Lokale Messung innerer Dehnungen mit konvergenter Elektronenbeugung in Al- und Cu-Leiterbahnen von Oberflächenwellenfiltern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
2.1 Allgemeinverständliche Darstellung der wesentlichen Ergebnisse und der erzielten Fortschritte In der Mikroelektronik kommt es durch Leiterbahnversagen oder allgemeiner durch Versagen der Metallisierungen speziell unter hohen elektrischen Belastungen zu Ausfällen der Bauelemente. Dies wird häufig durch Stofftransport (Migration) in den Leiterbahnen verursacht. Bekannt sind dabei die Elektromigration (vorzugsweise bei Gleichstrombelastung) und die Akustomigration (bei Wechselbelastung mit hoher Frequenz), wie sie bei Oberflächenwellenfiltern (SAW-Flltern) auftritt. Der Stofftransport wird dabei entscheidend durch den Auf- und Abbau innerer Spannungen im Leiterbahnmaterial beeinflusst. Um die grundlegenden Mechanismen dieser Migration zu verstehen, ist es erforderlich, die entstehenden Spannungen sowohl des Gesamtsystems als auch innerhalb der einzelnen Körner der Leiterbahnen bestimmen zu können. Dazu wird ein Verfahren zur lokalen Messung in Bereichen deutlich kleiner als ein Mikrometer benötigt, das gegenwärtig nicht standardmäßig zur Verfügung steht Innerhalb des Projekts ist es gelungen, die lokale Gitterkonstantenmessung (Probenbereiche kleiner 0,1 pm) mittels konvergenter Elektronenbeugung (CBED) für typische Metallisierungsmaterialien (AI und Cu) am IFW Dresden zu erarbeiten. Das Besondere daran ist die hohe Ortsauflösung, die von anderen Verfahren (wie z.B. Röntgenverfahren) nicht erbracht werden kann, für die Vermessung einzelner Körner eines Gefüges jedoch erforderlich ist. Als Referenzmessung zur Überprüfung der Anwendbarkeit und Richtigkeit des Verfahrens wurde die aus der Literatur bekannte thermische Ausdehnung dieser Metalle gewählt. Dabei konnten an AI das Verfahren und die implementierten Auswerteroutinen verifiziert werden, auch anhand bekannter Literaturarbeiten. Im Besonderen ist es gelungen, dieses Verfahren in seiner Anwendbarkeit auch auf das in der Mikroelektronik relevante Kupfer auszudehnen. Kupfer war für das Messverfahren jedoch ein problematisches Element, da dabei in der Elektronenbeugung dynamische Effekte auftreten, welche die quantitative Auswertung sehr erschweren. Hervorzuheben ist, dass durch die präzise Lagebestimmung von Defektlinien aus Lauezonen höherer Ordnung in den konvergenten Beugungsdaten trotz der starken dynamischen Verschiebungseffekte durch Referenzkalibirierung jeder einzelnen Linie eine für praktische Aspekte relevante Genauigkeit von besser 5-10"^ für die Gitterkonstantenbestimmung erreicht werden konnte. Es kann als "Überraschung" gewertet werden, dass das für die Auswertung und Quantifizierung der Messdaten zugrunde gelegte Modell der Probengeometrie in dem hier behandelten Fall einen erheblichen Einfluß auf die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse hat. Des weiteren gibt es sehr häufig Aufspaltungen der HOLZ-Linien aufgrund von lokalen Verbiegungen und inhomogenen Verspannungen der zu untersuchenden Systeme. Eine Quantifizierbarkeit dieser Effekte ist Gegenstand aktueller Forschungsprojekte anderer Gruppen. 2^1 Ausblick auf künftige Arbeiten und mögliche Anwendungen Die lokale Messung von mechanischen Spannungen in Halbleiterbaueiementen ist für deren technologische Entwicklung und auch im Rahmen der Qualitätssicherung von großer Bedeutung. Daher stoßen alle Ansätze zur Lösung dieses Problems auf starkes Interesse. Hinsichtlich des CBED-Verfahrens wären für eine universelle Einsetzbarkeit an AI- und Cu-Metallisierungen folgende Aufgaben zu lösen: (i) Schaffung der theoretischen Grundlagen zum Verständnis und Nutzbarmachung der Linienaufspaltung bei starken Verbiegungen und/oder Spannungsgradienten, (ii) Erprobung eines Verfahrens zur elektronenmikroskopischen Präparation mittels FIB-Technik, das den zusätzlichen Eintrag von mechanischen Verformungen minimiert, (iii) Erarbeitung eines geschlossenen Computer-Programmpaketes mit leichtverständlichem Layout zur routinemäßigen Auswertung von CBED-Messungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Hofmann, M.; Gemming, T.; Thomas, J.; Wetzig, K.: "CBED on copper and aluminum - a ' comparison", in: Proc. of EMC 2004, Antwerpen (Belgium), Vol. I, 177.
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Hofmann, M.; Gemming, T.; Wetzig, K.: "Microstructure and composition of annealed i AI/Ti-metallization layers ", Anal, and Bioanal. Chem. 379[4] (2004) 547.
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Pekarcikova, M.; Hofmann, M.; Menzel, S.; Gemming, T.; Schmidt, H.; Wetzig, K.:"lnvestigation of High Power Effects on Ti/AI and Ta-Si-N/Cu/Ta-Si-N Electrodes for SAW Devices", IEEE Trans, on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control ' 52[5] (2005) 911-917.
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Strehle, S.; Menzel, S.; Wendrock, H.; Acker, J.; Gemming, T.; Wetzig, K.: "Thermomechanical behavior and microstructural evolufion of electrochemically deposited lowalloyed Cu(Ag) thin films", Microelectronic Eng. 76 (2004) 205.
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Strehle, S.; Reiche, R.; Hoffmann, V.; Acker, J.; Gemming, T.; Wetzig, K.:"Sulfur incorporation in electroplated Cu(Ag) thin films", Microchim. Acta 156[1-2] (2007) 167- , 172.
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Strehle, S.; Wetzig, K.;Menzel, S.; Wendrock; Gemming, T.: "Microstructural evolution of electroplated Cu(Ag) thin films during thermal cycling studied by SEM techniques", Proc. of EMC 2004, Antwerpen (Belgium), Vol. II, 671
