體晶片上。半導體工業依循莫爾定律的演進,不斷地縮小各元件的特徵尺寸。對銅導線而言,微縮特徵尺寸會增加比表面積,電子傳輸過程與擴散阻障層的異質界面之非彈性散射現象變得明顯,導致銅導線的導電性質下降。另外,傳統的擴散阻障層材料也面臨電阻過大、厚度難以減小等困境。 本研究以石墨烯取代傳統的擴散阻障層,在奈米銅導線表面合成石墨烯,形成一被石墨烯包覆的銅導線結構,以拉曼光譜檢測石墨烯的品質,透過直流量測計算電阻率,利用計算相關係數("ρ" )與等效介電係數(k)分析漏電流,判斷石墨烯包覆效果與銅離子擴散程度,以及剖面銅元素成分分析觀察銅離子擴散的情形。 在真空環境下,高溫"900℃" 持溫3分鐘成長石墨烯,在"750℃" 以前控制降溫速率"-10℃/s" ,以表面析出的方式繼續成長,延長成長時間同時避免銅導線發生反濕潤現象,並利用拉曼光譜觀察到石墨烯的G、2D特徵峰值,其中"I" _"2D" ?"I" _"G" 在0 5~1間,表示合成出多層石墨烯,"I" _"D" ?"I" _"G" "在2~3" 間,帶有結構缺陷。由直流量測電壓-電流曲線,計算出包覆石墨烯後電阻率減少了21 5%,顯示石墨烯有效地減少電子在表面的非彈性散射。在銅離子擴散檢測方面,分別將樣品在"200℃、350℃、500℃" 退火兩小時,提供銅離子擴散進入氧化層所需能量與時間。不論是漏電流分析或剖面銅元素成分分析,結果皆顯示石墨烯有良好的阻擋銅離子擴散能力,但在"350-500℃" 間失效。本研究發現,石墨烯可以有效降低奈米銅導線的電阻率,並在低於"350℃" 的環境下有效阻絕銅離子擴散進入氧化層中,製備出一個具有高傳導性能與阻障銅離子擴散的奈米銅導線結構,針對半導體工業在特徵尺寸微縮上遭遇的瓶頸,提供了一個解決方案。
Date of Award2016 Jul 28
Original languageChinese
SupervisorGien-Huang Wu (Supervisor)

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