Advanced nanoscale characterization concepts for copper interconnection technologies

Abstract

En tecnologías de interconexión de cobre, las propiedades de cobre (Cu) y especialmente su oxidación, dificultan su implementación en comparación con materiales estándar como el aluminio o el oro. Como Cu es susceptible de oxidación, incluso a temperatura ambiente, la caracterización de superficies de Cu es un aspecto importante para el desarrollo del proceso. En esta tesis, se ha desarrollado un nuevo método para investigar la oxidación de superficies del Cu en la nanoescala utilizando técnicas combinadas de caracterización. Se obtuvieron valores característicos de la diferencia de potencial de contacto (CPD) para los diferentes estados del óxido de cobre. Se utilizaron técnicas de microscopia como PF-KPFM que permitieron distinguir entre los diferentes tipos de óxido de Cu con resolución nanométrica y correlacionar los estados de oxidación a las características de la topografía local. Además, se introdujeron capas de pasivación en el rango nanométrico para alcanzar condiciones superficiales estables y fiables sin limitar los procesos de interconexión. Para la realización de medidas precisas mediante microscopía de fuerzas atómicas (AFM) de variaciones superficiales de recubrimientos protectores orgánicos muy suaves, la punta de la sonda AFM debe funcionar en un medio líquido. El modelo numérico presentado es capaz de proporcionar predicciones precisas de la resistencia de las fuerzas presentes en aplicaciones AFM en medios fluidos. Se ha demostrado que palancas triangulares presentan fuerzas de arrastre inferiores. Se pudo demostrar la influencia de diferentes líquidos como agua ultrapura o una mezcla de etanol y agua, así como la variación de la temperatura inducida de la fuerza de arrastre. Los estudios realizados demostraron que monocapas finas autoensambladas orgánicas (SAM) actúan como barrera efectiva para proteger al cobre de la corrosión. El modelo numérico mejoró las medidas de AFM en medios líquidos y permitió la caracterización a escala nanométrica de capas SAM con CH3 para proteger la superficie del Cu. Técnicas como TR-TUNA y dCFM permitieron la correlación de alta hidrofobicidad con corrientes túnel de bajo nivel en escala nanométrica manteniendo la integridad intacta de la película y viceversa. Alta corriente y baja hidrofobicidad podrían estar relacionados con la desintegración de la capa local SAM y la oxidación local de la superficie de Cu a 100°C. Una temperatura de 150°C conduce finalmente a una descomposición completa de la capa de SAM. También se analizó el efecto protector del platino (Pt) y del carbono (C) de superficies de Cu combinado técnicas no destructivas de microscopia electrónica de barrido (SEM) y PF-KPFM. Se observó que una película de C proporciona un efecto protector mucho mejor que una capa de Pt. No se observó degradación progresiva relevante de la capa de C hasta una temperatura de 200 ° C con espesores por debajo de 3 nm. Por el contrario, superficies de Cu protegidas con capas de 10 nm de Pt muestran ya a una temperatura de 150 ° C granos de óxido de Cu localmente crecidos. También se ha analizado la bola de aire de Cu de libre formación (FAB) utilizando técnicas de caracterización basadas en SEM. Cambios topográficos de FABs de varios diámetros podrían deberse a la oxidación de capas con espesores inferiores a 55 nm. Los resultados mostraron que la oxidación de FABs se produce solamente en la superficie. Una estructura de grano más fina y un tamaño de grano más pequeño se pueden conseguir con descargas de voltajes bajos. Por el contrario, se detectó una baja densidad de dislocación en las fronteras para voltajes más altos. La transferencia de calor hasta el cable y el enfriamiento convectivo por aire circundante podría explicar las conclusiones introducidas con respecto a la oxidación y la densidad de dislocación.

For the implementation of a direct copper-copper interconnection technology, the different properties of copper (Cu), especially the oxidation behavior, impede the easy transition to Cu compared to standard materials such as aluminum or gold. Since Cu is subject to oxidation, even at room temperature, the characterization of the Cu surface is an important aspect for the process development. A novel method to research the oxidation behavior of the Cu surface in the nanoscale was developed by using combined characterization techniques. Characteristic values of the Contact Potential Difference (CPD) were obtained for the copper oxide states. By this means, Peakforce Kelvin Probe Force Microscopy (PF-KPFM) enabled to distinguish between the different types of Cu oxide with nanometer resolution and to correlate the oxidation states to local topography features. Beside the nanoscale characterization of the Cu surface, novel passivation layer in the nanometer range were introduced to achieve reliable and stable surface conditions without limiting the ability for interconnection processes. For advanced atomic force microscopy (AFM) investigations of chemical surface modifications or very soft organic protective coatings, the AFM probe tip needs to be operated in a liquid environment. The presented numerical model is able to provide accurate predictions of the drag forces present in AFM fluid imaging applications. It could be shown that triangular cantilevers provide significant lower drag forces. The influence of different liquids such as ultrapure water or an ethanol-water mixture as well as the temperature induced variation of the drag force could be demonstrated. Studies showed that thin organic Self-Assembled Monolayer (SAM) act as effective barrier to protect Cu from corrosion. The numerical model improved the AFM fluid measurements and enabled the nanoscale characterization of the CH3-terminated SAM film protecting the Cu surface. Torsional Resonance Tunneling AFM (TR-TUNA) and dynamic Chemical Force Microscopy (dCFM) enabled the correlation of high hydrophobicity and low tunneling current on nanometer scale with intact film integrity and vice versa. Compared with additional analyses, high current and low hydrophobicity could be assigned to local SAM film disintegration and local oxidation of the Cu surface at 100 °C. 150 °C finally leads to a complete decomposition of the SAM film. In addition to SAM films, the protective effect of platinum (Pt) and carbon (C) based films deposited onto Cu surfaces was reported by combined non-destructive Scanning Electron Microscopy (SEM) techniques and PF-KPFM. A C film provides a much better protective effect than a Pt layer. Besides very local sporadically distributed Cu oxide grains, a gradual degradation of the C film was not observable for a temperature up to 200 °C and layer thicknesses down to 3 nm. In contrast, the 10 nm Pt protected Cu surface exhibits already at a temperature of 150 °C locally grown Cu oxide grains. The C film passivated Cu surface has the potential of being a key technique for a reliable Cu-Cu wire bonding. Beside the research of the Cu pad surface, the Cu free air ball (FAB) formation in the ambient environment was investigated by using SEM based characterization techniques. Topographic changes of FABs with various diameters could be assigned to different oxidation layers which were well below a thickness of 55 nm. Element mappings of cross sectioned FABs showed that the oxidation occurs only on the surface. A finer grain structure and a lower grain size could be achieved by lower discharge voltages. In contrast, a lower dislocation density at the borders could be detected for higher EFO voltages. The heat transfer up to the wire and the convective cooling by the surrounding air could explain the introduced conclusions regarding the oxidation and the dislocation density.