介电材料在微电子器件的亚博网站下载功能中至关重要，因为这些材料在微电路中可以将导电元件相互隔离。
导体之间的电容有可能限制电路的最大工作频率，电容的增加与导体之间的分离距离成反比。为了使微电子器件的尺寸最小化，同时使其工作频率最大化，器件的部件应该用具有尽可能低介电常数的材料隔开。
一种被称为超低k (U亚博网站下载LK)电介质的材料通常用于这项任务。所有重要的半导体节点的变化都需要有效集成新一代低k高孔隙率的材料。亚博网站下载然而，低k材料的电学性能和力学性能之间存在相当大的权衡。亚博网站下载
通过引入纳米级孔隙来降低k值，通常会导致沉积膜的强度、附着力和硬度降低。监测的机械性能ULK电影因此，整个半导体生产过程是必不可少的，如果设备是生存，同时产生一个可靠的，一致的成品。
本文探讨了如何监测ULK薄膜的机械可靠性在快速识别工艺变化的同时保持高器件产量变得越来越重要。它还概述了纳米压痕和纳米划痕测试可以提供一种理想的方法来测量这些临界膜的模量(刚度)、硬度(强度)和临界划痕力(附着力)。
Nanoindentation测试
ULK薄膜的纳米压痕测试是通过按指定的力将一个金刚石金字塔探针压入薄膜，保持这个力数秒，然后最终撤回探针来实现的。在测试过程中，力和位移都是连续测量的，这为研究人员提供了一个基础，从而可以计算材料的模量和硬度。1
图1显示了在200 nm厚ULK薄膜上测试时获得的力-位移曲线。由于采用了锐角的几何形状，使得它能够穿透ULK膜表面较薄、相对致密的表皮层，有效地探测膜的内部特性。
图1所示。典型的力-位移曲线从缩进ULK薄膜。图片来源:布鲁克纳米表面公司
但是，如果压痕太深，则会受到硅衬底性能的影响。当压痕深度略超过穿透表层所需的深度时，薄膜性能的最精确测量趋向于获得。2
纳米压痕，因为它的规模小，使高度本地化的表征材料的机械性能。此外，当纳米压痕测试在阵列中进行时，它还可以用来生成更大表面积的机械性能图。
力量的纳米机械计量工具作为过程控制应用的一部分，系列仪器已被专门设计用于纳米力学测试。ATI 8800的转换平台(如图2所示)可以容纳直径达300毫米的硅片，提供足够的范围，以到达硅片上的任何区域。
图2。Bruker的ATI 8800，全自动纳米机械计量工具，全天候监控晶圆过程。图片来源:布鲁克纳米表面公司
ATI 8800还可以用于在晶圆片的预定区域进行一系列测试，允许用户检查晶圆片之间的工艺变化或绘制特定区域的机械性能。
在这种情况下,进行了一系列的1884 nanoindentation测试确定的同质性ULK薄膜的力学性能在整个300 mm晶圆表面(见图3)。机械性能地图生成通过这一系列测试发现~ 10之间的硬度和模量的变化和15% ULK膜的表面。
图3。在200纳米ULK薄膜上进行的1884次纳米压痕测试结果显示，由于不均匀的加工条件，性能的变异性为10 - 15%。图片来源:布鲁克纳米表面公司
Nanoscratch测试
进行了纳米划痕测试，以测量ULK薄膜与基底的附着力。每次划痕测试都是通过将探针横向移动(在晶圆平面内)10 μm来完成的，同时将法向力从1 μN提升到1500 μN。
在这些测试中所使用的探头是一个曲率半径为1 μm的90°金刚石圆规探头。在划痕测试中，随着法向力的增加，探针将深入到材料中，从而增加横向力，并在基片/薄膜界面上施加越来越大的应力。
在特定水平的外加应力下，可以看到薄膜从基材上分层。在数据中，通过侧向力的快速下降和法向位移的增加，证明了这种分层现象。
将分层时的法向力记录为临界法向力，该结果用于测量薄膜的界面分层载荷或界面破坏载荷(见图4)。
图4。纳米划痕测试的代表性数据显示了临界载荷是如何确定的。图片来源:布鲁克纳米表面公司
利用该设备的原位SPM成像能力，成功捕获了测试中各个点的划痕的地形图像，以验证原始关键事件与薄膜分层对应，以及随后的更大事件是薄膜破裂的结果。
任何用于进行此类测试的仪器都必须能够准确地检测到相对细微的分层开始，而不是更明显的薄膜剥落事件。
在晶圆上进行了一系列的1884纳米划痕测试，以有效地绘制ULK膜在表面的界面附着力。如图5所示，从晶圆的一侧到另一侧的薄膜粘附力有很大的变化。此外，在大部分晶圆片上，在距晶圆边缘约20毫米的范围内，粘附性明显降低。
图5。在200纳米ULK薄膜上进行了1884次划痕测试，结果显示，由于不均匀的加工条件，附着力变化。图片来源:布鲁克纳米表面公司
结论
如上所述，当今领先的纳米机械计量系统能够帮助半导体制造商精确平衡ULK介质的附着力、机械和电气性能。随着节点的不断发展，使用像Bruker的ATI 8800这样的仪器将确保设备的可靠性以及不间断的生产产量。
参考文献
- w。c。奥利弗和g。m。法尔，j。脱线。参考文献，1564(1992)。
- 陈志强，陈志强等，微电子工程，75,103-110(2004)。
这些信息来源于布鲁克纳米表面公司提供的材料。亚博网站下载
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