Stress and microstructural evolution of electroplated copper films

Abstract

Um die Komplexität und Multifunktionalität von Halbleiterbauelementen weiterentwickeln zu können, lag das Augenmerk auch im vergangenen Jahrzehnt auf einer fortschreitenden Miniaturisierung der zugrunde liegenden Strukturen. Die Realisierung von Bauelementen im Mikro-, Submikro- und Nanobereich erfordert eine Dickenreduzierung der eingesetzten dünnen Filme, wobei Größeneffekte bei solchen Systemen an Bedeutung gewinnen. Für die Entwicklung und Integration geeigneter und zuverlässiger dünner Schichten ist ein umfassendes Verständnis der Materialeigenschaften notwendig. Diese hängen von unterschiedlichen Faktoren wie Abscheidebedingungen, Filmdicke und Temperaturbehandlungsprozessen ab. Die Existenz von Größeneffekten aufgrund von reduzierten Schichtdicken und geometrischen Beschränkungen sowie deren Auswirkung auf das plastische Verformungsverhalten macht eine grundlegende Erforschung dieser Effekte erforderlich. Eine wesentliche Voraussetzung für die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften in dünnen Schichten ist eine geeignete Messanordnung zur Bestimmung der temperaturabhängigen mechanischen Filmspannungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb ein modernes und innovatives Messgerät zur Filmspannungsmessung entwickelt. Ein Multi-Laser-System zur Erfassung der Substratkrümmung wurde mit einer Temperaturbehandlungskammer kombiniert, in der schnelle und kontrollierte Temperaturänderungen auf der untersuchten Probe ermöglicht wurden. Damit konnte die Entwicklung der mechanischen Spannungen in metallischen Dünnschichtsystemen als Funktion von Temperatur und Zeit bestimmt werden.<br />In dieser Doktorarbeit wurde das mechanische und thermo-mechanische Verhalten von elektro-chemisch abgeschiedenen Kupferschichten erforscht, wobei die Schwerpunkte auf den Aspekten Mikrostruktur, Filmdicke und Temperaturbehandlung lagen. Die Veränderungen der mechanischen Spannungen bei Schichtdicken von 1,5µm bis 20µm wurden mit Hilfe der Messung der Substratkrümmung systematisch untersucht. Die Kupferschichten zeigten nach der elektro-chemischen Abscheidung und Lagerung bei Zimmertemperatur ein auffälliges "self-annealing" Verhalten. Dabei wurden signifikante Änderungen der Mikrostruktur und des elektrischen Schichtwiderstands beobachtet. Zum ersten Mal konnten eindeutig verschiedene Tendenzen bei dünnen und dicken Kupferschichten hinsichtlich der mechanischen Spannungsentwicklung nachgewiesen werden.<br />Dieser Größeneffekt im Verhalten der mechanischen Spannungen konnte durch die konkurrierenden Mechanismen von Kornwachstum und Versetzungsplastizität erklärt werden. Die experimentellen Messwerte und die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten analytischen Modelle wiesen dabei eine gute Übereinstimmung auf. Des Weiteren wurden die thermisch induzierten Spannungsänderungen in elektro-chemisch abgeschiedenen Kupferschichten im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 600°C untersucht. Die nach den Temperaturzyklen auf verschiedene Anlasstemperaturen gemessenen Spannungswerte können nicht mit der erwarteten klassischen Hall-Petch-Beziehung beschrieben werden.<br />Kornwachstum, Versetzungsplastizität oder sogar Diffusionskriechen beeinflussen abwechselnd die Entwicklung der mechanischen Spannung während des Temperprozesses, was dazu führt, dass die Hall-Petch-Beziehung außer Kraft gesetzt wird.<br />