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    隨著積體電路朝向高積集度與高傳輸速率的目標發展，金屬導線寬度及間距不斷縮小，造成嚴重之電阻電容延遲 (RC Delay) 效應。降低電阻電容延遲效應主要有兩個改善方法：(1) 使用低電阻率 (Resistivity) 金屬導線材料，以增加訊號傳遞速度，(2) 使用低介電常數 (Dielectric Constant) 材料介電層，以降低寄生電容；其中在金屬導線材料方面，銅因電阻率較鋁為低 (Cu: 1.67 μΩ-cm; Al: 2.66 μΩ-cm)、且抗電遷移能力亦較佳，因此逐漸取代鋁而成為現今最重要的金屬內連線材料。然而由於銅原子擴散係數高，一旦銅擴散至矽元件中，極易造成元件特性退化，因此需要於銅導線與介電層之間加入有效之擴散阻障層，以提升元件之電性可靠度；理想的擴散阻障層需具備低電阻率以及優良之界面附著性、階梯 覆蓋能力、熱穩定性與機械特性。

     在擴散阻障層材料發展上，早期多使用單一過渡金屬氮化物，如TaN、TiN、及MoN等，此類材料中，TiN因易形成柱狀晶結構、晶界為快速擴散路徑，而TaN與MoN則因電阻值偏高會增加電阻電容延遲效應，這些缺點使得單一元素氮化物阻障層的應用受到限制。近年來，擴散阻障層材料的研究不再侷限於單一元素氮化物，其中依成分及結構的設計可分為兩類：(1) 添加第三個元素以改善阻障性質，如Ti-Si-C、Ru-Ta-N、Ta-Ge-N等，(2) 以雙層結構改善阻障性質，如 Ti/MoN 、Mo/WN、Ru/TaN等。


Si/AlCrTaTiZr HEAN/Cu SEM與TEM影像
　　隨著半導體銅製程技術進 20 nm 世代，各線路之厚度及寬度皆急遽降低，擴散阻障層的厚度需求將降至更低；研究結果顯示，多元高熵合金其氮化物薄膜具有優異之熱穩定性，預期將能符合新式半導體銅製程技術。但多元高熵合金及其氮化物之擴散阻障能力提昇之機制尚未被釐清。

　　而本實驗室利用射頻磁控濺鍍沉積一元至六元合金及其氮化物薄膜之奈米機械特性與擴散阻障性質分析之研究發現，多元氮化物具有相當特殊之奈米晶析出/非晶質基地複合結構，機械性質優異且熱穩定性極佳，並可在900°C高溫退火後仍保持其奈米複合結構與機械強度，且厚度僅10奈米之薄膜即可在900°C下成功阻擋銅矽交互擴 散，具有相當優異之擴散阻障能力，如下圖所示。

圖左至右：元素數與失效溫度之關係；矽/銅與矽/擴散阻障層(1N-6N)/銅疊層結構經不同溫度退火前後之電阻率變化圖；銅在   1A-6A  擴散阻障層之擴散係數與溫度倒數關係；元素數與晶格應變能之關係。Ref:JOM,2013,65,1790-1796

    研究成果已發表於Applied Physics Letters期刊上。後續更進一步將薄膜厚度降低至僅4奈米、並製成多層結構，此超薄膜亦可在800°C下阻擋銅矽交互擴散；相關研究成果於新合金系統及擴散阻障層材料之開發上乃相當重要之突破，並具有極大之應用潛力，目前已受到聯華電子等公司重視。早期研究所發表之6篇國際期刊論文被引用總次數已超過900次，今年度並於JOM及Entropy兩期刊上發表論文(Invited Paper)；近期更深入透過結構學與熱力學探討多元材料之擴散動力學遲緩機制，論文已發表於Scientific Reports國際期刊 Nature Publishing Group系列期刊。

圖左至右：矽/多元氮化物/銅薄膜疊層結構經900°C高溫退火後之界面微結構、多元氮化物薄膜內部特殊奈米結構及界面成分擴散分佈；厚度僅4奈米之多元合金及氮化物超薄膜疊層結構擴散阻障層。