Messendes Substratfläche-Unabhängiges Elastizitätsmodul von Niedrig--K Filmen durch Instrumentierte Einrückung

Durch Jennifer-Heu

Themen Umfaßt

Überblick über Niedrig--κ Dielektrika
Das Heu-Crawford-Baumuster
Experimentelle Methode
Ergebnisse und Diskussion
Schlussfolgerungen
Bezüge
Über Agilent-Technologien

Überblick über Niedrig--κ Dielektrika

In den Digitalschaltungen trennen sich isolierende Dielektrika die Leitteile (Kabel verbindet sich und Transistoren) untereinander, von gegenseitig. Während Bauteile heruntergeschraubt haben und Transistoren genauer und genauer zusammengekommen sind, haben die isolierenden Dielektrika zum Punkt verdünnt, in dem Ladungsansammlung und -übersprechen nachteilig die Leistung der Einheit beeinflußt. Es ist diese Reduzierung in der Schuppe, die den Bedarf an den Isolierstoffen mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante treibt.

Ein Niedrig--κ Material ist eins mit einem kleinen Wert für Dielektrizitätskonstante im Verhältnis zu Siliciumdioxid (SiO2), ein ehemaliger Nichtleiter der Wahl. Die Dielektrizitätskonstante von SiO2 ist 3,9. Diese Zahl das Verhältnis der Genehmigung von SiO sich teilte2 durch die Genehmigung des Vakuums, ε/ε,SiO20 in dem ε =0 8.854x10 pF/μm-6 ist. Es gibt viele Materialien mit niedrigeren Dielektrizitätskonstanten, aber wenige von ihnen können in ein HalbleiterHerstellungsverfahren [1] geeignet integriert sein.

An der extremen, trockenen Luft (20°C, 1 ATM) hat eine Dielektrizitätskonstante von 1,00059 [2], aber trockene Luft kann nicht zu leiten, halten die mechanisch getrennten Materialien, also kann sie nicht als Isolator verwendet werden. Jedoch da man Material für Zelle enthält, erhöht die Dielektrizitätskonstante auch. Deshalb ist das Optimierungsproblem in der Materialentwicklung für Halbleiter, die Genehmigung des dielektrischen Materials soweit wie möglich zu senken, ohne mechanische Integrität zu kompromittieren, wie durch das Elastizitätsmodul mengenmäßig bestimmt. Im Allgemeinen haben die Prozesse, die für die Verringerung von Genehmigung beabsichtigt werden (wie Poreneinleitung) auch den Effekt der Verringerung des Elastizitätsmoduls.

Instrumentierte Einrückung wird geläufig in der Halbleiterindustrie eingesetzt, um das Elastizitätsmodul von den Niedrig--κ Filmen zu messen, die auf Siliziumscheiben abgegeben werden. Zwei typische Wafers werden in Abbildung 1. Geläufig, diese Filme sind kleiner als 200nm dick gezeigt.

Abbildung 1. Ganze Siliziumscheiben, beschichtet mit Niedrig--κ Materialien.

Ohne irgendeine Korrektur für Einfluss der zugrunde liegenden Silikonsubstratfläche, stellt man einen Kompromiss zwischen Ungewissheit und Fehler gegenüber. An den sehr kleinen Distanzadressen ist der Fehler wegen des Substratflächeneinflusses klein, aber die Ungewissheit liegt an der Oberflächenrauigkeit, an den Spitzenvarianten, an der Schwingung, an den Temperaturschwankungen, an Usw. größeres. Während Einrückungstiefe erhöht, verringert sich die Ungewissheit, aber der Fehler wegen des Substratflächeneinflusses erhöht. Der Punkt ist sogar komplex, weil viele Niedrig--κ Filme eine „Haut“ mit Eigenschaften darstellen, die nicht von der Masse des Filmes repräsentativ sind. Wenn man solch einen Film durch instrumentierte Einrückung prüft, werden die Daten in Oberflächennähe durch diese Haut beeinflußt, und Daten an den größeren Tiefen werden durch die Substratfläche beeinflußt und verlassen kein Gebiet, in dem die Eigenschaften des Filmes allein erreicht werden können.

So war der Zweck dieser Arbeit, ein analytisches Baumuster an der Analyse von den Niedrig--κ Filmen anzuwenden, die durch instrumentierte Einrückung geprüft wurden, um das Elastizitätsmodul des Filmes allein zu erreichen. Solch Ein Baumuster wurde vor kurzem durch Finit-Element-Methode [3] eingeführt und überprüft. Sich Entwickelt durch Agilent-Technologien, gekennzeichnet es als das Baumuster „Heu-Crawfords“.

Das Heu-Crawford-Baumuster

Das Heu-Crawford-Baumuster liefert analytische Mittelwerte des Erklärens des Substratflächeneinflusses auf gemessenen Modul. Das Baumuster setzt voraus, dass offensichtlicher Modul bereits bestimmt worden ist. Hier „offensichtlicher Modul“ bedeutet den Modul, der entsprechend der Methode von Oliver und von Pharr [4] berechnet wird. Diese Methode ist ausführlich anderswo erklärt worden [5, 6].

Das Heu-Crawford-Baumuster wird im Hinblick auf Schubmodul ausgedrückt; die allgemeine Beziehung zwischen Elastizitätsmodul (e), Schubmodul (μ) und Poissons Verhältnis (υ) ist E = 2μ (υ 1+). Das Heu-Crawford-Baumuster setzt dass die Filmtaten in den Serien und parallel zu der Substratfläche voraus, wie in Abbildung 2. dargestellt.

Abbildung 2. Diagramm des vorgeschlagenen Baumusters. Spitzenfeder stellt den Vorgang des Filmes dar. Unterseite zwei Federn stellen den Film und die Substratfläche dar, die parallel wirken.

So hängt das offensichtliche (Substratfläche-betroffene) Schubmodul (aμ) mit dem Schubmodul des Filmes (μf) und des dessen der Substratfläche (μs) durch diesen Ausdruck zusammen:

                    

Die Bewertungsfunktion, I0, liegt an Gao [7]; sie stellt für einen fließenden Übergang zwischen dem Einfluss des Filmes und dem der Substratfläche zur Verfügung. Der Ausdruck für I0 wird in Abbildung 3 vorgesehen, wo er gegen normalisierten Kontaktradius grafisch dargestellt wird (a/t).

Abbildung 3. Bewertungsfunktionen für Schubmodul (i)0 und Poissons Verhältnis (i)1.

So wird das Schubmodul des Filmes vom offensichtlichen Wert berechnet, indem man Eq löst. 1 für μf :

                    

wo A = 0.0626I0a, B = μsa + I0 - 1 - 0.0626I02 und C = - I0s.

Schließlich wird das Elastizitätsmodul des Filmes vom Schubmodul und Poissons von Verhältnis wie berechnet

                    E-F = 2μf (1+υf).          (Eq. 3)

Berechnung von μa von den Standardeinrückungsergebnissen für Gebrauch in Eq. 1 benötigt einen Wert für Poissons Verhältnis. Die Bewertungsfunktion I0 verwendet auch Poissons Verhältnis. Aber, die Wert verwendet werden sollte - der des Filmes oder der der Substratfläche? Um sicher zu sein ist dieses Problem von der zweiten Ordnung, aber Gao schlägt auch eine Bewertungsfunktion, I1, für das Handhaben des Überganges in Poissons Verhältnis vor, damit das offensichtliche Poissons Verhältnis, υa, wie berechnet wird

                    

Eq. 4 stellt den Wert für Poissons Verhältnis zur Verfügung, das in der Berechnung von μ unda von I. verwendet wird.0 Es sollte beachtet werden dass, wenn der Film und die Substratfläche das gleiche Poissons Verhältnis haben (das heißt, wenn υs = υf = υ), dann Eq. 4 verringert auf υa = υ. Der Ausdruck für I1 wird auch in Abbildung 3 vorgesehen, wo er gegen normalisierten Kontaktradius grafisch dargestellt wird.

Experimentelle Methode

Zwei Niedrig--κ Filme auf Silikon wurden geprüft; die Stärke des ersten Filmes war 1007 nm und die Stärke von der zweiten war 445 nm. Abbildung 4 Shows, welche die zwei Proben für die Prüfung montierten. Ergebnisse sind für diese gleichen Proben vor, aber ohne jedem möglichem erklärenden Substratflächeneinfluß [8] gemeldet worden. In dieser Arbeit vergleichen wir die Ergebnisse, die durch das Heu-Crawford-Baumuster mit vorher berichteten denen erzielt werden.

Abbildung 4. Zwei Niedrig--κ Proben, wie für die Prüfung in die Nano-Zahnwalze G200 montiert Agilent.

Die zwei Niedrig--κ Proben wurden in einem Agilent-Labor mit einer Nano-Zahnwalze G200 geprüft Agilent, welche die Kontinuierliche Steifheits-Maßoption und einen Kopf DCM II befestigt wurden mit einer Berkovich-Zahnwalze verwenden. Ergebnisse wurden unter Verwendung des Prüfmethode Agilent NanoSuite „G-Serien DCM Kontinuierlichen Steifheits-Maßes für Dünnfilme“ erzielt. Diese Prüfmethode führt das Heu-Crawford-Baumuster ein, um Substratfläche-unabhängige Maße des Elastizitätsmoduls zu erzielen.

Es sollte beachtet werden, dass diese Methode nicht Maße von Härte für Substratflächeneinfluß korrigiert. Jedoch sind Härtemessungen im Allgemeinen für Substratflächeneinfluß, weil der Umfang eines Plastikbereichs viel kleiner ist, als der Umfang eines elastischen Bereichs weniger empfindlich. Selbst wenn es einen erheblichen Unterschied zwischen Filmhärte und Substratflächenhärte gibt, verkündet die Härte, die bei 10% der Dicke gemessen wird normalerweise, geringfügigen Substratflächeneinfluß.

Nano-Zahnwalzen Agilent sind die Industriewahl für genau Dünnschichtprüfen wegen der Kontinuierlichen Steifheits-Maßoption gewesen, die elastische Kontaktsteifheit (S) dynamisch misst. Mit der Kontinuierlichen Steifheits-Maßoption bringt jede Einrückungsprüfung komplette Tiefenprofile des Elastizitätsmoduls und der Härte zurück. Unter Verwendung dieser Option wurden acht Prüfungen an jeder Niedrig--κ Probe durchgeführt. Laden wurde sodass die Belastungsrate gesteuert, die durch die Belastung geteilt wurde (P'/P) blieb an 0.05/sec konstant; Laden wurde an einer Eindringtiefe von 200 nm oder größeres geendet. Die Erregungsfrequenz war 75 Hz und der Erregungsamplitude wurde so gesteuert, dass die Distanzadresseamplitude bei 1 nm konstant blieb.

Ergebnisse und Diskussion

Ergebnisse werden in Abbildungen 5 der Tabelle-1. zusammengefasst und 6 zeigen das Elastizitätsmodul als Funktion der Eindringtiefe für jede Probe.

Tabelle 1. Zusammenfassung von Ergebnissen.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
 
 
 
Ergebnisse, Standard
Ergebnisse, durch Eqs. 1-3
Probe
N
Stärke nm
Range* nm
Ea GPa
σ (E)a GPa
Reichweite ** nm
Ef GPa
σ (E)f GPa
niedrig--κ 1
8
1007
35-40
4,69
0,07
95.9-105.4
4,34
0,06
niedrig--κ 2
8
445
25-30
8,23
0,13
42.2-46.8
7,46
0,12

* Ausgewählt durch Auge

** Entspricht bis 9.5%-10.5% von Dicke

Abbildung 5. Niedrig--κ 1 auf Silikonsubstratfläche, tf = 1007 nm.

Abbildung 6. Niedrig--κ 2 auf Silikonsubstratfläche, tf = 445 nm.

Die blauen Spuren sind die unkorrigierten Werte; sie zeigen, was ohne irgendeine Korrektur für Substratflächeneinfluß unter Verwendung einer Standard-NanoSuite-Prüfmethode wie „G-Serien DCM Kontinuierliche Steifheits-Messnorm-Härte, Modul und Spitze Cal“ erzielt würde. Diese blauen Spuren zeigen das Elastizitätsmodul, das als Funktion der Distanzadresse erhöht, weil die Silikonsubstratfläche, die viel steifer ist, in zunehmendem Maße das Maß beeinflußt. Der Effekt ist für Dünnfilm ausgeprägter; die blauen Spuren erhöhen schnell für das „Niedrig--κ 2" Probe, weil es der Dünnfilm ist, der in dieser Arbeit geprüft wird.

Die roten Diamanten zeigen die Reichweite, die verwendet wird, um die (unkorrigierten) Elastizitätsmodule in der fünften Kolonne von Tabelle 1. Logistisch zu berechnen, werden diese Diamanten vom Benutzer gelegt, um Daten auszuwählen, die, im Urteil des Benutzers sind, das von den Oberflächenanomalien und vom Substratflächeneinfluß frei ist.

Die grünen Spuren von Abbildungen 5 und 6 sind die Werte, die entsprechend Eqs berechnet werden. 1-3. Die roten Diamanten zeigen die Reichweite, die verwendet wird, um die Elastizitätsmodule in der achten Spalte von Tabelle 1 zu berechnen, aber Diamanten wurden automatisch durch die Software bei 9,5% und 10,5% der Dicke beziehungsweise gelegt um die Menge des Benutzerurteils zu verringern mit einbezogen, wenn man Ergebnisse berechnete. Die korrigierten Elastizitätsmodule zitiert bei 10% der Dicke (Tabelle 1, Spalte 8) sind beträchtlich niedriger als, was vorher für diese Proben berichtet wurde (Tabelle 1, Spalte 5).

Eine Andere wichtige Beobachtung ist, dass, wenn eine Korrektur für Substratflächeneinfluß eingesetzt wird, die Ergebnisse von tieferem in den Film genommen werden können, in dem Oberflächenanomalien weniger Einfluss haben. Infolgedessen sind die Standardabweichungen kleiner, wie indem das Vergleichen von Werten in den 6. und 9. Spalten von Tabelle 1. gesehen werden kann.

Schlussfolgerungen

Die Nano-Zahnwalze G200 Agilent mit einem Kopf DCM II ist die Industriewahl für diese Maße wegen seiner hohen Präzision, der Drehzahl, der Benutzerfreundlichkeit und der Kontinuierlichen Steifheits-Maßoption, die Eigenschaften als stetige Funktion der Eindringtiefe entbindet. In dieser Arbeit wurde Sondensoftware Agilent NanoSuite verwendet, um ein analytisches Baumuster einzuführen, das Substratflächeneinfluß erklärt. Prüfmethoden mit dieser Analyse sind jetzt für Abnehmer mit Fachmannsoftware Agilent NanoSuite erhältlich.

Haben eines Baumusters, das Substratflächeneinfluß auf Elastizitätsmodul erklärt, leistet sich einige praktische Vorteile:

  • Berichtete Moduln sind für den Film allein
  • Weniger Benutzereinfluß, weil Tiefenbereich für Rechenmoduln muss nicht „durch Auge“ ausgewählt werden
  • Weniger Ungewissheit, weil Ergebnisse an den tieferen Eindringtiefen erzielt werden

Bezüge

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Low--κ#Spin-on_organic_polymeric_dielectrics

[2] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/tables/diel.html

[3] J.L. Heu, „ein neues Baumuster für das Messen des Substratfläche-unabhängigen Elastizitätsmoduls der Dünnfilme durch instrumentierte Einrückung,“ Agilent-Technologie-Anwendungsanmerkung (2010).

[4] W.C. Oliver und G.M. Pharr, „eine verbesserte Technik für die Bestimmung von Härte und von Elastizitätsmodul unter Verwendung der Belastung und Distanzadresse, die Einrückungsexperimente,“ J. Mater ermittlt. Res., 7(6): 1564-1583 (1992).

[5] J.L. Heu, „Einleitung zu instrumentierter Einrückungsprüfung,“ Experimentelle Techniken 33(6): 66-72 (2009).

[6] J.L. Heu, P. Agee und Z.B. Herbert, „Kontinuierliches Steifheitsmaß während der instrumentierten Einrückungsprüfung,“ Experimentelle Techniken 34(3): 86-94 (2010).

[7] H. Gao, C. - H. Chiu und J. Lee, „Elastischer Kontakt gegen die Einrückungsformung von mehrschichtigen Materialien,“ Int. J. Körper Zellen, 29:2471-2492 (1992).

[8] J.L. Heu, „Elastizitätsmodul von dielektrischen Niedrig--κ Materialien,“ Agilent-Technologie-Anwendungsanmerkung (2010).

Über Agilent-Technologien

Agilent-Technologie-Nanotechnologieinstrumente lassen Sie Bild, manipulieren, und kennzeichnen eine große Vielfalt von nanoscale Verhalten-elektrisch, chemisch, biologisch, molekular, und atomar. Unsere wachsende Sammlung Nanotechnologieinstrumente, -zubehör, -software, -dienstleistungen und -verbrauchsmaterialien kann Anhaltspunkte aufdecken, die Sie die nanoscale Welt verstehen müssen.

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Quelle: Agilent-Technologien

Zu mehr Information über diese Quelle besuchen Sie bitte Agilent-Technologien

Date Added: May 11, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 06:56

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