Advanced ellipsometric techniques and studies of low-k dielectric films.

Mgr. Přemysl Maršík, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Disertace pokrývá dvě blízká témata: elipsometrickou metodologii a studium tenkých dielektrických vrstev. Tato práce zahrnovala i rekonstrukci elipsometru a vývoj potřebného softwaru pro zpracování a analýzu dat. V první části zopakujeme nezbytné teoretické základy a popíšeme základní elipsometrické konfigurace. Věnujeme se dvěma elipsometrickým konfiguracím: elipsometrii s rotačním analyzátorem (RAE) a s rotačním kompenzátorem (RCE). V případě RAE je vyvinuta kalibrační procedura pro neznámé nulové polohy polarizátoru a analyzátoru. V případě RCE jsou zformulovány elegantní rovnice pro redukci dat a navržen algoritmus pro kalibraci nulových poloh polarizátoru, analyzátoru a kompenzátoru. V měřených datech byly objeveny nežádoucí artefakty způsobené nedokonalostí kompenzátoru. Možný zdroj těchto artefaktů je diskutován a interpretace je podpořena simulacemi. Nakonec je zkoumán vliv artefaktů na kalibraci a zpracování dat a je navržen možný způsob ošetření výsledků. Druhá část práce je zaměřena na elipsometrické určení optických vlastností dielektrik s nízkou permitivitou (low-k), určených pro izolaci metalizace v mikroelektronice, a jejich chování za různých podmínek typických pro tuto technologii. Studujeme porézní SiCOH materiály deponované plazmatickou technikou z chemických par (PECVD). Porosita je vytvořena ko-deponováním SiCOH matrice a dodatečné organické fáze (porogenu). Po depozici je porogen odstraněn žíháním a UV osvitem (UV-kůra) a jsou vytvořeny póry. Low-k materiály jsou také vystaveny různým plazmatům v technologii výroby mikroprocesorů. Všechny tyto kroky mají vliv na optické vlastnosti vrstev. Pozorované chování interpretujeme ve smyslu změn složení a naše závěry jsou podpořeny doplňkovými měřeními infračervené absorpce a elipsometrickou porozimetrií.

Abstract:

Thesis covers two related topics: ellipsometric methodology and studies of dielectric thin films. The work included reconstruction on an ellipsometric instrument and development of the necessary data acquisition and analysis software. In the first part, the necessary theoretical background is reviewed and the basic ellipsometric configurations are described. We focus on two ellipsometric configurations: the rotating analyzer (RAE) and the rotating compensator (RCE). In the case of RAE, a calibration process for unknown analyzer and polarizer offset is developed and implemented. In the case of RCE, we formulated elegant equations for data reduction and proposed algorithm for polarizer, analyzer and compensator offset calibration. We detected spurious artifacts in the actual data, related to a compensator imperfection. A possible source of the artifacts is discussed and the interpretation is validated by simulations. Finally, the impact of the artifacts on the calibration and data reduction procedure is examined and a possible treatment of the data is proposed. The second part of the work is focused on the ellipsometric determination of the optical properties of low dielectric constant (low-k) films (for application as inter-metal dielectric in microelectronics) and their behavior under various conditions typical for the technology. We studied porous SiCOH materials deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition. The porosity is generated by co-deposition of the SiCOH matrix material with sacrificial organic phase (porogen). After the deposition, the porogen is removed by UV- assisted annealing (UV-cure), creating the pores. The low-k materials are exposed to various plasmas in the microprocessor fabrication technology. All these technological steps have effect on the optical properties of the films. We interpreted the observed behavior in terms of changes of composition and supported our conclusions by additional measurements: infrared absorption and ellipsometric porosimetry.

Keywords

elipsometrie, tenké vrstvy, rotační kompenzátor, low-k dielektrika, porozita, elipsometrická porozimetrie, UV-kůra, zbytkový porogen, plazmové poškození ellipsometry, thin films, rotating compensator, low-k dielectrics, porosity, ellipsometric porosimetry, UV-cure, porogen residue, plasma damage

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 8. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 21. 10. 2009
• Supervisor: prof. RNDr. Josef Humlíček, CSc.
• Reader: Ing. Alexandr Dejneka, Ph.D., Mgr. Adam Dubroka, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Solid Matter Physics