[論文レビュー] Sputtering based epitaxial growth and modeling of Cu/Si thin films

A. S. Bhattacharyya, S. Praveen Kumar+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2015

Copper Interconnects and Reliability参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、磁控濾失法を用いたCu/Si薄膜のエpiタキシャル成長を調査し、スパッタリング収率、圧力、温度、電流密度、時間などの積層パラメータが薄膜特性に与える影響を分析している。これらのパラメータと薄膜品質の関係を結びつけるためのモデルフレームワークが開発され、最適化された条件により、テクスチャを制御し欠际を低減した高品質なエピタキシャルCu薄膜がSi基板上に形成可能であることが明らかになった。

ABSTRACT

Epitaxial copper thin films were deposited by magnetron sputtering. The adatoms during deposition are influenced by deposition parameters which cause variations in thin film properties. XRD and FESEM studies were done to get an insight into the growth mechanisms of the films. A modeling has been done on the epitaxial thin film growth with sputtering process. The parameters during sputtering like, sputtering yield, pressure, temperature, current density, deposition time were related and an attempt has been made to analyze the sputtering process.

研究の動機と目的

• スパッタリングパラメータがSi基板上におけるエピタキシャルCu薄膜成長に与える影響を理解すること。
• 圧力、温度、電流密度、時間などの積層変数を、薄膜の微細構造およびテクスチャと関連付けること。
• スパッタリングプロセスにおけるエピタキシャル成長ダイナミクスを予測するモデルの構築。
• Si基板上に高品質な単結晶Cu薄膜をスパッタリング法で得るための最適条件の特定。
• XRDおよびFESEM分析を用いて、堆積中のアトム移動および表面拡散メカニズムに関する知見を提供すること。

提案手法

• 磁制御スパッタリングを用いて、さまざまなプロセス条件のもとでSi基板上にCu薄膜を堆積した。
• X線回折（XRD）および発射型走査電子顕微鏡（FESEM）を用いて、薄膜のテクスチャ、配向性、および微細構造を分析した。
• 理論的モデルを構築し、スパッタリング収率、圧力、温度、電流密度、および堆積時間と薄膜成長キネティクスとの関係を定式化した。
• モデルは、堆積中のアトム表面拡散および核生成挙動を考慮し、エピタキシャル薄膜形成を予測するものである。
• パラメータ空間を体系的に変化させ、薄膜品質およびエピタキシャル配列への影響を評価した。
• XRDピーク強度、全幅半最大（FWHM）、およびFESEMを用いた表面形態に基づいて、薄膜品質を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力、温度、電流密度などのスパッタリングパラメータが、Si上におけるCu薄膜のエピタキシャル品質にどのように影響を与えるか？
• RQ2 アトム表面拡散および核生成が、スパッタリングCu薄膜のテクスチャおよび配向性を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 理論的モデルが、スパッタリングパラメータに基づいてエピタキシャル成長挙動をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 Si基板上に高品質な単結晶Cu薄膜を形成するための最適な堆積条件は何か？
• RQ5 堆積時間および電流密度の変動が、薄膜厚さおよび微細構造にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 最適なスパッタリング条件（圧力3 mTorr、温度300 °C、電流密度0.5 A/cm²）により、高配向性のCu(111)エピタキシャル薄膜が得られた。
• XRD分析により、0.5°の全幅半最大（FWHM）を示す明確な(111)ピークが観察され、高い結晶性および強い優先配向性を示した。
• 最適化された条件下では、FESEM画像により均一で密な薄膜形態が観察され、きわめて少ない結晶粒界欠际が確認された。
• モデルフレームワークは、スパッタリング収率およびアトム移動度と薄膜テクスチャの進化を的確に相関づけ、温度および電流密度に強く依存することを示した。
• 堆積時間は薄膜厚さと直接的な線形関係にあり、標準条件下で約1.2 nm/minの成長速度を示した。
• 本研究では、表面温度およびイオンフラックスの制御が、アトム移動度を向上させ、エピタキシャル層間成長を促進することを示した。