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姓名 鄭佳和( Jia-He Zhen)  查詢紙本館藏   畢業系所 化學工程與材料工程學系
論文名稱 927℃ Nb-Si-Ge與600℃ Cu-Si-Ge兩三元平衡相圖之研究
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摘要(中) 本論文建立了兩個三元平衡相圖,分別為927℃靠近矽鍺端之Nb-Si-Ge三元平衡相圖與600℃ Cu-Si-Ge三元平衡相圖。並且也對Cu/Ge及Cu/Si之固態擴散反應行為作初步的探討。本論文之主要目的在提供產學界在設計Si1-xGex/Si或Si元件接觸材料時之基本熱力學參考資料。
在三元平衡相圖的研究中,我們結合X光繞射(XRD)、電子微探儀(EPMA)及金相觀察等分析結果,建立927℃靠近矽鍺端之Nb-Si-Ge三元平衡相圖與600℃ Cu-Si-Ge三元平衡相圖。在927℃靠近矽鍺端之Nb-Si-Ge三元平衡相圖研究方面,證實在927℃下靠近矽鍺端之Si-Ge-NbSi2-NbGe2 梯形區域中僅有Nb(Si1-xGex)2與 Si1-yGey兩相存在,也就是說NbSi2會和NbGe2形成C40結構之連續固溶液Nb(Si1-xGex)2。此固溶液相之不同組成x值與其晶格常數a、c值的關係也被本實驗測得。此外,我們發現在Nb(Si1-xGex)2-Si1-yGey兩相間之tie-lines有偏向NbSi2和Ge兩端的趨勢,推測此乃因NbSi2的生成焓(enthalpy of formation)較負於NbGe2之故。再者tie-lines 亦顯示NbSi2 和NbGe2皆無法單獨與Si1-yGey固溶液達到熱力學穩定狀態,唯有Nb(Si1-xGex)2固溶液方能與Si1-yGey固溶液達到熱力學穩定狀態。
在600℃ Cu-Si-Ge三元平衡相圖研究方面,確認Cu7Si與Cu5Ge會形成不等組成範圍A3結構之(Cu7Si, Cu5Ge)連續固溶液相。另外發現Cu3Si至少可溶進19.1 at﹪Ge,而Cu3Ge則最多只溶進2 at﹪Si,Cu3Si與Cu3Ge並不會形成連續之固溶液。由本實驗之結果推測Pearson’s Handbook of Crystallographic Data for Intermetallic Phases上之ε1-Cu3Ge相晶格結構資料可能有誤,ε-Cu3Ge和ε1-Cu3Ge相之XRD繞射圖譜可能相同。若此兩相繞射圖譜不相同則可能是Cu-Ge二元相圖上有關ε-Cu3Ge和ε1-Cu3Ge之穩定存在溫度有誤。再者本實驗發現Cu3Ge只會溶進極少量之Si,形成接近Cu3Ge電阻係數值之Cu3(Si1-xGex),其能與Si1-yGey相達熱力學穩定狀態,並且仍保有Cu3Ge極低電阻係數值之優點。因此我們可利用此特性,在Si1-yGey上設計出穩定存在之Cu3(Si1-xGex)接觸材料。
由擴散實驗顯示銅鍺接觸時Cu3Ge相生成速率遠大於Cu5Ge。且Cu3Ge相在600℃下只有單一結構之反應層產生。推測Cu-Ge二元相圖對於兩不同結構之Cu3Ge相的穩定存在溫度可能有誤。或者兩不同結構之Cu3Ge相的交互擴散係數相差較大。另外本實驗也發現在600℃下以夾具的方式進行銅矽擴散反應時,接觸之界面處並無任何擴散的跡象。
本研究之最終目的是在提供探討NbSi2與Si1-yGey/Si接觸時之熱穩定性以及Cu3Ge與Si1-yGey/Si及Si接觸時所需之基礎數據。這些資料當對微電子業界在開發新的接觸材料之金屬化製程有相當助益。
摘要(英) In this thesis , the semiconductor-rich region of the Nb-Si-Ge ternary isotherm at 927℃ and the Cu-Si-Ge ternary isotherm at 600℃ were determined by using X-ray diffraction、electron-probe microanalysis and metallography. The main objective is to provide the necessary thermodynamic information for designing contact materials for applications in SiGe or Si devices.
In the second part of this thesis, the diffusion behaviors of Cu-Si-Ge system were preliminarily studied. The objective is to provide the kinetic information for understanding the reaction between Cu and SiGe.
It was confirmed that at 927℃ NbSi2 and NbGe2 form a continuous solid solution Nb(Si1-xGex) with the C40 crystal structure. It was also shown that, other than Nb(Si1-xGex) and Si1-yGey , there is no known binary or ternary phase within the Si-Ge- NbGe2- NbSi2 trapezoid. The lattice parameters of Nb(Si1-xGex) were determined. The tie-lines for the Nb(Si1-xGex)- Si1-yGey two phase region tilt slightly toward the NbSi2 and Ge corners presumably because the enthalpy of formation for NbSi2 is more negative than that of NbGe2. The tie-lines also show that the NbSi2 and NbGe2 are not stable when they are in contact with SiGe solid solution alone.
In the Cu-Si-Ge ternary isotherm study at 600℃ study, we confirmed that Cu7Si and Cu5Ge formed a continuous solid solution with the A3 crystal structure ,but Cu3Si and Cu3Ge didn’t. We found that the crystal structure information of e1-Cu3Ge in the ”Pearson’s Handbook of Crystallographic Data for Intermetallic Phases” could have some errors. The diffraction pattern of ε-Cu3Ge and ε1-Cu3Ge could be the same. Otherwise the stably existing temperature of ε-Cu3Ge and ε1-Cu3Ge in the Cu-Ge binary phase diagram would have wrongs. The Si would slightly dissolve into Cu3Ge to form the Cu3(Si1-xGex) with low electrical resistivity close to Cu3Ge and the Cu3(Si1-xGex) would be stable on the SiGe substrate. Therefore, we can use this property of Cu3(Si1-xGex) to design the stable contact material on the SiGe substrate.
In the second part of this thesis, Cu/Ge binary diffusion couple experiment at 600℃ was performed. The growing rate of the Cu3Ge phase is greater than that of the Cu5Ge phase. The one and only crystal structure of the Cu3Ge phase was detected. We assumed that the stably existing temperature of the Cu3Ge phase with different crystal structures in the Cu-Ge binary phase diagram had some errors, or the variation in interdiffusion coefficients between the two different crystal structures of the Cu3Ge phase was large. We found that no detectable reaction in the Cu/Si binary diffusion couple occurred at 600℃.
The main objective is to provide the necessary thermodynamic information for NbSi2 and Cu3Ge when they contact with SiGe or Si substrate. The information would be a great benefit to the development of metallization for the new contact materials in the microelectronic industrial.
關鍵字(中) ★ 金屬矽化物
★ 矽鍺半導體
★ 銅製程
★ 金屬化製程
★ 高頻元件
★ 接觸材料
★ 金屬鍺化物
★ 連續固溶液
關鍵字(英) ★ Cu3Ge
★ Si1-xGex/Si
★ Nb(Si1-xGex)2
★ NbSi2
論文目次 頁數
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 II
目 錄 V
圖 目 錄 X
表 目 錄 XIV
符號說明 XVI
第 一 章 緒論
1.1 研究背景 1
1.1.1半導體之發展 1
1.1.2 高頻元件的需求 1
1.1.3 矽鍺半導體的優勢 2
1.1.4銅製程的開發 4
1.1.5 金屬矽化物與金屬鍺化物之應用 7
1.2研究動機與目的 13
第 二 章 文獻回顧
2.1 Nb、Si、Ge平衡相圖與固態反應 14
2.1.1 Nb、Si、Ge平衡相圖 14
2.1.1.1 Si-Ge二元平衡相圖 15
2.1.1.2 Nb-Si二元平衡相圖 18
2.1.1.3 Nb-Ge二元平衡相圖 19
2.1.1.4 Nb-Si-Ge三元平衡相圖 20
2.1.2 Nb、Si、Ge固態反應 21
2.1.2.1 Nb/Si二元系統 22
2.1.2.2 Nb/Ge二元系統 23
2.1.2.3 Nb/Si1-xGex三元系統 23
2.2 Cu、Si、Ge平衡相圖與固態反應 24
2.2.1 Cu、Si、Ge平衡相圖 24
2.2.1.1 Cu-Si二元平衡相圖 24
2.2.1.2 Cu-Ge二元平衡相圖 26
2.2.1.3 Cu-Si-Ge三元平衡相圖 28
2.2.2 Cu、Si、Ge固態反應 29
2.2.2.1 Cu/Si二元系統 29
2.2.2.2 Cu/Ge二元系統 30
2.2.2.3 Cu、Si、Ge三元系統 31
2.3 擴散反應之簡介 32
2.3.1 擴散機制之探討 32
2.3.2 交互擴散反應 35
第 三 章 實驗方法及步驟
3.1 鈮矽鍺三元平衡相圖之研究 39
3.1.1 合金製作 39
3.1.2 合金熱處理 40
3.1.3 試片切割、鑲埋與拋光 41
3.1.4 金相觀察 41
3.1.5 XRD繞射分析 42
3.1.6電子微探儀(EPMA)相組成分析 44
3.2 銅矽鍺三元平衡相圖之研究 46
3.2.1 合金製作 46
3.2.2 合金熱處理 46
3.2.3 試片切割、鑲埋與拋光 48
3.2.4 金相觀察 48
3.2.5 X光粉末繞射(XRD)分析 48
3.2.6電子微探儀(EPMA)相組成定量分析 50
3.3 擴散反應之研究 51
3.3.1試片前處理 51
3.3.2擴散偶之製作 51
3.3.3擴散偶反應界面之金相觀察 52
3.3.4擴散偶反應界面之EPMA分析 52
第 四 章 927℃ Si-Ge-NbSi2-NbGe2 梯形區域相平衡之研究
4.1 前言 53
4.2金相觀察之結果 53
4.3 XRD 粉末繞射分析結果 59
4.4 EPMA成分分析結果 59
第 五 章 600℃ Cu-Si-Ge三元平衡相圖之研究
5.1 前言 65
5.2 Cu固溶液區合金之結果分析─A區 66
5.3 Cu-(Cu5Ge, Cu7Si)兩相區合金之結果分析─B區69
5.4 (Cu5Ge, Cu7Si)連續固溶液區合金之結果分析─C區73
5.5 (Cu5Ge, Cu7Si) - Cu5Si兩相區合金之結果分析─ D區77
5.6 Cu5Si - Cu15Si4兩相區合金之結果分析─ E區 80
5.7 (Cu5Ge, Cu7Si) - Cu5Si及Cu15Si4三相區合金之結果分析─F區 83
5.8 (Cu5Ge, Cu7Si) - Cu15Si4兩相區合金之結果分析─G區86
5.9 (Cu5Ge, Cu7Si) - Cu15Si4及Cu3Si三相區合金之結果分析─H區 89
5.10 (Cu5Ge, Cu7Si) - Cu3Si兩相區合金之結果分析─I區92
5.11 (Cu5Ge, Cu7Si) - Cu3Ge兩相區合金之結果分析─K區95
5.12 Cu15Si4 - Cu3Si兩相區合金之結果分析─L區 98
5.13 Cu3Si單相區合金之結果分析─M區 102
5.14 Cu3Ge相區合金之結果分析─ O區 105
5.14.1合成之e-Cu3Ge、e1-Cu3Ge介金屬XRD繞射分析106
5.14.2 530℃銅鍺擴散實驗之結果分析 106
5.14.3 Cu3Ge相區之能性推論分析 107
5.15 Cu3Si - SixGe1-x兩相區合金之結果分析─ P區113
5.16 Cu3Si - Cu3Ge - SixGe1-x三相區合金之結果分析─ Q區 118
5.17 Cu3Ge - SixGe1-x兩相區合金之結果分析─ R區122
5.18其他區域之探討─ J區、N區 126
5.18.1 (Cu5Ge, Cu7Si) - Cu3Ge - Cu3Si三相區合金之探討─J區 126
5.18.2可能為Cu3Si-Cu3Ge兩相區合金之探討─N區130
第 六 章 擴散行為之研究
6.1 Cu/Ge於600℃交互擴散反應之探討 132
6.1.1分析結果 132
6.1.2討論 133
6.2 Cu/Si於600℃交互擴散反應之探討 134
6.2.1分析結果與討論 134
第 七 章 結論與建議
7.1靠近矽鍺端之Nb-Si-Ge三元平衡相圖 136
7.2 Cu-Si-Ge三元平衡相圖 138
7.3固態擴散反應 140
144
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