英格丽德沃尔夫

IMEC Kapeldreef 75年,比利时鲁汶b - 3001

介绍

压力在微电子学

摩尔定律*规定微电子研究人员让集成电路(IC)设备小,把它们尽可能接近芯片上。这导致一个更好的性能和更大的芯片的功能。然而,这些设备也需要一个良好的电气隔离。这是一般由浓重的当地的形成氧化物之间的“地区”的设备。1970年,研究人员从飞利浦¹发明了所谓LOCOS(本地氧化硅)技术来实现隔离。使用一个如果₃N₄面具,硅热氧化nitride-free领域的地区。图1(左)显示了一个典型的LOCOS结构。尽管LOCOS似乎是一个完美的解决方案,它有很多的问题,其中很多相关的机械应力。SiO热氧化硅₂一起发生体积膨胀了125%。结果,氧化生长在田间区域,称为“氧化,产生大部队周围的硅。这种技术的另一个主要缺点是所谓的“鸟嘴”,造成的横向发展下的氧化氮化的面具。这只鸟的喙不仅影响设备的长度,它也带来了大量的当地硅机械应力,由于体积膨胀,同时也毁掉了氮化硅薄膜。这些压力常常导致混乱的生成的硅,这是非常有害的设备(见图1)。

*摩尔定律:这是归因于一个观察的1960年代中期由戈登·摩尔英特尔创始人之一上的晶体管数量每平方英寸ICs技术被发明以来翻了一番。他预计这一趋势将继续在可预见的未来。

图1所示。TEM照片显示LOCOS结构。左:氧化领域(FO)和鸟的喙(BB)表示。右:在硅衬底应力引起的混乱。

测量这些地方强调使用已知的技术,如晶片弯曲或x射线衍射(XRD)是不可能的。太小了(µm大小)的设备。因此,在1980年代和1990年代初,很多努力花在氧化过程的模拟,LOCOS形成和诱导应力。然而,这个模拟过程并不简单。不同的材料必须被视为非线性visco-elasto-plastic,其材料参数可以改变温度和压力,和氧化速率依赖于硅晶体取向(改变)。虽然这似乎是一个不可能完成的任务,许多研究人员成功地模拟了LOCOS过程很好。但这并没有真正解决问题的压力。这些压力有多大,什么是工艺参数和材料的影响,几何的影响是什么?回答这些问题就是为什么拉曼光谱在微电子工业发现更大的利用。半岛综合体育官方APP下载德甲

拉曼光谱和微半岛综合体育官方APP下载德甲电子

拉曼光谱是当半岛综合体育官方APP下载德甲然已经在1970年代用于半导体的研究。它允许识别材料的声子频率和产量信息、能量的电子状态和电子声子相互作用,载体浓度、杂质含量、组成、晶体结构、晶体取向、温度和机械应变。²

几项研究对应变的影响半导体的拉曼信号开始在德国教授卡多纳·集团大固体研究所,斯图加特,进一步由大肠Anastassakis教授详细调查。³应变的晶体影响声子的频率,以及这样的拉曼峰的位置。1980年,这个属性是利用微电子行业,但只有在统一的电影:拉曼光谱应用于测量压力硅在蓝宝石基板上的电影。半岛综合体育官方APP下载德甲⁴1983年,在日本三菱电子公司的研究人员们用台光谱学研究硅的重结晶和晶体取向与高空间分辨率。半岛综合体育官方APP下载德甲^5、6这项工作引发了日本东芝公司(Toshiba corp .)的研究人员使用拉曼光谱测量的局部应力。半岛综合体育官方APP下载德甲⁷他们应用技术研究内外压力槽蚀刻在Si。他们测量了硅的拉曼光谱在凹槽之间不同的间距,和相关的频率差异差异在当地的压力。

1987年,三菱集团^8、9显示台光谱学可以用来测量机械应力附近的Si LO半岛综合体育官方APP下载德甲COS结构空间分辨率约1µm。他们不仅在单点测量,但执行扫描在等距点(1µm)沿着一条直线,如图2所示。

图2。左:示意图显示测量位置,右:拉曼频移的LOCOS不同的宽度。⁸

一旦证明拉曼光谱可以用来衡量当地强调在Si设备,应用微电子技半岛综合体育官方APP下载德甲术迅速普及的研究中心和产业。

在IMEC(校际微电子中心),比利时,我们开始使用这种技术研究1989年LOCOS压力。随后不久测量替代隔离方案,诸如洛波(Polysilicon-buffered LOCOS)和PELOCOS(多晶硅封装LOCOS),^{10 - 13}浅和深沟隔离,¹⁴硅化物¹⁵甚至是MEMS(微机电系统),¹⁶焊料和封装芯片。¹⁷这项技术也进化出了这些年。1989年测量相当繁琐:一个移动x - y阶段用手或操纵杆,集中样本上的探测激光束,开始测量,保存数据,再移动x - y阶段等,这需要很多的耐心和时间。现在,你把样品在正确的位置,定义测量面积和计算机为你做这一切:自动对焦,移动舞台,保存数据,拟合光谱等。

下面我们展示一些典型在微电子结构局部应力测量的结果,使用台执行光谱学。半岛综合体育官方APP下载德甲他们展示了独特的可能性和这个应用程序的技术的力量。

硅的拉曼光谱

图3显示了一个典型的晶体硅的拉曼光谱。锋利,Gaussian-like行还可以看到频谱如图3所示的瑞利散射从氩激光等离子体线。他们可以用于校准。

图3。典型的晶体硅的拉曼光谱,测量使用457.8 nm行氩激光器。它显示了如果从激光拉曼峰和等离子体线。

硅的拉曼散射频率ω= 521 Rcm¹然而,机械应变导致的改变这个值。通过监测这个频率在样本上的不同位置,“应变图”可以用千分尺的空间分辨率。拉曼仪器专用的压力测量可以测量频率变化小0.02厘米¹。对于硅,这对应的应力敏感性约10 MPa。

应变或应力和拉曼频率之间的关系是相当复杂的。^3、11所有非零应变张量分量影响拉曼峰的位置。然而,在某些情况下,变成了简单的线性关系。例如,对于单轴或双轴(σ(σ)_xx+σ_yy)(100)硅平面应力,这个关系是:

σ(MPa) = -435Δω(cm - 1)

或

σ_xx+σ_yy(MPa) = -435Δω(cm - 1)
(1)

一般来说,压应力将导致拉曼频率的增加,而在减少拉应力结果。然而,如果预计更复杂的应变图片,如例如边上的一个电影,或者靠近海沟或LOCOS结构,Δω和应变张量分量之间的关系更加复杂。为了获得应变定量信息在这种情况下,一些先验知识的应变分布样本是必需的。换句话说,我们必须假定一个应变模型。从这个模型,可以计算预期的拉曼位移并与拉曼数据和反馈可以给模型。当然,一些实验参数,如样品中激光的穿透深度和聚焦激光束的直径对样本必须被考虑。

压力测量

氮化硅线

第一个例子显示了非常简单的结构应力测量的结果:如果长₃N₄条纹宽度不同硅衬底。这些氮化线受到拉应力由于沉积过程。结果,他们压缩Si原子在衬底产生压应力,和他们拉旁边的Si原子线,引起拉应力。这种影响显然是在图4的拉曼光谱数据。半岛综合体育官方APP下载德甲

这图显示了测量转变时如果拉曼峰的频率扫描整个宽度的条纹沿着一条线。¹²条纹的位置由线表示的数据。首先集中远离激光线,压力可以认为是零。下一个示例是移动,使用纵横移动载物台,在步骤0.1µm Si-Raman光谱和在每一个位置,如图3所示,是记录。洛伦兹函数是安装在每一个拉曼峰为了确定频率。这个频率的变化无应力值,Δω,策划是一个函数的位置对应的频谱测量的样品。图4表明Δω变成了-当接近,表明拉伸应力(方程1)。当越过边境,Δω变化迹象很快达到最大正值线,在边缘附近,表明压应力。Δω仍积极行下,一些放松的中心。为了获得一个想法关于压力的大小,可以假设一个单轴压力,σ,线的宽度。这种假设是不太坏线的中心附近,但并不持有的边缘。转变Δω= 0.2厘米¹,以氮化硅在宽的中心,将对应的压应力约为-90 MPa。这显然压力增加而减少Si的宽度₃N₄行。就约2.5 -300 MPaµm宽线。可以获得更详细的信息在不同的压力组件通过拟合应力模型到拉曼数据。¹²这样做是为这些氮化线使用所谓的分析“边缘力模型”。¹⁸完整的线在图4中显示的结果符合这种模式的µRS(台光谱)的数据,考虑到实验探测光斑直径和穿透深度等参数。半岛综合体育官方APP下载德甲这个过程的拟合理论应力模型可用于任何拉曼数据模型描述任何设备可以测量拉曼数据。这样,µRS可用于实验验证应力模型。

图4。Δω(符号)测量硅衬底氮化硅线不同的宽度。顶部的矩形指示线的位置。有关详细信息,请参阅文本。

硅化物

如果压力诱导的金属线也可以学习。图5显示的结果在SiµRS扫描样本数组的面向[110]16 nm厚TiSi₂线和减少沥青。^19、20TiSi的位置₂线条纹图5所示。TiSi₂行做给一个拉曼信号,但这个信号非常弱,难以使用的监测压力线。然而,它可以使用TiSi的研究阶段₂。²¹在这项研究中,我们测量了应力诱导的硅化物行旁边的硅衬底,以及行间距的影响在这个压力。激光光不能穿透硅化物,所以没有信号是来自下面。

图5。改变硅的拉曼峰,Δω,从无应力频率的函数16 nm厚TiSi位置₂线,间距宽度= = 5、3、2、1µm(100)硅衬底。

Δω变得消极附近的边缘线(蓝圈),表明硅的拉应力的存在(方程1)。在字里行间(红圈),Δω仍为负值。对小间距,Δω增加负值,表明字里行间的拉应力增加而减小间距。从这个实验可以看出,对于一个特定的行间距,拉伸应力可能会变得如此之大,它将引发混乱的形成。TEM分析110纳米厚TiSi₂行显示混乱确实开始发生在硅当间距等于或小于1µm。

隔离

在介绍中提到的,一个重要的处理步骤是活跃的地区的隔离如果芯片。这种隔离,通过LOCOS的增长,或通过蚀刻和oxide-filling浅或深沟,被诱导大压力在硅衬底。图6显示了两个拉曼实验的结果在一个二维扫描在3µm宽广场(左)和线(右)活跃Si与世隔绝PBLOCOS (Poly-buffered LOCOS)。拉伸应力(Δω< 0)附近的边缘和抗压(Δω> 0)的中心。注意,拉伸区域附近的广场附近比边缘。另一方面,边缘的压应力比较大的广场和附近的线比,也有一个清晰的向中心放松。这些实验演示台光谱学的stress-mapping功能。半岛综合体育官方APP下载德甲

图6。改变硅的拉曼峰,Δω,从无应力频率的函数位置3µm宽活动广场Si地区(左)和线(右)由PBLOCOS孤立。²²

包装

当压力随深度的变化的信息获得,有三种可能的方式继续。首先是通过改变探测深度利用不同波长的激动人心的激光。这种方法的缺点是,拉曼信号来自整个探测区域。这可以利用confocality最小化的系统。这是在透明的样品,如氮化镓或钻石,但不是很有用在硅等不透明的样品。第三种方法是坚持样本,和波兰如果需要,并测量截面。最后一个方法的一个例子是如图7所示。

图7。压力如果芯片连着一个铜衬底。¹⁷

薯片的包装过程,包括钢丝焊接,焊接碰撞,芯片衬底附着力,水珠顶部覆盖等还引入了压力在芯片内。这些压力一般通过有限元(FE)模拟研究了,但他们在许多情况下也可以使用拉曼光谱研究。半岛综合体育官方APP下载德甲图7显示了压力图的例子,通过测量拉曼光谱在硅晶片的横截面连着一个铜衬底。半岛综合体育官方APP下载德甲¹⁷由于硅和铜之间热膨胀系数的差异,这在硅键引起的压力。可以明显区分强调引入铜衬底和撞击焊在上面的芯片。这种研究允许应力的比较由不同的芯片/衬底粘合过程,引入的影响封装的芯片,甚至钢丝焊接过程的变化的影响。

微机电系统:压力传感器膜

最后一个例子,我们讨论一个µRS实验的硅薄膜压力传感器。¹⁶这个传感器是由蚀刻处理蛀牙在硅片和粘结玻璃衬底的晶片阳极(图8 (a))。膜下的键介绍了负压,导致内心的挠度大约5µm。µRS-system配备一个自动对焦模块是用来扫描的表面膜。图8 (b)显示膜的机械应力,计算出拉曼频率的变化(Δω)从它的无应力值,假设双轴应力。我们显然在膜的中心找到压应力和拉应力附近。角落里有非常低的压力。类似的实验进行了膜的背面。事实上,µRS-technique允许探索通过玻璃衬底的硅。这使得研究成为可能,例如,玻璃/硅界面。

图8。(一)示意图显示玻璃衬底上的膜。(b)机械应力在一个4毫米×4毫米膜使用拉曼光谱测量。半岛综合体育官方APP下载德甲的应力计算假设双轴应力膜。¹⁶

结论

机械应力一直是一个重要的关心IC-processing和可靠性工程师。这种应力发生在几乎所有的芯片的发展阶段和生活:在沉积的电影,温度的步骤,氧化物增长,silicidation,海沟,晶片变薄,切割,芯片粘接,芯片封装和不断变化的环境温度。

机械应力可以直接或间接影响芯片的功能和可靠性,并导致不同的失效模式,如电子或空穴迁移率的变化,混乱LOCOS附近(图1)或槽隔离结构导致泄漏电流增加,位错密度附近硅化,MEMS的裂缝,裂缝芯片,打破焊料,在金属蠕变、应力迁移等。

克里1991年胡正确预测:¹⁸“许多硅集成电路中有缺陷的设备的问题可以追溯到最终强调,发展在不同阶段的集成电路处理。这些问题将变得更加急性随着集成电路设备变得更加复杂几何和材料混合。“集成电路包也是如此。

是很重要的控制处理步骤引起的机械应力在集成电路和微机电系统制造和芯片封装。压力可以使用台光谱学在很多情况下被监控。半岛综合体育官方APP下载德甲这种技术是相当独特的感觉,这是唯一的简单,光谱,非破坏性技术,可以提供这些信息。只有从Si设备的例子所示,但拉曼光谱并不局限于Si。半岛综合体育官方APP下载德甲例如,该技术也可以应用于半导体材料,如通用电气、砷化镓、氮化镓等。

确认

本文中使用的例子来自与不同的人合作:感谢Veerle西蒙斯,Merlijn van Spengen,陈健Ann Steegen凯伦Maex,丽塔Rooyackers戴夫•霍华德和Goncal巴登。

引用

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