Estudo Experimental da Tensão Mecânica em Filmes Finos

Estudo Experimental da Tensão Mecânica em Filmes Finos de Cobre obtidos por Evaporação ou
Deposição Eletroquímica Espontânea.
Alexandre Ichiro Hashimoto e Sebastião Gomes Dos Santos Filho
LSI/PEE/EPUSP
Av. Prof. Luciano Gualberto, Trav. 3, n° 158, CEP 05508-900 São Paulo - SP - Brazil
e-mail: [email protected]
RESUMO
Neste trabalho foram feitas deposições de filmes finos de cobre por processo de evaporação ou
processo eletroquímico sobre substratos de silício. A tensão mecânica resultou quase dez vezes menor para os
filmes depositados eletroquimicamente (3.4 108 Dinas/cm2 ) comparado aos filmes evaporados (2.1 109
Dinas/cm2). Tal fato indica que os filmes depositados por processo eletroquimico são menos susceptíveis a
quebras ou trincas comparado aos filmes evaporados. Por outro lado, a resistividade para filmes eletroquímicos
foi maior do que para filmes evaporados , o que é um indício de que os filmes eletroquímicos são mais porosos.
Observou-se também que quase não existe variação da tensão mecânica com o aumento da espessura para o
processo de deposição por evaporação.
ABSTRACT
It was investigated in this work the mechanical stress of copper thin films deposited by electroplating or
evaporation processes onto silicon wafer surfaces. It was noteworthy that the mechanical stress resulted almost
a decade lower for the electroplating process (3.4 108 Dinas/cm2 ) as compared to the evaporation process (2.1
109 Dinas/cm2). This to say, the electroplated thin films can be less susceptible to breaks and crunches as
compared to the evaporated thin films. On the other hand, electroplated thin films presented a higher electrical
resistivity which may be an evidence of higher porosity for the electroplated thin films. In addition, It was also
observed that the value of the mechanical stress does not change when the thickness of the evaporated thin film
is increased.
INTRODUÇÃO
O estudo das diversas características físicas, químicas, mecânicas e elétricas dos filmes finos tem sido
realizado com o objetivo de se aperfeiçoar e melhorar as técnicas de obtenção dos mesmos. A tensão mecânica
nos filmes finos, por exemplo, é uma característica física de grande importância. Através dela pode-se avaliar
falhas por eletromigração, surgimento de vazios (Voids) e montanhas (Hillocks) nos filmes e também correntes
de fuga em transistores MOS ( Metal-Óxido-Semicondutor ) [BAR95, DEW93, ADA95].
Nos diversos trabalhos até o momento publicados sobre tensão mecânica em filmes finos, tem-se
observado que esta característica física depende fundamentalmente do tipo de deposição e de forma geral, não
deveria atingir valores muito elevados ( >~ 109 Dinas/cm² ) pois isto poderia resultar no surgimento de trincas e
quebras no filme inviabilizando a sua utilização [WIT93].
Neste trabalho em particular foi investigado a evolução da tensão mecânica em filmes finos de cobre
obtidos por deposição eletroquímica espontânea [SAN96] ou deposição por evaporação, com diferentes
espessuras sobre substratos de silício, com o propósito de se estabelecer em que condições obtêm-se baixos
valores para este parâmetro. Todos os filmes foram caracterizados por perfilômetria para medidas de espessura,
quatro pontas para medida de resistência de folha e medida do raio de curvatura da lâmina para se obter a tensão
mecânica filme. Ao final, mostraremos alguns resultados experimentais, por nós obtidos, que atestam a forte
dependência do valor da tensão mecânica com o processo de deposição do filme fino de cobre.
TENSÃO MECÂNICA EM FILMES FINOS
A tensão mecânica (stress) em filmes finos vem sendo estudada com o objetivo de se conhecer os
efeitos causados por estes mesmos filmes nos diferentes substratos e dispositivos Microeletrônicos. Angelli et al
[ANG80, MOR87, DEW93, DEW96] estudaram a tensão mecânica em filmes finos de silicetos e observaram
valores tanto de tração como de compressão dependendo dos processos térmicos empregados. Além disso,
dependendo do seu valor, uma tensão mecânica muito elevada promoveria a diminuição do rendimento de
fabricação dos dispositivos devido ao aumento do número de falhas.
Por outro lado, Angelli et al. [ANG80, VIN95, ROD96] também estudaram o comportamento da tensão
mecânica em várias temperaturas e observaram tensões de tração ou compressão dependendo do aumento ou a
diminuição da temperatura respectivamente.
Neste trabalho, o filme fino escolhido foi o cobre por ser aquele que apresenta a menor resistividade
comparado aos outros materiais. Além disso, o cobre apresenta uma condutividade térmica maior e também tem
um coeficiente de expansão térmica mais próximo do silício do que outros materiais [VIN95] fazendo com que o
mesmo seja um bom material para linhas de interconexão e contatos na fabricação de CI’s.
Para medir o a tensão mecânica em filmes de cobre, utilizamos o equipamento “Stressmeter” (TENCOR
FLX-2410 - THIN FILM STRESS MEASUREMENT) cujo programa computacional interno segue a
formulação originalmente desenvolvida por Stoney G.G.[STO09, WIN07]. Tendo em vista esta formulação,
conseguimos obter o valor da tensão mecânica no filme fino a partir do parâmetro ∆R (mudança do raio de
curvatura do substrato de silício). De forma geral a tensão mecânica total pode ser descrita como função deste
parâmetro ∆R [WIN07] conforme segue:
σ=
E.h2
(1)
(1-ν).6.∆R.t
Onde E/(1-ν) é o modulo de elásticidade biaxial do substrato (para Si (100) é de 1,805E11 Pa), h é a
espessura do substrato (m), t é a espessura do filme (m), ∆R representa a mudança do raio de curvatura ( m ) e σ
é a tensão mecânica média do filme (Pa).
A mudança do raio de curvatura ∆R pode ser obtida a partir do raio inicial da lâmina de silício antes de
qualquer deposição de filme fino ( R1 ) e do raio final da lâmina após o filme depositado ( R2 ) conforme segue
[MAN93]:
∆R= (R1.R2)/(R1-R2)
(2)
Onde R1 é o raio inicial da lâmina sem filme (m), R2: é o raio da lâmina com o filme depositado (m) e
∆R representa a mudança do raio de curvatura ( m ). E com isto, utiliza-se este valor obtido de ∆R para se achar
a tensão mecânica no filme a partir da expressão (1). De acordo com a convenção empregada, as tensões
mecânicas de compressão serão sempre negativas e as de tração positivas .
Abaixo temos a figura 1 que mostra os desenhos esquemáticos de um dado filme sob tensões de
compressão e de tração, após o mesmo ser depositado num substrato qualquer.
2
(a)
(b)
Figura-1: - Desenho esquemático de um dado filme submetido a tensão mecânica de:
(a) Compressão (por convenção é negativo)
(b) Tração (por convenção é positivo)
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
Utilizou-se lâminas <100>, tipo P, de 75 mm de diâmetro em todos os experimentos. Estas lâminas em
seguida passaram por limpeza química padrão (RCA + “Dip” em HF) sendo que todos os bequers passaram por
limpeza prévia em solução 4H2O : 1NH4OH : 1H2O2. Todas as lâminas que passaram por limpeza prévia foram
caracterizadas quanto ao raio de curvatura (R1 : vide capítulo da tensão mecânica em filmes finos ). Após esta
caracterização preliminar, fez-se nova limpeza química das lâminas seguida de deposição de cobre por
evaporação ou por processo eletroquímico. Após a deposição de cobre procedeu-se nova medida do raio de
curvatura (R2). Mais tarde, a partir dos valores de R1 e R2 obteve-se o valor da tensão mecânica de acordo com a
expressão matemática (1). Outras medidas realizadas foram a de resistividade dos filmes depositados e de
espessura dos mesmos filmes através de definição de degrau seguido de medida por perfilometria.
a) Receitas de deposição de cobre
A deposição eletroquímica de cobre foi realizada em uma solução 0,625M HF ( 1 HF + 20 H2O ) na
qual adicionou-se 200 ppm de cobre proveniente de sulfato de cobre. A lâmina de silício de 75 mm de diâmetro
foi então imersa durante 180s nesta solução tendo suas costas mascaradas por outra lâmina. Finalmente, esta
mesma lâmina foi lavada em água e seca em nitrogênio (N2). Inicialmente fizemos os gráficos da espessura de
cobre obtida em função do tempo de imersão conforme indicado na figura 2. Escolhemos o tempo de 180
segundos afim de obter um filme com espessura em torno de 100nm.
A deposição de cobre por evaporação foi realizada num equipamento Edwards modelo 306 onde foi
previamente carregado no cadinho 258,7mg de cobre e as lâminas foram posicionadas a 40 ± 2 cm do cadinho. A
deposição foi realizada quando a pressão da câmara atingiu 2,0.10-6 Torr a uma corrente típica de 100A.
3
Espessura do cobre (nm)
160
140
120
100
80
60
40
20
0
60
120 180 240 300 360
Tempo de imersão (s)
Figura-2- Espessura do filme de cobre como função do tempo de imersão numa solução 0,625 M HF contaminada com 200
ppm de cobre (condição "com agitação").
b) Medida da tensão mecânica
Para se medir a tensão mecânica, foi utilizado o equipamento TENCOR modelo FLX-2410 (THIN
FILM STRESS MEASUREMENT), o qual tem um computador acoplado com um “software” específico para o
controle e coleta de dados.
Após a limpeza química completa das lâminas virgens, as mesmas foram encaminhadas para o
equipamento e colocadas em um suporte com uma abertura circular de diâmetro igual ao da lâmina. Este suporte
é graduado em intervalos 15o de forma que a lâmina possa ser rotacionada e o raio de curvatura possa ser medido
em diversas direções (ou ângulos) sobre a lâmina de silício.
Foram feitas as medidas dos raios de curvaturas destas lâminas em diversos ângulos (0o, 15o,
30 ,…,360o), em seguida sobre estas mesmas lâminas foram depositados os filmes de cobre e finalmente foram
feitas novas medidas de raio de curvatura (R2), também em diversos ângulos. Tendo os valores dos raios iniciais
(R1) e finais (R2) e o valor da espessura medida por perfilometria, através do “software” do equipamento obtevese de forma automática os valores de tensão mecânica nas diversas direções sobre a lâmina de silício
(expressão(5)).
o
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Foram depositadas filmes finos de cobre em seis lâminas de silício, das quais quatro foram depositadas
por evaporação e duas foram depositadas por deposição eletroquímica espontânea de acordo com o
procedimento já explicitado acima. A tabela 1 abaixo resume principais resultados obtidos.
Tabela 1: Resumo dos principais resultados.
Tipo de
deposição
Eletroquímica
Evaporação
Evaporação
Espessura
(nm)
118
156
307
resist.
(µ
µΩ cm )
112
3
2,4
4
Tensão mecânica
(Dinas/cm2)
(3,4±2,5) 108
(2,1±1,4) 109
(2,1±0,4) 109
∆R
(cm)
3,1.103
1,6.102
6,5.101
As figuras 3 e 4 mostram as distribuições de tensão mecânica em diversos ângulos para filmes de cobre
com espessuras da mesma ordem de grandeza e obtidos por processo eletroquímico e processo de evaporação,
respectivamente.
Para o filme obtido por processo eletroquímico (figura 3), obteve-se valores de tensão mecânica sempre
da ordem de 108 Dinas/cm2 (tensão de tração) sendo que o valor médio dos valores apresentados na figura 3 está
indicado na tabela 1. Por outro lado, para o filme obtido por processo de evaporação (figura 4), obteve-se valores
de tensão mecânica sempre da ordem de 109 Dinas/cm2 e o valor médio dos valores apresentados na figura 4
também está indicado na tabela 1. Um fato notável neste caso foi a obtenção de tensões mecânicas cerca de uma
ordem de grandeza diferentes para filmes com espessuras da mesma ordem mas obtidos por processos diferentes.
A razão da enorme diferença nos valores de tensão mecânica deve ser portanto devido a diferenças de ordem
estrutural dos filmes obtidos por processos diferentes(eletroquímco ou por evaporação).
Em trabalhos anteriores [SAN96] também verificamos que os filmes eletroquímicos sempre
apresentaram boa aderência sobre o substrato mas tiveram alta porosidade. Os filmes evaporados, por sua vez,
apresentaram-se menos porosos comparados aos filmes eletroquímicos. Portanto, podemos estabelecer uma
correlação entre tensão mecânica e a porosidade, isto é, quanto maior a porosidade de um filme de mesmo
material, menor a tensão mecânica associada.
Tendo em vista também a análise da integridade elétrica destes dois tipos de filme, medimos a
resistividade dos dois através de medida de 4 pontas. Como resultado, obtivemos um valor de resistividade de
112µΩcm para o filme eletroquímico e um valor de 3µΩcm para o filme evaporado. Conclui-se portanto que a
resistividade é de quase duas ordens de grandeza menor para o filme evaporado apesar da tensão mecânica ser
uma ordem de grandeza maior. Uma outra conclusão importante é que a maior porosidade do filme
eletroquímico deve estar induzindo uma estrutura menos ordenada no filme o que por sua vez se traduz em um
maior valor de resistividade.
Também variamos a espessura dos filmes evaporados e para uma espessura média de 307 nm obtivemos
uma tensão média de (2,07±0,4) 109 Dinas/cm2 (vide tabela 1), ou seja, de forma geral observamos que a tensão
mecânica não varia substancialmente com o aumento da espessura do filme para um mesmo processo de
deposição. Esta observação é consistente com os dados reportados na literatura [WIT93]. Outros dados da
literatura que corroboram os nossos dados são as observações feitas por [YON95] que estabeleceram que quanto
maior o tamanho de grão (maior porosidade) menor tensão mecânica. A menor tensão mecânica observada para
os filmes eletroquímicos é consistente com uma maior porosidade pois neste caso temos um filme menos
compacto sobre a superfície do silício resultando em menores descasamentos com o mesmo silício subjacente.
5
Figura 3- Lâmina depositada por deposição eletroquímica espontânea, 118nm (R1 e ∆R em (m), σ em ( Dinas/cm²))
225°
∆R=8,40.102
σ =4,244.108
210°
∆R=1,30 .103
σ =2,739.108
195°
∆R=8,52.102
σ =4,186.108
180°
∆R=-1,78.103
σ =-1,999.108
165°
∆R=2,76.103
σ =1,291.108
150°
∆R=4,09.103
σ =8,715.107
135°
∆R=9,54.102
σ =3.737.108
240°
∆R=7,10.102
σ =5,025.108
120°
∆R=1,01.103
σ =3,551.108
255°
∆R=4,34.102
σ =8,213.108
105°
∆R=6,42.102
σ =5,556.108
270°
∆R=1,07.103
σ =3,320.108
90°
∆R=8,38.102
σ =4,256.108
285°
∆R=9,90.102
σ =3,603.108
75°
∆R=3,03.103
σ =1,179.108
300°
∆R=1,81.103
σ =1,969.108
315°
∆R=8,09.102
σ =4,408.108
330°
∆R=6,61.102
σ =5,394.108
345°
∆R=4,26.103
σ =8,360.107
0°/360°
∆R=6,59.102
σ =5,411.108
15°
∆R=5,24.104
σ =6,812.106
30°
∆R=2,42.103
σ =1,472.108
45°
∆R=-6,35.103
σ=-5,606 .107
60°
∆R=8,55.102
σ =4,171.108
Figura 4- Lâmina depositada por evaporação, 156nm (R1 e ∆R em (m), σ em ( Dinas/cm²))
225°
∆R=2,39.102
σ =1,139 .109
210°
∆R=1,37.102
σ =1,989 .109
195°
∆R=1,62.102
σ =1,673 .109
180°
∆R=1,68.102
σ =1,614 .109
165°
∆R=1,67.102
σ =1,630 .109
150°
∆R=1,74.102
σ =1,559 .109
135°
∆R=1,94.102
σ =1,398 .109
240°
∆R=1,56.102
σ =1,741 .109
120°
∆R=1,58.102
σ =1,718 .109
255°
∆R=3,28.102
σ =8,274 .109
105°
∆R=1,59.102
σ =1,710 .109
270°
∆R=1,87.102
σ =1,450 .109
90°
∆R=1,68.102
σ =1,615 .109
75°
∆R=1,56.102
σ =1,741 .109
285°
∆R=1,59.102
σ =1,701 .109
300°
∆R=1,29.102
σ =2,110 .109
60°
∆R=1,51.102
σ =1,795 .109
315°
∆R=1,21.102
σ =2,247 .109
330°
∆R=0,70.102
σ =3,881 .109
345°
∆R=1,97.102
σ =1,379 .109
0°/360°
∆R=1,63.102
σ =1,671.109
15°
∆R=1,26.102
σ =2,164.109
30°
∆R=1,26.102
σ =2,156 .109
45°
∆R=1,43.102
σ =1,894 .109
CONCLUSÕES
Conseguiu-se observar uma correlação entre a tensão mecânica e alguns parâmetros de deposição de
filmes de cobre. De forma geral, observou-se que os filmes depositados eletroquimicamente apresentam menor
tensão mecânica comparado aos filmes evaporados. Também verificou-se que a tensão mecânica não muda
substancialmente com o aumento da espessura.
Por outro lado, a resistividade dos filmes depositados eletroquimicamente resultou duas ordens de
grandeza maior comparado aos filmes evaporados o que é uma evidência de sua maior porosidade. Por outro
lado, a menor tensão mecânica observada para os filmes eletroquímicos é consistente com uma maior porosidade
pois neste caso temos um filme menos compacto sobre a superfície do silício resultando em menores
descasamentos com o mesmo silício subjacente.
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