884 日本機械学会論文集(A編) 論文N0.04-1089 71裳706号(2005一石) U C / 4 ナノスクラッチ試験によるSi3N 薄膜界面損傷機構* 于赤 志正 谷鳥 池白 弘゛1, 強 井 武 樹゛1, *1 志*2 Mechanism of Damage Process on the Si3N4/Cu lnterfacein Nanoscratch Test Tadahiro SHIBUTANI*3,Qiang YU, Masaki SHIRATORl and Takeshi AKAI “jFaallty ’ひ 79 「E11gilleering,Yok(,hama Nationa1 University, Tuk∃wadai,Hodogaya一一ku,Yokohama-shi.Kanagawa,24C一一8501 Japan As t.heshrinkag and inteRration nf electric devices,all interfacial fracture between thjn l]ms wilh several nanometers becomes mcst important. This paper aims that the mechanism of damage process al,!11gthe interface betweel・lmulti-layered films dur∃nR nanoscratch tests,Using the edge cf indenter of Berknvich typ{!,nalloscratchtest was conducted in suh-micro↑l films of Si,N4/Cu/TaN fabricated on siljcr】n sLlbstrate. lnitiation of damage takes p】ace near the SiaN4/Cu interface which has poor interfacialstrenglh befclrefracture 「SigN,.Damaged spot appears ullderthe scratched ]ine and ils size is withill severa]11anometers.Measured critica】va】uesin nanoscratch tests and three dimensh】nahlorl ・linear finiteelement. allalysisreveal that shear slress c(lncentration appears backward the indellter and it agree w迂h the behavior of spot-like damage area from observation hy means of microscope qualitatively. 111ordel・t.nexamine the validity of damage mechanism, another nalloscratch testin the oppositc diredion c)lscratch was carried out. The va]ue of criticalload takes the lal'gern】yuhan that ilUhe ol・iRinaltestdue tnthedifferenceoftheshapeofjndenter,but the stress analysis reveals that iniliatioll o r spol.-likedamage on the iTlterfaCereach the same JR;が?jy lnj 「s: Micn)mccha takeM〕lace whn the values of peak stress ac↑ing in hoth leSts. 「cs.Materjal Testin只,Delamination,Finite Element Method, Reliability。 Thin Films, Nalloscratch Test,lnterlacial Damage, Advanced LSI 1.緒 言 強度が低い場合が多く,また多層構造であるため従来 現在,LSI配線に代表される電子デバイスの多くが, のスクラッチ評価手法をそのままサブミクロンサイズ 基板上に多数の材料を薄膜として積層させた薄膜積層 の多層膜に適用することは難しい.スクラッチ過程に 体であり,性能の向上や小型化などが実現されている. おいて,薄膜表面は接触・摩擦を含め多数の非線形現 微細化とともに,異材問の変形のミスマッチに起因し 象が混在する,また,実際の対象とする界面における た界面はく離が信頼性の士.で大きな問題となっており, 損傷(はく離)等の検出も極めて困難であることから 界面強度を定性的または定量的に評価する手法が提案 その損傷メカニズムについて体系的に検討されている されている白一円.特に,膜を引っ掻いて損傷したとき 例は皆無である. の荷重を測定するスクラッチ試験(69)は,汎用性が高 本研究では,多層サブミクロン薄膜のナノスクラッ く広範囲で用いられている手法のー・つである.しかし, チ試験における損傷機構を解明することを目的として, 評価値に表面の破壊や膜の非線形挙動を含んでいるた 実際のLSI配線用多層薄膜を対象としてナノスクラッ め,定量的な界面強度評価には問題点が多い.従来, チ試験を行い,内部に発生する損傷過程を観察した. スクラッチ試験は耐熱コーティング皮膜などの密着性 とくに,表層摸に透明な保護膜ぐSi3N4)を有する試料を の高い叫隔膜に対しての特性評価などに用いられてき 対象とすることによって,スクラッチの過程において た剛j9).肺導体デバイスなどにおいては相対的に界面 内部に発生する損傷を観察することができる.そこで, 界面近傍に発生する損傷挙動を観察するとともに,庄 ゛│京橋弓・付 丿珀IJ 4.11111 5 11. “正M,横浜国立.入学大学院2,[学研究院(萄2匍S51111横浜市 保土今行区常盤台79 5). ゛横浜一田々大学大学院工学府, E mail: shib1團swan.mc.yllu.ac.jp 子および多層膜をモデル化した3次元弾塑性FEM解析 を行い,着目界面近傍の応力・ひずみ分布を求め損傷 メカニズムについて検討した. 4 − ナノスクラッチ試験によるSi3NjCu薄膜界面損傷櫓臍 885 2.ナノスクラッチ試験 2.1試験方法 スクラッチ試験は,大別すると負荷方 法によって一方向に引っかく単純負荷試験陶ヽ(9印1)や 振動圧子を用いる方法(7い閲などが開発されている.い ずれの試験も,薄膜の基板に対する界面特性を定性的 に評価する点においては優れた手法であり広く用いら れる.また,はく離を含め損傷の検出法にとしては(i) 負荷荷重(垂直荷重や摩擦荷重)の急変点凶'凶,(ii)AE による検出(ll'.(閲(iii)表面観察(9)などが挙げられる.サ ブミクロン以下の薄膜については膜厚の微小性に起因 Fig.2 Schematic して(i)や(旧の手法は膜の破壊とはく離発生を分離す illustration of cross-section of tcstcd material ることが極めて困難であり,表面観察により損傷を検 出する場合が多い.本研究では,損傷過程のメカニズ ムの解明を目的として,負荷過程が単純な押し込み型 のスクラッチ試験を採用するとともに表面観察により 損傷発生を評価した.図1は,ナノスクラッチ試験の 概要を示す.先端の局率半径の小さい圧子に負荷を加 えながら試料に対して水平方向にスライドさせること で表面近傍に損傷を発生させる.スクラッチ過程にお ける押し込み変位および負荷量を測定し,試験後の表 面観察により損傷発生点を決定する. Fig.3 Tesling apparatus ror nanoscratch test. 2.2供試材および試験方法 供試材の複式図を図2に 示す.実際のLSI配線と同様にシリコン基板上にバサ 質薄膜を積層させることにより非線形挙動の影響を軽 ア膜としてTaNが製膜されており,その上にCu(金 減させることが界面物性評価に有効であることが報告 属配線),Si3Nバ保護膜)が積層されている.SらN4/Cu されている凶Jj. 界面の異材間のミスマッチか大きく,最弱界面となっ 試験は,室温・大気中で実施した.図3は,試験装 ておりはく離はこの界面近傍で発生する場合が多い川. 置{MTS 保護層であるSj3N4は,透明であり銅表面における損 Syslcms Corporalion製Nailo lndcnter xP}を示 す.ナノスケールの変位を精密Rつ連続的に測定する 傷を確認することができる.また,表面層が比較的硬 い材料であるため,内部の損傷に表面の摩擦や破壊が 為に,除板台の上に設置されるとともに周囲も防振壁 及ぼす影響を抑制することが期待できる.インデンテ に摺われている.征子は図目こ示すBerk・vich型圧子 ーションを用いたはく趨発生試験などにおいても,硬 を用い,先端局率半径は約50nmである.圧子におけ る負荷荷重および変位を連続的に記録することが可能 であり,分解能はそれぞれlnN,0.002nmである.ス lndente クラッチ距離を£==200μm,最大荷重戸,…=│-5mNとし て一定速度{│,10μm/s}で圧子をスライドさせた.また, 0 圧子の非対称性を利用して図1に示すように異なろス クラッチ方向(0-o,π)について試験を実施した.試験 後,スクラッチした面をマイクロヌコープ{キーエンス VH2250,x25001で観察を行い,損傷の有無を確認し 移動距離から損傷発生時の荷重鳥を算■した. 3.結果と考察 3.1ナノスクラッチ試験における内部損傷 図4は、 戸、J5m執心/jz=10μm/s(0=0)のときの初期における Fig.1Schemalic illustrati(ln or nanoscralch スクラッチプロファイルを示している.横軸が、スク systemwith an indenter of Berkovich lype. 一 ラッチ距離乙、縦軸が測定された押し込み深さ量を表 5− 886 ナノスクラッチ試験によるSらNむ/Cu薄膜界面損傷機構 0 0 `b ある(0=O).横軸は最大負荷荷重値を示す.各試験条件 において,臨界荷重値のばらっきは比較的小さく10% Ec.f笠の︵︶ 以内であった.また,0-oにおいてはスクラッチ速度 が臨界荷重に及ぼす影響は小さい.すなわち,0哺の -100 場合スクラッチ過程における破壊の時間依存性は小さ -150 い.押し込み速度が増大するとともに,発生荷重は減 少しているがその差は約20%であり負荷速度の変化に -200 比べると小さい.また,/)..が2 mN以上では臨界荷 -250 0 50 100 150 200 250 Scratch μm distance L Fig、4 ScrMch 重値の変化も小さくなっており収束する傾向が見られ る,図7は,0=πの場合の臨界荷重を示す.スクラッ チ方向が0=πの場合の方が,0=0の場合に比べて発生荷 pronle、 重はピーク荷重が大きい場合は約2倍以上大きくなっ ている.これは,0哺の場合圧子稜線部がスクラッチ 方向と一致しており,高い応力集中が発生する為であ ると考えられる.この場合においても,低スクラッチ 速度(1μm/s)で臨界荷重の収束傾向が認められる.これ は,両試験において垂直負荷速度dPZdLが小さくスク ラッチ速度が大きいとき,充分に圧子と表面が接触し 1 aNf︶ 0 0 zE必 。& している.負荷開始より単調に押し込み深さは増大し 4 of microscopc.  ̄ 4二心 1 (N 1 0 leo!l!)9 bymcans due to nanQscratch 〇 peol Fig.5 1nlerfacialdamage 哺’九jm/s -10Um/s 0 自 1 ている.£=50μm近傍において,若干深さが不連続に 0 2 4 変化する点が認められるがその変化量は小さく,荷重 Peak に大きな変化は見られない. 図5は,垂直負荷速度j/)/血=0.25 Figji Load 6 戸,mN Critical load (0-0)・ mN/sのときのス 1.2 クラッチ痕のマイクロスコープ写真を示す.従来の臨 ZE. 界荷重値として定義される点よりもかなり初期の段階 ノ Jニー一 1 (ゐ=0,44 mN)でスクラッチ痕の直下に局所的な損傷が 0 . 60 ︲0 4 .2 peol lEc)!1!JO 認められる.そこで,大気中において長時間放置後再 度観察を行ったところ,損傷は銅特有の赤褐色を有し ていた.これは内部のCu薄膜が酸化したものであり, 局所的な損傷はShN4/Cu界面近傍において発生してい ると考えられる.また,最初の損傷が発生した近傍に おいては,Si3N4膜において表面クラックの発生は認め られなかった.本研究においては,最初に局所損傷が 匹 →’知m/s -●’10μm/s I I 0 2 4 て,そのメカニズムについて検討する. Peak Load 図6は,損傷発生荷重の結果をプロットしたむので Fig.7Cr削calload(e=幻・ 一 現れた位置における荷重を損傷発生荷重として定義し 石− P, mN 6 ナノスクラッチ試験によるSi3N/Cu薄膜界面損傷機構 y。 887 Tabie l Material properties Young' Poisson's Material Modulus E[GPa] 四 Si3N4 304 り (1 Cu l30 . t \ X 根太 Si l70 1ndenler 1143 Yield strcss gY IMPa] 27 4000 34 44002) . 0 ratio 0 ,3 0 .2 4 L r − ﹄ 酬 j− μ−jlllHPI−−ll 四 一 一 1500 900 300 ・300 Fig.8 Analysis model. ・900 ていないことが考えられる.したがって,本試験では 低スクラッチ速度かつ適切な押込み負荷速度において, -i5{}0 iMPs】 スクラッチ速度や押し込み速度の影響は小さい, 0)で9 3.23次元弾塑性応力解析による損傷過程の検討 ス クラッチ試験における損傷過程のメカニズムを解明す a.30 るために,3次元弾塑性解析を行った.図8は,解析 モデル(e=0)を示す 圧子一膜表面接触郎近傍の局所領 0.18 域(10×9×4.5μm)を対象として1/2領域についてモデ 0.06 ル化している,圧子上面において垂直方向変位を拘束 し,多層膜試料の底面において水平方向変位を拘束し -0.06 た.試料の底面において垂直荷重7)を表面の圧力とし -0.18 て負荷を加えるとともに圧子上面に水平方向変位liを 0,30 負荷している.解析は汎用非線形有限要素コードMare を用いた.用いた要素は8節点1次要素を用いており, 要素数,節点数は13504,15588である,TaN層につい (♭)y。, ては,その影響か小さく解析においては考慮していな Fig.9 Cont(lurmaps of shearstressand plasticstrain い,一般に≒スクラッチ試験においては水平方向のス nearlhejnderlter. ライド量が大きくそのまま解析を行うと規模が大きく Cuの降伏応力がバルタ材の値に比べて高めとなって なり非常に計算負荷が増大する.そこで,本研究にお いるが,サブミクロンCu薄膜(膜厚400 いては以下のように2段階で負荷を加えた.まず,発 生荷重値(発生時の25C)nm手前)近くまで負荷を加える. 用しているm).また,Si3N,薄膜については,インデ その後,損傷発生荷重値まで負荷を加えた.このとき, ンテーション試験で得られた硬さの│/3の値を用いた. 1段階目の負荷荷重値は実験結果より算出した.用い た要素の寸法は接触部近傍においては50 nm)のナノイ ンデンテーション試験から得られる値を文献値より採 他の膜の物性値については文献値より得られたものを nm とした 用いている‘I°]. 解析においては/要素の大変形を考慮しており,接触 解析において,臨界荷重時の押込み量は約50nmであ 部近傍の大きな幾何学的変形に対しても安定的に解析 り,これは実験における押込みプロファイル(図4)とほ することが可能となっている.圧子と表面の接触部に ぼ一嶽している.図94a)は,スクラッチ試験において おける摩擦は考慮していない.表Iは,各材料の材料 発生したせん断応力7.y分布4e=0)を示す.図は対称面 物性を示している.SらN4,Cu膜については弾完全塑 よりみた等高線図となっている.SilN4膜内羞において, 性体,その他の材料は等方弾性体として解析を行った. 一 一 フー 888 ナノスクラッチ試験によるSiボ4ノCu薄膜界面梢傷機構 高い応力集中が現れている.とくに,Si3N4/Cu界面近 あることを考慮すると実験で確認された離散的な界面 傍においては,庄子後方部に廿ん断応力集中が現れて 近傍の損傷の要因である可能性は小さい,すなわち, いる,スクラッチ圧子前方において損傷が発生すると 界面近傍の損傷は応力による起因したものであると考 その領域は拡大する場合が多い.すなわち,今回の実 えられる.図10は界面に接するCu側要素内の積分点 験で観察された離散的な損傷は圧子後方郎における応 における応力およびひずみ値を離散的に表示したもの 力場・ひずみ場によると考えられる.図9(bUよ, である.≒,におけるピーク値は,圧子後方のスクラッ Si3N4/Clj界面近傍におけろせん断塑性ひずみhv分布 チライン(中心線)上に現れており,このとき損傷はス を示す.ひずみ集中部は圧子接触表面とCu膜内部に クラッチ痕の直下に現れる可能性が高い.また,圧子 集中している.この場合,銅膜の内部損傷や表面摩擦 後方にピーク値が存在することから離散的な損傷が発 による損傷などが考えられるが,集中城が圧子前方で 生し易い.なお,応力集中が認められる領域は約100 S ag a S - a M 吸 賠 箭 恣 咽 腿 溺疸 詞 磁 儲 哩 善 図 征 副 鼠 詣 m 9 僧 豚 臨 妬 諾漣 殴 屠 懇 喩 順 同 ー 斟 忽・ :‘JJ謳 惣 −ー 釧 肩 陛ご りZ 眉 ぶ 3g 冶豹 詣 諒 誤報 副 a 函 を ふEa 籾・3 眉に 惣 犯 茫 痢 殺 証 脳 面詰 ・胴 優 万皿否 回 曇 鵬 に.・唄・ 諭 箔 附 2い f・・・ S 瑕覗 結腸 蔚 SQ 屁 諮習 諒 自薦 回 gM 吻 認 i 回 蕊 邸 冶 揃 垣 湖 厠馴 疆 9 順 勉 哩 9腫置一 - 或 野 四 腰・ 一 − − 胚 ミ | − − 240 ーa 0 150 -400 ぷ gi 0 弛・゛ ゞ・ W・ 一 肖 回 ーl 屡 - - 怒 §U − 麻齢 嗣 li 自 :l. 圖 - ・a 常 -60 諮・ ■ | ーF 叶 ,よ延≧tion -150 弓 図 認 ⊇ ・r 田 疆 話 回 醸 Ⅲ 鴫 諧 瓜監 躍 皿 Si - 一 四 H ・ 畜 回 陸 脂 齢 ・ ・800 MW iS 圃 ㎜ S 猫 l -1200 - 回偏 悟表記屁 -240 fMPa] ・・ ・5 唐 暦 廳 o)7.、 | ㎜ -1600 願 [MPa] ト 2こごぶ1≧ scr ・ tion (c)oy。 0 0 0 00 60 16 10 0 ︲4 4 JI 0.30 0.18 0.06 -0.06 ・0.18 0.30 一心一 トx scrとごごぷぶ≧ion 叶x scrl:ごごj:三jlion (bけ。 (d)h、 一 Fjg.10 Djstributjon of slresses lnd slrain ncar thc Si3N4/Cu interace in the case of O−0(Side 8− 「 889 ナノスクラッチ試験によるSi3N,/Cu薄膜界面損傷機構 ∼150 nm となっており,実験で観察された損傷の大き のようにまとめられる. さとほぼ同程度である,図10(b)および(c)はそれぞれ 0)ナノスクラッチ試験において,表面の硬質層の影 界面近傍における仙,cりy分布を示す.両者とも応力 響により膜に大規模な不安定破壊が現れる前に 集中城は圧子前方に存在しており,離散的な損傷は発 Si3N4/Cu界面近傍において損傷が発生していた. 生しにくい.また,T。はスクラッチ痕から少し離れた 損傷は局所的に発生しておりその領域は|ミクロ 箇所においてピークが存在している.図10(d)に示すぜ ン程度であった. ん断塑性ひずみ7.yは,圧子後方剖の敲れた箇所にひず (2)初期損傷発生時の荷重値/)。は,nerkovieh圧子種 I■I ・・■ ● ・『●ミ。 線に沿ったケースではスクラッチ速度および押込 み集中部が存在するが,これは解析において初期水平 方向変位が250 み速度の影響は小さい. nm しかない為に発生したものである. 圧子近傍(100`200nm)においては,ひずみ集中は圧子 0)3次元FEM非線形応力解析より,他の応力成分が 前方に発生しており,離散的な損傷の要因とはなりに 庄子前方に集中城が存在するのに対レせん断応 くい,すなわち,今回観察された界面近傍の損傷はせ 力≒については圧子後方において応力集中が発生 ん斯応力1;9に起因したものであると考えられる. する. 図Hは,0=釧こおける界面近傍におけるi,y分布を示 している.0=0と同様に,圧子後方において応力値は 高い値を示している.なお,前方においても比較的応 力は高くなっているものの若干圧子後方部のほうが高 りy このとき,実験においても同様の損傷が現れてい ることから,0==7rにおいてもnyによる損傷が発生して いる可能性が商い. 図12は,スクラッチ線上におけるSi3N4/Cu界面の せん断応力成分をプロットしたものであるバ旦し,0=77 については,方向が反対であるためスクラッチ方向を 正としてプロットしている,応力値はCu側の積分点 より外挿した値を用いている.スクラッチ試験時の圧 子の接触形態によらず,損傷発生時の圧子後方におけ {MPal るi,y応力値はほぼ同程度となっている.これは,負荷 X 形態によらず界面近傍における応力値があるー一定の値 ぐニ=コ Scratch に遂したときに損傷が発生することを示唆しており, 界面近傍の損傷に対する抵抗性(強度値)を定量的に評 Fig.11 Distribution oF てxy near the Sけも/Cu 価できる可能性を示している.損傷の発生領域が非常 interface in thc case or O=π(Sideof Cu に小さい(│ミクロン以下)であることを考慮すると, 300 損傷は応力のビーク値が一定の値に達したときに発生 れ応力のビーク値は239 MPa,241 ed1N“&s 1sajls﹂Sω£の すると考えられる.e=0およびπの場合においてそれぞ MPaとなっており ほぼ一致している.すなわち,本論文で用いた試料に おいて,解析より得られるshN4/Cu界面損傷発生の臨 界値(y。=240MPaは負荷形態に依らない値となっていろ. 4.結 言 ナノスクラッチ過程における多層薄膜界面近傍の損 傷メカニズムを解明することを目的として,代表的な LSI配線用のSilN4/Cu汀aN構造の多層膜に対してナノ 200 100 0 -100 -200 -300 スクラッチ試験を実施するとともに庄子と反面の接触 -750 -500 -250 0 250 ずみ場について詳細に検討した.得られた結果は以下 Fig.12 Distrihutian or 19 along tlleSi3Ni/Cu 一 を考慮した3次元非線形有限要素法解析より応力・ひ Distarx:e from the center of indenter, 「171 9− 890 ナノスクラッチ試験に よるSi,N,/Cu薄膜界面損傷機構 (5)謐谷,鶴賀,于,白鳥,日本機械学会論文集(A), 69-685,1368-1373(2003)・ (4)スクラッチ方向を反転することにより圧子の接触 形態を変化させた試験においては,稜癩に沿って (6) 押した場合(0=0)と『同様にスクラッチ初期に局所 (7) 的な損傷が発生した.また,そのときの荷重値は (8)N. 0=・oの場合に比べて大きくなるが,試験に依らず M. T, Laugier, Thhl Solid Films, 117,2・13-249(1984). A,Kinbara (1988). R. Moody、 Angelo、D.P.Norwood and S,Baba,71』'・S油・d FI・/剤ぷ,63,67-73 R. Q. Hwsng、 S. ald lW. venka-Taraman、 j.E. W.Gerberichttp://www..、46-2、585-597(1998). jcla 損傷発生時のFEM解析より得られるせん断応力 l,yは約240 MPa (9)武藤,許,宮下鮑,日本機械学会論文集(A),68-670, となる. 909-91512002), (10)A.Kinbara,S.Baba,A.Kikuchi,771j,hS・j,‘d Fj`1.j,171, 93-98(1989) 参考文献 U)T. Kitamura, H. Hirakata and T. ltsuji,£rlg.Fracl. 44ごメ1.,70,2089-210H2003). (2)大宮,井上,岸本,谷中,伊檎,材料,53-8,856-861 12003), (3)S. Kamjya, H. Kimura, Y. Yamunobe, M. Saka and H. Ahe,nM ,SQljj F・・llls,414,9112002). (11)H.F.Hintermlnn,j,陥c.&i.7i,ci。aj.,B2-4, 81 6-822 U 984). (12)」,valli,j.陥r- Srj. 7;!cirloj. j ,4,:300711986). (13)A.A.Volinsky,J.Vella,l.S,Adhiheuy,V. Sarihan,L. Mercado,B.H.Yel]ng and W. W.Gerberich.Mal.j?eぶ, Sar, Sysjp.,649,Q5.3,1{2ool}, (14)結城良治,界面の力学,培風館41990)・ (4)A.A.volinsky,N, R. M()ody and w. w.Gerberich, ,・lclQルfαZeriaμa,50.441-46612002)・ 一 10− Ejjiヨ Is j自」 r「¬ 1口 TRANSACT10NS OF THE jAPAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS S 詣 回心 回で 証J Ij F・J y ̄I ズ 弓 万 証 涜茸『 万万 痢匈 ご 契 にぶ万I ?│ −IE ヅ 41 ■J . 司 1 敦わ ゝ − ミ -ゝ・ 尚 混 公 鸚 うI回混 ぢ i.’ ︱−j 俎 jQ, む rJ y1 ?9S973 ∼・‘ 遥 紀朧 ″心 ⑤ 言 言 ヾ[ .s`1 ] qりy ぐ 込 郷 1` 工学/機械一機械シス私図書 2005/7/4 日本機械学会論文集.A 71 706 り N0,1100784
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