Adhesion of critical interfaces in microelectronics

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Organisationseinheiten

Abstract

In modernen mikroelektronischen Bauteilen wird in komplexen Strukturen eine Vielzahl an dünnen Schichten aus verschiedensten Materialien wie Metallen, Keramiken und Gläser eingesetzt um die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Die Haftung der einzelnen Schichten zu einander ist ausschlaggebend für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von integrierten Schaltungen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Bindungsarten sind die Grenzflächen zwischen isolierenden Schichten wie z.B. dotierten Silikatgläsern und der Metallbeschichtung von besonderer Bedeutung. In dieser Dissertation wurden kompressive Schichtspannungen, Nanoindentation und der Scratchtest eingesetzt um gezielt Bereiche lokaler Delamination, genannt Buckles, zu erzeugen. Der Einfluss der Methoden auf das Probenmaterial wurde mittels fokussierten Ionenstrahl (FIB) Querschnitts untersucht um die Ursachen der Delaminationen auf den Grund zu gehen und dadurch das Verständnis der und die Anwendbarkeit der Methoden zu verbessern. Drei verschiedene Grenzflächen die exemplarisch für heutige Mikroelektronische Bauteile sind wurden getestet. In einem ersten Schritt wurden die Auswirkungen von Schichtspannungen und einer Tantal (Ta) Zwischenschicht auf ein Gold-Polyimid Schichtsystem untersucht. Während sich Spontane Buckles in der Goldschicht ohne Zwischenschicht bildeten, wies die Ta-Schicht eine höhere Haftung zum Polyimid auf und es wurde eine externe Kraft benötigt um die Schichten abzulösen. Im zweiten Schritt wurden die drei Methoden, Schichtspannungen, Nanoindentation und der Scratchtest genutzt um Delaminationen zwischen einer Wolfram-Titan (WTi) Schicht und zwei verschiedenen Borphosphorsilikatgläsern (BPSG) zu erzeugen. Anders als Druckeigenspannungen und Nanoindentation gilt der Scratchtest nur als semi-quantitative Methode, die aber unter geeigneten Bedingungen Buckles erzeugen konnte welche zur Haftungsbestimmung herangezogen wurden. Die Haftungswerte der WTi-Schicht, berechnet aus den Spannungs- und Scratch-induzierten Buckles, zeigten gute Übereinstimmung für beide BPSG-Schichten. FIB Querschnitte der Indentierungs-Buckles zeigten hingegen, dass zusätzliche Risse in der BPSG-Schicht auftraten die zur inkorrekten Berechnung von Haftungsenergien führen. Daraufhin wurden Indentierungs Buckles in einem WTi, Siliziumnitrid (Si3N4) und BPSG Schichtsystem mittels FIB Querschnitten analysiert um den Einfluss der aufgebrachten Last auf die Ausbreitung der Risse in den Schichten zu untersuchen. In einem kleinen Lastbereich wurden zwei Arten von Buckles erzeugt. Die erste Buckleart war das Resultat von Rissen durch die Schichten und daher nicht geeignet um die Haftung zu bestimmen. Die zweite Art entstand aus Rissen entlang der Si3N4/BPSG Grenzflächen woraus Haftungsenergien für diese Grenzfläche berechnet werden konnten. Der Scratchtest hingegen führte nicht zu Rissen in der BPSG-Schicht unter den Buckles. Die durch den Scratch induzierten Spannungen erzeugen erste Delaminationen parallel und entlang der Scratchfurche die den Ausgangspunkt für spontane Buckles bilden. Aus diesem Grund wurde der Scratchtest gewählt um die Auswirkungen von 30 Minuten bis 2 Stunden langen Glühbehandlungen bei 400°C auf die Haftung einer WTi- auf einer BPSG-Schicht zu untersuchen. Mit zunehmender Glühdauer stieg die Haftung im Verglich mit der nicht geglühten WTi-Schicht um das Doppelte. Die Untersuchungen verdeutlichen die Eignung von Nanoindentation und Scratchtest für quantitative Haftungsuntersuchungen in Schichtsystemen unter Druckeigenspannungen. Besondere Aufmerksamkeit wurde auf die Untersuchung der Ursachen für die Delamination bei Nanoindentation und Scratchtest gelegt, was zu einem besseren Verständnis der Bucklebildung führte.

Details

Titel in ÜbersetzungHaftung von kritischen Grenzflächen in der Mikroelektronik
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2018