Het Meten van de Modulus van substraat-Onafhankelijke Jongelui van Films laag-K door Van Instrumenten Voorzien Inkeping

Door Jennifer Hay

Besproken Onderwerpen

Overzicht van Diëlektrica laag-Κ
Het Model hooi-Crawford
Experimentele Methode
Resultaten en Bespreking
Conclusies
Verwijzingen
Ongeveer Technologieën Agilent

Overzicht van Diëlektrica laag-Κ

In digitale kringen, van elkaar scheiden de isolerende diëlektrica de het leiden delen (de draad verbindt en transistors) onderling. Aangezien de componenten hebben verlaagd en de transistors dichter en dichter zijn samengekomen, hebben de isolerende diëlektrica aan het punt verdund waar de de lastenopeenhoping en overspraak ongunstig de prestaties van het apparaat beïnvloeden. Het is deze vermindering van schaal die de behoefte drijft om materialen met lagere diëlektrische constante te isoleren.

Een materiaal laag-Κ is één met een kleine waarde voor diëlektrische constante met betrekking tot siliciumdioxyde (SiO2), vroegere diëlektrisch van keus. De diëlektrische constante van SiO2 is 3.9. Dit die aantal is de verhouding van de diëlektrische constante van SiO2 door de diëlektrische constante van vacuüm, ε/ε wordt verdeeldSiO20, waar ε0 = 8.854x10-6 pF/μm. Er zijn vele materialen met lagere diëlektrische constanten, maar weinigen van hen kunnen geschikt in een halfgeleider productieproces [1] worden geïntegreerd.

Bij extreem, heeft de droge lucht (20°C, 1 ATM) een diëlektrische constante van 1.00059 [2], maar de droge lucht kan niet houden leidend mechanisch gescheiden materialen, zodat kan het niet als isolatie worden gebruikt. Nochtans, aangezien één materiaal voor structuur opneemt, de diëlektrische constante ook verhogingen. Daarom is het optimaliseringsprobleem in materialenontwikkeling voor halfgeleiders de diëlektrische constante van het diëlektrische materiaal zo ver mogelijk te verminderen zonder mechanische integriteit te compromitteren, zoals die door de modulus van de Jongelui wordt gekwantificeerd. Over Het Algemeen, hebben de processen opzettelijk voor het verminderen van diëlektrische constante (zoals porieinleiding) ook het effect van het verminderen van de modulus van Jongelui.

De Van Instrumenten Voorzien inkeping is algemeen aangewend in de halfgeleiderindustrie die de modulus van de Jongelui van films te meten laag-Κ op siliciumwafeltjes worden gedeponeerd. Twee typische wafeltjes worden getoond in Figuur 1. Algemeen, zijn deze films minder dan dikke 200nm.

Figuur 1. Gehele die siliciumwafeltjes, met materialen laag-Κ met een laag worden bedekt.

Zonder enige correctie voor invloed van het onderliggende siliciumsubstraat, ziet men een compromis tussen onzekerheid en fout onder ogen. Bij zeer kleine verplaatsingen, is de fout toe te schrijven aan de substraatinvloed klein, maar de onzekerheid is grotere toe te schrijven aan oppervlakteruwheid, uiteindevariaties, trilling, temperatuurvariaties, enz. Aangezien de inkepingsdiepte stijgt, vermindert de onzekerheid, maar de fout toe te schrijven aan substraatinvloed stijgt. De kwestie is complexer omdat vele films laag-Κ een „huid“ met eigenschappen voorstellen die niet representatief voor het grootste deel van de film zijn. Wanneer het testen van zulk een film door van instrumenten voorzien inkeping, worden de near-surface gegevens beïnvloed door deze huid, en de gegevens bij grotere diepten worden beïnvloed door het substraat, verlatend geen domein waarin de eigenschappen van de film alleen kunnen worden verkregen.

Aldus, was het doel van dit werk een analitisch die model op de analyse van films toe te passen laag-Κ door van instrumenten voorzien inkeping worden getest de modulus van de Jongelui van de alleen film te verkrijgen. Zulk een model werd onlangs geïntroduceerd en werd geverifieerd door eindig-elementenanalyse [3]. Ontwikkeld door Agilent Technologies, wordt het bedoeld als model „hooi-Crawford“.

Het Model hooi-Crawford

Het model hooi-Crawford verstrekt een analitisch middel om van substraatinvloed op gemeten modulus rekenschap te geven. Het model veronderstelt dat de duidelijke modulus reeds is bepaald. Hier, de „die duidelijke modulus“ betekent modulus volgens de methode van Oliver en Pharr [4] wordt berekend. Deze methode is elders verklaard in detail [5, 6].

Het model hooi-Crawford wordt uitgedrukt in termen van scheerbeurtmodulus; de algemene relatie tussen de modulus van Jongelui (e), scheerbeurtmodulus (μ), en Poisson verhouding (υ) is E = 2μ (1+ υ). Het model hooi-Crawford veronderstelt dat de film in reeks en parallel met het substraat zoals die in Figuur 2 wordt geïllustreerd handelt.

Figuur 2. Schema van het voorgestelde model. De Hoogste lente vertegenwoordigt de actie van de film. Bodem twee de lentes vertegenwoordigt de film en het substraat tegelijkertijd handelend.

Aldus, is de duidelijke (substraat-beïnvloede) scheerbeurtmodulus (aμ) verwant met de scheerbeurtmodulus van de film (μf) en dat van het substraat (μs) door deze uitdrukking:

                    

De wegingsfunctie, I0, is toe te schrijven aan Gao [7]; het voorziet een vlotte overgang tussen de invloed van de film en dat van het substraat. De uitdrukking voor I wordt0 verstrekt in Figuur 3 waar het tegen genormaliseerde contactstraal (a/t) in kaart wordt gebracht.

Figuur 3. De functies van de Weging voor scheerbeurtmodulus (i)0 en Poisson verhouding (i)1.

Aldus, wordt de scheerbeurtmodulus van de film berekend vanaf de duidelijke waarde door Eq op te lossen. 1 voor μf :

                    

waar A = 0.0626I0a, B = μsa + I0 - 1 - 0.0626I02, en C = - I0s.

Tot Slot wordt de modulus van de Jongelui van de film berekend vanaf de de scheerbeurtmodulus en Poisson verhouding zoals

                    EF = 2μf (1+υf).          (Eq. 3)

Berekening van μa vanaf standaardinkepingsresultaten voor gebruik in Eq. 1 vereist een waarde voor Poisson verhouding. Wegingsfunctie I0 gebruikt Poisson ook verhouding. Maar wat de waarde zou moeten worden gebruikt - dat van de film of dat van het substraat? Om zeker te zijn, is dit probleem van de tweede orde, maar Gao stelt ook een wegingsfunctie, I1, voor de behandeling van de overgang in Poisson verhouding voor, zodat de duidelijke Poisson verhouding, υa, zoals wordt berekend

                    

Eq. 4 verstrekken de waarde voor Poisson verhouding in de berekening van μ ena I. wordt gebruikt dat.0 Men zou moeten opmerken dat als de film en het substraat de zelfde Poisson verhouding (namelijk als υ =s υ =f υ), toen Eq hebben. 4 verminderen aan υa = υ. De uitdrukking voor I wordt1 ook verstrekt in Figuur 3, waar het tegen genormaliseerde contactstraal in kaart wordt gebracht.

Experimentele Methode

Twee films laag-Κ op silicium werden getest; de dikte van de eerste film was 1007 NM en de dikte van de tweede was 445 NM. Figuur 4 toont de twee steekproeven opgezet voor het testen. De Resultaten zijn voordien gemeld voor deze zelfde steekproeven, maar zonder enige boekhouding voor substraatinvloed [8]. In dit werk dat, vergelijken wij resultaten door het model hooi-Crawford worden verkregen bij eerder gemeld die.

Figuur 4. Twee steekproeven laag-Κ, zoals opgezet voor het testen in Agilent Nano Indenter G200.

De twee steekproeven laag-Κ werden in een laboratorium Agilent met Agilent Nano Indenter G200 getest de Ononderbroken die optie van de Meting van de Stijfheid en een hoofd DCM gebruiken die II met indenter Berkovich wordt gepast. De Resultaten werden bereikt gebruikend de testmethode van Agilent NanoSuite „g-Reeksen DCM Ononderbroken Meting van de Stijfheid voor Dunne Films“. Deze testmethode voert het model hooi-Crawford uit om substraat-onafhankelijke metingen van de modulus van Jongelui te bereiken.

Men zou moeten opmerken dat deze methode geen metingen van hardheid voor substraatinvloed verbetert. Nochtans, zijn de hardheidsmetingen over het algemeen minder gevoelig voor substraatinvloed omdat de omvang van het plastic gebied veel kleiner is dan de omvang van het elastische gebied. Zelfs wanneer er een wezenlijk die verschil tussen filmhardheid en substraathardheid is, vertoont de hardheid bij 10% van de filmdikte wordt gemeten gewoonlijk te verwaarlozen substraatinvloed.

Nano zijn Indenters van Agilent de de industriekeus voor het thin-film testen precies wegens de Ononderbroken optie van de Meting van de Stijfheid geweest, die elastische contactstijfheid (s) dynamisch meet. Met de Ononderbroken optie van de Meting van de Stijfheid, keert elke inkepingstest volledige diepteprofielen van de modulus en de hardheid van Jongelui terug. Gebruikend deze optie, werden acht tests uitgevoerd op elke steekproef laag-Κ. De Lading werd gecontroleerd dusdanig dat het ladingstarief door de lading (P'/P) wordt verdeeld bij 0.05/sec die constant bleef; de lading werd geëindigd bij een penetratiediepte van 200 NM of groter. De opwindingsfrequentie was 75 Herz en de opwindingsomvang werd gecontroleerd dusdanig dat de verplaatsingsomvang bij 1 NM constant bleef.

Resultaten en Bespreking

De Resultaten worden samengevat in Lijst 1. Figuren 5 en 6 tonen de modulus van de Jongelui als functie van penetratiediepte voor elke steekproef.

Lijst 1. Samenvatting van resultaten.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
 
 
 
Resultaten, Norm
Resultaten, door Eqs. 1-3
Steekproef
N
Dikte NM
Range* NM
Ea GPa
σ (Ea) GPa
Waaier ** NM
Ef GPa
σ (Ef) GPa
laag-κ 1
8
1007
35-40
4.69
0.07
95.9-105.4
4.34
0.06
laag-κ 2
8
445
25-30
8.23
0.13
42.2-46.8
7.46
0.12

* Geselecteerd door oog

** Beantwoordt aan 9.5%-10.5% van filmdikte

Figuur 5. Laag-Κ 1 op siliciumsubstraat, tf = 1007 NM.

Figuur 6. Laag-Κ 2 op siliciumsubstraat, tf = 445 NM.

De blauwe sporen zijn de onverbeterde waarden; zij tonen wat zonder enige correctie voor substraatinvloed worden bereikt gebruikend een standaardNanoSuite testmethode zoals „g-Reeksen DCM de Ononderbroken Hardheid, de Modulus, en het Uiteinde Cal van de Meting van de Stijfheid Standaard“. Deze blauwe sporen tonen de modulus die van Jongelui als functie van verplaatsing stijgen omdat het siliciumsubstraat, dat veel stijver is, meer en meer de meting beïnvloedt. Het effect wordt meer uitgesproken voor dunnere film; de blauwe sporen stijgen het snelst voor de steekproef „laag-Κ 2“ omdat het de dunste die film in dit werk wordt getest is.

De rode die diamanten tonen de waaier wordt gebruikt om de (onverbeterde) modulussen van de Jongelui in de vijfde kolom van Lijst 1 te berekenen. Logistisch, worden deze diamanten geplaatst door de gebruiker om gegevens te selecteren die, in het oordeel van de gebruiker vrij zijn, van zowel oppervlakteanomalieën als substraatinvloed.

De groene die sporen van Cijfers 5 en 6 zijn de waarden volgens Eqs worden berekend. 1-3. De rode die diamanten tonen de waaier wordt gebruikt om de modulussen van de Jongelui in de achtste kolom van Lijst 1 te berekenen, maar de diamanten werden geplaatst automatisch door de software bij 9.5% en 10.5% van de filmdikte, respectievelijk, om de hoeveelheid gebruikersoordeel te verminderen betrokken bij het afleiden van resultaten. De verbeterde die modulussen van de Jongelui bij 10% van de filmdikte worden aangehaald (Lijst 1, kolom 8) zijn beduidend lager dan wat eerder voor deze steekproeven (Lijst 1, kolom 5) werd gemeld.

Een Andere belangrijke observatie is dat wanneer een correctie voor substraatinvloed wordt aangewend, de resultaten uit dieper in de film kunnen worden genomen, waar de oppervlakteanomalieën minder invloed hebben. Dientengevolge, zijn de standaardafwijkingen kleiner, zoals kan worden gezien door waarden in de zesde en negende kolommen van Lijst 1 te vergelijken.

Conclusies

Agilent Nano Indenter G200 met een hoofd DCM II is de de industriekeus voor deze metingen wegens zijn hoge precisie, snelheid, handigheid, en de Ononderbroken optie van de Meting van de Stijfheid, die eigenschappen als ononderbroken functie van penetratiediepte levert. In dit werk, werd de software van de Ontdekkingsreiziger van Agilent NanoSuite gebruikt om een analitisch model uit te voeren dat van substraatinvloed rekenschap geeft. De testmethodes met deze analyse zijn nu beschikbaar aan klanten met de Professionele software van Agilent NanoSuite.

Het Hebben van een model dat van substraatinvloed op de modulus rekenschap geeft van Jongelui veroorlooft zich verscheidene praktische voordelen:

  • De Gemelde modulussen zijn voor de alleen film
  • Minder gebruikersinvloed omdat de dieptewaaier voor het berekenen modulussen niet „door oog“ moet worden geselecteerd
  • Minder onzekerheid omdat de resultaten bij diepere penetratiediepten worden verkregen

Verwijzingen

[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. Hooi, een „nieuw model voor het meten van de modulus van substraat-onafhankelijke Jongelui van dunne films door van instrumenten voorzien inkeping,“ de toepassingsnota van Technologieën Agilent (2010).

[4] W.C. Oliver en G.M. Pharr, een „Betere techniek om hardheid en het elastische modulus gebruiken te bepalen laden en verplaatsing het ontdekken inkepingsexperimenten,“ J. Mater. Onderzoek., 7(6): 1564-1583 (1992).

[5] J.L. Hooi, „Inleiding aan het van instrumenten voorzien inkeping testen,“ Experimentele Technieken 33(6): 66-72 (2009).

[6] J.L. Hooi, P. Agee, en B.V. Herbert, „Ononderbroken stijfheidsmeting tijdens het van instrumenten voorzien inkeping testen,“ Experimentele Technieken 34(3): 86-94 (2010).

[7] H. Gao, C. - H. Chiu, en J. Lee, „Elastisch contact tegenover inkeping modellering van multi-layered materialen,“ Int. J. Structuren van Vaste Lichamen, 29:24712492 (1992).

[8] J.L. Hooi, de „modulus van Jongelui van diëlektrische materialen laag-Κ,“ de toepassingsnota van Technologieën Agilent (2010).

Ongeveer Technologieën Agilent

De de nanotechnologieinstrumenten van de Technologieën van Agilent laten u beeld, manipuleren, en kenmerken een grote verscheidenheid van nanoscale gedrag-elektro, chemisch, biologisch, moleculair, en atoom. Onze toenemende inzameling van de nanotechnologieinstrumenten, toebehoren, software, diensten en verbruiksgoederen kan aanwijzingen openbaren u de nanoscalewereld moet begrijpen.

De Technologieën van Agilent biedt een brede waaier van high-precision atoomkrachtmicroscopen (AFM) aan om aan uw unieke onderzoekbehoeften te voldoen. Configureerbare instrumenten van Agilent staan toe de hoogst u om de mogelijkheden van het systeem als uw behoeften uit te breiden voorkomt. De temperatuur van Agilent industrie-leidt milieusystemen en vloeibare behandeling laat superieure vloeibare en zachte materialenweergave toe. De Toepassingen omvatten materiële wetenschap, elektrochemie, polymeer en leven-wetenschap toepassingen.

Bron: De Technologieën van Agilent

Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve Technologieën Agilent

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

Last Update: 14. June 2013 06:50

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit