Mechanische Spektroskopie an dünnen Kupferschichten

Abstract

In dieser Arbeit wurden erstmalig dünne Kupferschichten, die für die Mikroelektronik von zunehmendem technologischen Interesse sind, systematisch mit Hilfe der mechanischen Spektroskopie untersucht. Dabei handelt es sich um eine empfindliche und zerstörungsfreie Messmethode, mit der man Informationen über Defektstrukturen in der Schicht und in der Substrat/Schicht-Grenzfläche erhalten kann. Darüber hinaus wurden die spektroskopischen Ergebnisse ebenfalls erstmalig vor dem Hintergrund der thermomechanischen Eigenschaften dünner Schichten diskutiert. Die Voraussetzung hierfür wurde durch eine apparative Neuentwicklung geschaffen. Bei den untersuchten Systemen handelte es sich um Kupferschichten auf den Trägermaterialien Silizium und Saphir. Die Messungen beruhen auf der Dämpfung von Eigenschwingungen zwischen 20 bis 530°C. Daneben wird die Eigenfrequenz gemessen, aus der man prinzipiell Rückschlüsse auf den E-Modul von Schicht und Substrat, bzw. auf die Haftung ziehen kann. Es wurden vor allem passivierte und unpassivierte Kupferschichten zwischen 1 und 4 µm auf Siliziumsubstraten untersucht. Kupferschichten auf Silizium-Substraten zeigen ein breites, bei Temperaturzyklen stabiles, Dämpfungsmaximum zwischen 280 und 380°C. Mit zunehmender Schichtdicke wächst dessen Intensität, während sich seine Position zu höheren Temperaturen verschiebt. Auf Grund seiner Aktivierungsenthalpie kann dieses Maximum auf Versetzungsbewegungen zurückgeführt werden. Man nimmt an, dass die Versetzungen thermisch aktivierte, lokale Bewegungen um ihre Gleichgewichtslage ausführen, während sie an ihren Enden fest verankert sind. Als Verankerungspunkte sind vor allem die Grenz-, bzw. die Oberfläche, sowie weitere Versetzungen anzusehen. Die Relaxationsparameter der Dämpfungsmaxima zeigen, dass Einengungseffekte die Mobilität der beweglichen Versetzungssegmente maßgeblich bestimmen, wie es im Zusammenhang mit den hohen inneren Spannungen in dünnen Schichten diskutiert wird.

In this work, thin copper films, which are of increasing interest for microelectronic applications, were first investigated systematically by mechanical spectroscopy. This is a sensitive and nondestructive method, which makes it possible to study defect configurations in the films and in the substrate/film-interfaces. Also for the first time, the spectroscopic results were discussed with respect to the thermomechanical properties of thin films. Furthermore, the development of a new experimental setup was required. The measured systems were copper films, deposited on silicon and sapphire substrates. The measurements are based on the damping of eigenvibrations between 20 and 530 °C. Additionally, the eigenfrequencies were measured, which give information about the elastic modulus of film and substrate or the adhesion, respectively. Primarily, copper films on silicon substrates, with thickness ranging from 1 to 4 µm, were investigated. The copper films indicate a broad and stable internal friction peak between 280 and 380°C. With increasing film thickness, the height of the peak raises and its position shifts to higher temperatures. Due to its activation enthalpy, the peak can be attributed to the movement of dislocations. Its relaxation parameters suggest, that the dislocations are anchored between the film surface and the substrate/film-interface. From this follows, that geometrical constraints control the local dislocation mobility. This result is in agreement with dislocation models, which explain the different stresses in thin films with constraints to the long-range dislocation motion: the shorter the dislocation segments, the more restricted is the long-range mobility during dislocation glide. Therefore, it can be concluded, that both the local dislocation mobility (measured by mechanical spectroscopy) and the long-range mobility (measured e.g. by wafer curvature) are primarily controlled by geometrical constraints of the dislocations.