[發明專利]一種測量鑲嵌薄膜楊氏模量的方法

有效

• 申請號: 201110378267.0
• 申請日: 2011-11-24
• 公開（公告）號: CN102520066A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 肖夏;孫遠;單興錳
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N29/07
• 分類號: G01N29/07;G01N29/12
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

技術領域

本發明屬于材料物理特性檢測技術領域，具體涉及一種測量鑲嵌薄膜楊氏模量的方法。

背景技術

表面波在薄膜上傳播時的頻散特性攜帶著大量薄膜和基底物理特性的信息，可以用來表征薄膜的物理特性，例如薄膜的楊氏模量。楊氏模量是表征薄膜材料物理特性的重要參數，隨著集成電路的不斷發展，集成電路的特征尺寸不斷減少，半導體工業進入深亞微米時代，互連線延遲已經超過門延遲成為提高工作速度的最大障礙，因此低介電常數(low-k)介質開始取代以前電介質材料(如SiO₂)得到廣泛使用，low-k材料的介電常數介于空氣和二氧化硅之間，其中空氣的介電常數為1，二氧化硅的介電常數為3.9-4.2，為了進一步降低其介電常數，要在low-k薄膜中引入納米孔，納米孔的引入使low-k薄膜的物理特性進一步惡化，無論對于一般電介質材料或是low-k材料，它們的物理特性對加工制造具有重要的影響。因此需要發展表征薄膜物理特性的測量技術。表面波方法是對薄膜物理特性進行無損測量的一種重要方法，對于薄膜和襯底的分層結構，表面波在傳播過程中會發生頻散，即表面波的相速度隨頻率的變化而發生變化。與表面波傳播頻散特性相關的薄膜物理特性參數有薄膜的楊氏模量、密度、厚度和泊松常數等，表面波方法可以通過匹配理論的頻散曲線和實驗的頻散曲線對薄膜的物理特性進行無損測量。目前用理論計算的方法可以計算出表面波在單層或多層薄膜結構中的理論頻散曲線，但是這種方法無法計算表面波在鑲嵌薄膜結構上傳播的理論頻散曲線，無法測量鑲嵌薄膜結構電介質材料的楊氏模量。

發明內容

提供一種快速測量鑲嵌薄膜結構上電介質材料楊氏模量的可行方法。為此，本發明采用如下的技術方案：

一種測量鑲嵌薄膜楊氏模量的方法，用于測量覆蓋在硅襯底上的鑲嵌薄膜的楊氏模量，鑲嵌薄膜的基體為低介電常數電介質材料，鑲嵌體為金屬材料，包括下列步驟：

(1)根據待測樣本的鑲嵌薄膜的結構，建立鑲嵌薄膜及硅襯底的2維仿真模型：模型高度至少為模型寬度的1.5倍；

(2)確定鑲嵌薄膜及硅襯底的參數：將硅襯底設為壓電材料，鑲嵌薄膜設置為去耦合各向同性材料，然后根據表面波的傳播方向(沿Si[100]或Si[110])確定襯底的剛度矩陣，再設定硅襯底的介電常數以及密度，并分別設定鑲嵌薄膜的鑲嵌體和基體的楊氏模量、密度和介電常數；

(3)確定鑲嵌薄膜及硅襯底的邊界條件：把模型的寬度設置成一個波長的長度的整數倍，鑲嵌薄膜的左右邊界使用周期性邊界條件，使得左邊界與右邊界的位移和速度相等；硅襯底的左右邊界的電勢相等，并把硅襯底的底部邊界設置成固定邊界，把鑲嵌薄膜的頂端設置為自由表面；

(4)根據表面波的傳播速度和波長，估算頻率搜索范圍，利用有限元的方法求解表面波所對應的特征頻率；

(5)根據特征頻率，計算其所對應的相速度，從而得到一個相速度頻率點；

(6)改變表面波的波長，重復步驟(3)至(5)，確定一系列的相速度頻率點；

(7)繪制出表面波在鑲嵌薄膜傳播的理論頻散曲線；

(8)改變鑲嵌薄膜上低介電常數電介質材料的楊氏模量設定值，重復步驟(3)至(7)得到一系列鑲嵌薄膜基體取不同楊氏模量時的理論頻散曲線；

(9)對待測樣本的鑲嵌薄膜的實際頻散曲線進行測量；

(10)將測量得到的待測樣本的鑲嵌薄膜的實際頻散曲線與理論頻散曲線進行匹配，得到鑲嵌薄膜的楊氏模量。

本發明首先運用有限元方法計算出鑲嵌薄膜結構中電介質材料取不同楊氏模量的一系列理論頻散曲線，再利用實驗系統測量鑲嵌結構薄膜的頻散曲線，之后將實驗頻散曲線與理論頻散曲線進行匹配，從而得出鑲嵌結構上電介質材料的楊氏模量。本發明能夠無損、快速、準確的測量電介質材料的楊氏模量，解決了以前方法不能測量鑲嵌結構薄膜中電介質楊氏模量的問題。

附圖說明

圖1.鑲嵌薄膜結構2維示意圖。

圖2.鑲嵌結構中low-k材料楊氏模量取2、4、6、8GPa的理論頻散曲線。

具體實施方式

本發明實施例利用有限元方法對超大規模集成電路的互連系統中電介質的楊氏模量進行測量，現代互連系統是一般使用Cu和low-k材料，在此采用如圖1所示的簡化的Cu和low-k材料的鑲嵌結構。