Test de Brouillon des Films Diélectriques Faibles-k et Corrélation des Résultats

Par des Technologies d'Agilent

Sujets Couverts

Introduction
Échantillons
Testez la Méthodologie
Résultats et Discussion
Corrélation des Résultats
Conclusions
Références
Au Sujet des Technologies d'Agilent

Introduction

Traitant cela est exigé pour abaisser la constante diélectrique dans un film faible-k a l'effet inverse de dégrader les propriétés mécaniques du film. Des films Faibles-k sont soumis à beaucoup de procédés qui testent la force de ces films et leur adhérence au substrat, tel que le polissage chimique et mécanique (CMP) et la métallisation de fil. Il est important que ces matériaux de résister à la déformation en plastique pendant ces procédés et restent intact sans boursoufler du substrat. Dans Le Meilleur Des Cas, un matériau diélectrique aura un module de dureté et élastique élevé parce que, traditionnellement, ces deux paramètres aident à définir comment le matériau réagira quand soumis aux processus de fabrication.

Ici, des essais de brouillon sont réalisés sur plusieurs échantillons faibles-k utilisant un test de brouillon de rampe-charge. Les résultats à partir de zéro le test et le nanoindentation sont examinés par l'analyse de corrélation pour comprendre mieux l'interconnexité des résultats de brouillon.

Échantillons

Dix échantillons faibles-k ont été donnés pour le test de brouillon par SBA Materials, Inc. que Les films ont été déposés sur des substrats de silicium par la couche de rotation ; les épaisseurs ont varié entre les échantillons, s'échelonnant de 375 à 743 nanomètre. Les échantillons ont été fournis avec les mesures de module élastique et de dureté des films. Des données de propriétés Mécaniques ont été rassemblées utilisant un Pénétrateur Nano G200 d'Agilent avec une méthode spéciale de test pour mesurer les propriétés substrat-indépendantes des films diélectriques faibles-k. Cette méthode de test est décrite ailleurs [1]. Un résumé des épaisseurs et des propriétés mécaniques témoin est donné dans le Tableau 1.

Épaisseurs de Film du Tableau 1. et propriétés mécaniques des échantillons faibles-k de film.

Échantillon Épaisseur de Film
millimètre
Module Élastique
GPa
Dureté
Gpa
Échantillonnez A 500,7 6,61 1,08
Échantillonnez B 617 8,1 1,25
Échantillonnez C 743 8,05 1,28
Échantillonnez D 470 8,25 1,25
Échantillonnez E 526 8,66 1,26
Échantillonnez F 641,6 6,9 1,11
Échantillonnez G 488,9 7,13 1,14
Échantillonnez H 375 8,66 1,26
Échantillonnez I 423 *** ***
Échantillonnez J 650 8,15 1,28

Testez la Méthodologie

Tous les essais de brouillon ont été réalisés sur un Pénétrateur Nano G200 d'Agilent. Le Pénétrateur Nano G200 est actionné par mise en fonction électromagnétique pour réaliser l'unique dynamique en vigueur et le déplacement. Le seul design de l'instrument évite les artefacts transversaux de déplacement pendant le procédé de brouillon. Utilisant le G200, les chercheurs peuvent mesurer le module De Young et la dureté conformément à OIN 14577, ainsi que rayent et s'usent des propriétés. La Déformation peut être mesurée plus de six ordres de grandeur (des nanomètres aux mm).

Un test de brouillon de rampe-charge a été employé pour effectuer trois tests sur chaque disque dans trois emplacements - ceci s'est monté à neuf tests pour chaque échantillon. Dans un test de brouillon de rampe-charge, une extrémité est mise en contact avec l'échantillon ; alors l'extrémité est chargée à un taux de chargement constant tout en simultanément traduisant l'échantillon. Avant ou après le test de brouillon, une échographie d'une seule ligne de la topographie extérieure est remplie pour comparer la surface initiale à la déformation provoquée par le test de brouillon.

Par Conséquent, chaque test de brouillon se compose de trois phases : un pré-balayage d'une seule ligne de la zone à rayer, du test de brouillon de rampe-charge, et d'une échographie finale pour évaluer la déformation résiduelle. Avant et après chaque phase, un pré-balayage et une poteau-échographie, habituellement égal à 20% de la longueur de brouillon, est exécuté de sorte que le logiciel puisse automatiquement aligner les données dans les trois phases. Les échographies d'une seule ligne initiales et résiduelles permettent le bilan des mécanismes de déformation et la quantification de la déformation. Le procédé de brouillon diagrammed sur le Schéma 1.

Le Schéma 1. Tableau du test de brouillon en trois étapes de rampe-charge. Les lignes Rouges affichent les zones de pre- et du poteau - échographies de profil employées pour exécuter la mise à niveau des trois phases.

En réalisant l'essai de brouillon sur n'importe quel positionnement témoin, il est critique que tous les paramètres de test et géométries d'extrémité demeurent cohérents pour tous les échantillons étant comparés. Ceci s'assure que des comparaisons qualitatives peuvent être effectuées utilisant les données résultantes. Les paramètres de test ont utilisé pour tester les matériaux faibles-k sont indiqués dans le Tableau 2.

Paramètres du Tableau 2. utilisés pour le test de brouillon de rampe-charge.

Longueur de Brouillon 300µm
Vitesse de Brouillon 30µm
Charge Maximum de Brouillon 3mN
Sens de Brouillon Face-Avant

L'extrémité choisie pour effectuer les tests de brouillon était une extrémité de cube-coin avec un radius d'extrémité qui était, nominalement, moins de 20 nanomètre. Une extrémité de cube-coin produit un contact projeté triangulaire avec l'échantillon ; cette géométrie d'extrémité produit des hauts niveaux de stress dans le matériau pendant le brouillon. Les Brouillons peuvent être face-avant ou arête-avant exécuté quand l'utilisation d'une pyramide a formé le pénétrateur.

L'Éraflure face-avant avec l'extrémité de cube-coin agit comme un chasse-neige et pousse l'à l'écart matériel, alors qu'arête - les coupures avant le matériau aiment un couteau. Un tableau d'une extrémité de cube-coin est affiché sur le Schéma 2. Les échantillons faibles-k ont été testés utilisant l'extrémité de cube-coin positionnée de sorte qu'elle ait rayé face-avant.

Le Schéma 2. Tableau d'une extrémité de cube-coin.

Résultats et Discussion

Tous les films faibles-k échoués d'une façon similaire ; les films ont montré la déformation en plastique jusqu'à une remarque critique où la formation de soufflures du film s'est produite. La formation de soufflures Suivante, défaillance complète du film s'est produite et le substrat a été rayé pour le reste du test. Pour gagner une compréhension complète du mode de la défaillance montré pendant les tests de brouillon sur les échantillons faibles-k, un test de brouillon typique s'est analysé utilisant la microscopie de sonde de lecture (SPM), qui était disponible sur le Pénétrateur Nano G200 par l'intermédiaire de l'option d'Agilent NanoVision.

Figure le Déplacement 3.The dans la Surface contre des données de Distance de Brouillon pour le brouillon qui a été employé pour que la représentation examine plus plus loin la défaillance ; la trace bleue est la Topographie de Surface Initiale, la trace verte est la Courbure de Brouillon, et la trace orange est la Déformation Résiduelle. Les emplacements de la formation de soufflures et de la défaillance totale de film sont étiquetés.

Le Schéma 3. Le Déplacement dans la Surface contre des données de Distance de Brouillon pour le brouillon qui a été employé pour que la représentation examine plus plus loin la défaillance ; la trace bleue est la Topographie de Surface Initiale, la trace verte est la Courbure de Brouillon, et la trace orange est la Déformation Résiduelle. Les emplacements de la formation de soufflures et de la défaillance totale de film sont étiquetés.

L'option de NanoVision permet la représentation par l'utilisation d'un stade piézo-électrique à haute précision de traduction ; la définition et l'égalité transversales de la course sont meilleures que 2 nanomètre. Ce module de microscopie permet la représentation quantitative et la désignation d'objectifs à haute précision pour l'enquête sur les propriétés matérielles. Le Schéma 3 affiche les premières et vues de côté du test de brouillon, attendu que le Schéma 4 affiche l'échographie du test de brouillon au début de la formation de soufflures.

Le Schéma 5. formation de soufflures Particulière et défaillance dans les films faibles-k. La Représentation du brouillon a été exécutée utilisant l'option d'Agilent NanoVision sur le Pénétrateur Nano G200 d'Agilent. Remarquez que le film a boursouflé vers le haut approximativement de 400 nanomètre de la surface.

Le Schéma 6. tests de brouillon Particuliers sur les films faibles-k affichant le début de la formation de soufflures. Remarquez que la profondeur résiduelle de brouillon augmente jusqu'à ce que la formation de soufflures se produise. Après le début de la formation de soufflures, la déformation résiduelle dans le film a été soulevée vers le haut.

Un résumé des résultats de brouillon pour chacun des dix échantillons est fourni dans le Tableau 3. Le sixième fléau de cette table fournit la quantité de déformation élastique qui s'est produite pendant le brouillon jusqu'au point de défaillance de film. La déformation Élastique et en plastique pendant le test de brouillon sont déterminées en mesurant les zones entre la Courbure de Brouillon et la Topographie de Surface Initiale et entre l'Échographie Résiduelle de Déformation et la Topographie de Surface Initiale.

Résumé du Tableau 3. des résultats de brouillon.

ÉchantillonValeur de Charge Critique
manganèse
Profondeur à la Charge Critique
nanomètre
Déformation Totale
µm2
Pénétration à la Charge Critique
%
Déformation Élastique jusqu'à la Charge Critique
%
Échantillonnez A 0.97±0.029 197±17 10.6±1.0 59.5±5.1 74.5±0.7
Échantillonnez B 1.306±0.083 261±23 18.9±2.0 73.9±6.5 75.4±3.3
Échantillonnez C 1.22±0.022 257±9 17.4±0.8 73.6±2.6 77.4±2.2
Échantillonnez D 1.045±0.055 204±16 11.4±1.1 51.2±4.0 66.3±3.6
Échantillonnez E 1.157±0.052 233±12 15.1±1.3 75.9±3.9 72.8±2.1
Échantillonnez F 1.067±0.019 225±6 13.1±0.6 55.8±1.5 78.5±1.2
Échantillonnez G 1.025±0.063 212±21 11.6±1.4 54.0±5.3 74.7±1.9
Échantillonnez H 0.811±0.063 162±8 7.3±0.4 44.2±2.2 72.1±4
Échantillonnez I 0.927±0.048 168±5 7.4±0.6 45.4±1.472.4±1.5
Échantillonnez J 1.345±0.041 278±12 20.5±1.2 76.1±3.3 74.3±3.2

Ce paramètre neuf, % de Déformation Élastique jusqu'à la Charge Critique, fournit une mesure de la résistance du film à la déformation permanente et offre plus de bilan complet de la performance du film en mesurant non seulement la charge à laquelle la défaillance de film se produit, mais également le type de déformation se produisant jusqu'à la défaillance de film. Les domaines de la déformation élastique et en plastique sont ombragés sur les courbures de brouillon du Schéma 5.

Le Schéma déformation Élastique et en plastique de 7. d'un essai de brouillon réalisé sur l'Échantillon J ; la déformation élastique est ombragée dans bleu et la déformation en plastique est ombragée en jaune. L'épaisseur de film pour l'Échantillon J est 650 nanomètre.

Les Schémas 6 et 7 affichent graphiquement les résultats de la Charge Critique et la Déformation Totale, ainsi que la Pénétration de %/Déformation Élastique et le Module Élastique, parce que les quatre échantillons exécutants de haut basés sur les résultats de la Charge Critique - B, C, E, et J. Il y a des différences subtiles entre les premiers interprètes. Les Échantillons B et J, qui ont eu les plus élevées charges critiques de tous les échantillons, n'affichent la différence statistique pas significative dans le résultat pour la Charge Critique ; cependant, les résultats de l'Échantillon J ont possédé un écart-type beaucoup plus petit, suggérant une meilleures répétabilité et prévisibilité.

Le Schéma 8. Charge Critique et Déformation Totale pour les quatre échantillons exécutants de haut (basés sur la Charge Critique). Dans Le Meilleur Des Cas, les résultats pour la Charge Critique seront élevés et Toute La Déformation ci-dessous.

Le Schéma Pénétration de 9. Pour Cent/Déformation Élastique et Module Élastique pour les quatre échantillons exécutants de haut (basés sur la Charge Critique).

Corrélation des Résultats

Il est facile de regarder une modification informe des résultats de test, de se concentrer sur de grandes différences numériques dans les fléaux uniques, et de donner sur des résultats indépendants significatifs. En examinant la corrélation des résultats, les configurations peuvent être décelées, ainsi s'assurer que les résultats d'échantillon sont basés analysé sur des résultats indépendants au lieu de sur des groupes de résultats qui ont des fortes corrélations à un paramètre unique.

Un bon exemple d'une corrélation linéaire intense est sur le Schéma 6 où il y a évidemment une forte corrélation entre la Charge Critique et Toute La Déformation ; si un chercheur décidait de négliger l'autres information et seulement foyer sur ces deux paramètres comme base d'analyser la performance de ces films, chacun des deux résultats indiqueraient la même conclusion.

Beaucoup de fois, une corrélation n'est pas aussi évidente que celle expliquée sur le Schéma 6, qui est facilement identifié parce qu'il s'avère justement y a une corrélation 97% linéaire entre ces deux résultats. Il est quand la corrélation chute en-dessous de 60% qu'elle est dur pour déceler. Pour analyser la corrélation des résultats dans ces tests de brouillon, l'analyse de corrélation normale a été conduite et est décrite ailleurs [2]. Afin de calibrer les niveaux de la corrélation entre les résultats, quatre niveaux ont été définis : corrélation très faible (40 50%), faible corrélation (50 60%), corrélation modérée (60 75%), et forte corrélation (>75%). Le Tableau 4 indique les niveaux de corrélation entre différents résultats donnés pour les échantillons faibles-k.

Table de Corrélation du Tableau 4. des résultats.

Épaisseur de FilmModule ÉlastiqueDuretéCharge CritiqueDéformation Totale% de Pénétration
Épaisseur de Film1%1%67%72%59%
Charge Critique67%3%18%97%82%
Déformation Totale72%3%15%97%86%
% de Pénétration59 %5%17%82%86%
% de Déformation Élastique43%21%10%11%15%15%

Elle ressort de l'analyse de corrélation que tous les résultats - sauvegardez le module de dureté et élastique, qui ont été mesurés suivre une méthode de test particulièrement développée pour mesurer les propriétés substrat-indépendantes - sont à la charge au moins faible d'épaisseur de film. La variation de la Charge Critique, par exemple, peut être représentée par une relation linéaire avec l'Épaisseur de Film approximativement 67% du temps. Ces résultats, cependant, ne devraient pas simplement être basés négligé sur cette corrélation modérée. Échantillonnez E, qui était l'un des échantillons les plus minces mais a également eu une les plus élevées de charges critiques, fournit une exception évidente.

Certaines des corrélations affichées dans la table sont sans surprise, telle que la Pénétration de % et la Déformation Totale entrant avec une corrélation de 86% ; une pénétration plus élevée à la défaillance de film fournirait logiquement une Déformation Totale plus élevée. En fait, si Toute La Déformation est marquée avec la Profondeur de Pénétration à la Charge Critique, par opposition à la Pénétration de % (qui est normalisée par l'épaisseur de film), les sauts de facteur de corrélation à plus de 98%.

Parmi les résultats plus étonnants est presque l'absence totale de corrélations aux résultats du module de dureté et élastique, et des % de Déformation Élastique. On spécule Le qu'une corrélation à la dureté est absente parce que la surface adjacente entre le film et le substrat a échoué avant la défaillance du film elle-même.

Conclusions

le test de brouillon de Rampe-Charge, une méthode normale de test sur la plate-forme Nanoe de Pénétrateur d'Agilent, a été employé pour évaluer la réaction de brouillon des films faibles-k sur des substrats de silicium. Tous les échantillons faibles-k qui étaient formation de soufflures expérimentée testée du film bien avant que la défaillance complète de film se soit produite ; la représentation a été remplie utilisant l'option d'Agilent NanoVision pour confirmer le mode de la défaillance.

En plus d'indiquer des différences statistiques significatives entre les résultats des tests de brouillon, le brouillon donne droit eux-mêmes se sont analysés utilisant l'analyse de corrélation. Tous les résultats de brouillon se sont avérés pour avoir au moins une corrélation très faible à l'épaisseur de film. Cette faible dépendance à l'égard l'épaisseur de film semble raisonnable compte tenu du fait que dans les tests de brouillon habituels le film n'échoue pas jusqu'à ce que la sonde ait sensiblement pénétré le film. Par Conséquent, les stress du test de brouillon propagent bien dans le substrat.

Il y avait également quelques résultats étonnants de l'absence totale de corrélation. Ni le module de dureté ni élastique n'a marqué avec des paramètres l'uns des de brouillon. Les % de Déformation Élastique jusqu'à la Charge Critique n'ont marqué avec aucun résultat autre que l'Épaisseur de Film - et c'était seulement une corrélation très faible.

L'Échantillon J a été déterminé pour être l'échantillon le plus performant dû à son excellente capacité de résister à la déformation, de supporter un pourcentage élevé de pénétration, et de supporter la charge la plus élevée avant défaillance. Quoique les résultats pour l'Échantillon J aient été très assimilés à ceux pour l'Échantillon B, l'Échantillon J a été sélecté parce que ses résultats de test ont eu un écart-type inférieur, de ce fait prouvant une meilleures répétabilité et prévisibilité.

Les Technologies d'Agilent voudraient remercier des Matériaux de SBA de fournir les échantillons et certains des résultats pour ceci étude.

Références

[1] J. Foin, « module substrat-indépendant de Mesure des films diélectriques par l'indentation équipée, » J. Mater. Recherche., Vol. 24, Pp. 667-677, Mars 2009.

[2] J.E. Freund, Statistiques Mathématiques, 5ème Édition, New York : Apprenti Hall, 1992.

Au Sujet des Technologies d'Agilent

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Source : Technologies d'Agilent

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Date Added: Jun 8, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 06:53

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