LSAWs技术表征ULSI互连布线Low-k介质薄膜机械特性的研究

摘要

互连线系统已经成为发展高速、高性能、高密度集成电路的瓶颈。将低介电常数介质(low-k)集成到ULSI互连系统中是当前解决此瓶颈问题的主要研究方向。准确界定low-k介质薄膜的硬度特性是解决low-k介质互连面临的机械方面挑战的关键。激光产生超声表面波(Laser Generated Surface Acoustic Waves，LSAWs)探测技术由于其快速、准确、无损伤等突出优点，特别适合在线检测易脆、超薄、低硬度介质薄膜的杨氏模量。 本课题从声表面波传播的色散理论和LSAWs实验数据处理方法两个方面进一步推进了LSAWs检测技术的研究。 在理论方面，针对ULSI互连系统的具体情况，本研究从传播媒质的波动方程出发，建立了“各向同性薄膜/硅衬底”的理论计算模型，并在大量计算结果的基础上研究了薄膜的厚度、密度、杨氏模量等各种参数对理论计算的色散曲线的影响。纳米多孔二氧化硅是最有潜力应用于low-k互连系统的介质。为解决原有计算模型不能适应纳米孔呈周期性分布的薄膜的问题，本研究进一步建立了“横观各向同性薄膜/硅衬底”的计算模型，并依据此计算模型丰富的计算结果对纳米多孔二氧化硅薄膜的各项参数对于声表面波传播特性的影响作了深入的分析和研究。 在实验数据处理方面，本研究根据奈奎斯特定理构建了合适的采样系统。本研究用加窗函数的设计方法设计了一个具有线性相位特性的FIR软件滤波器来减弱实验环境中噪声的污染，达到了实验数据分析处理的要求。在软件滤波器的设计中，我们仔细研究了各种窗函数的特性，研究了凯瑟窗的参数对凯瑟窗性能的影响，并最终选择了参数调节灵活的凯瑟窗作为设计中加载的窗函数。本研究中采用了按时间抽选(DIT)的基-2 FFT算法来对实验信号作频谱分析。在仔细研究了各种常用窗函数窗谱特性的基础上，本研究加载了合适的窗函数来降低频谱泄露；并采用在信号的末尾增添零值的办法降低了频谱的栅栏效应。在获得信号频谱的基础上，我们通过一定的公式，计算获得了实验信号的色散曲线。为了将实验色散曲线和理论计算的色散曲线拟合，本研究采用最小二乘法将离散的数据点拟合成了光滑的色散曲线。找到与实验色散曲线最匹配的理论色散曲线是提高测量结果精度的关键之一。本研究中采用一次微分的方法提高了紧密靠近曲线簇的分辨率。并设计了基于二分法查找的自动寻优程序来实现在线的自动寻优检测，快速、准确的给出了精度范围内的测试样品的杨氏模量值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章概述

第二章LSAWs理论色散曲线计算

2.1非压电弹性媒质中的波动方程

2.2半无限大介质中声表面波的传播

2.2.1各向同性介质中声表面波的传播

2.2.2瑞利波(Rayleigh Waves)的特性

2.2.3无界各向异性介质中声表面波的传播

2.3声表面波在分层介质结构中的传播

2.3.1 Si基衬底上淀积各向同性薄膜的结构

2.3.2 Si基衬底上淀积横观各向同性薄膜的结构

2.4小结

第三章实验信号分析

3.1 LSAWs实验系统概述

3.1.1 LSAWs实验系统的结构

3.1.2 LSAWs实验数据的采集

3.2 LSAWs实验信号的性质

3.2.1 LSAWs实验信号的范畴

3.2.2 LSAWs信号的干扰与污染

3.2.3 LSAWs实验信号的采样

3.3 LSAWs信号的频谱分析工具

3.3.1信号的时域描述和频域描述

3.3.2 DFT分析原理及其固有的缺点

3.3.3快速傅里叶变换(FFT)

3.4频谱分析存在的问题

3.4.1提高频谱的分辨率

3.4.2减弱频谱泄露

3.4.3减弱栅栏效应

3.5小结

第四章信号滤波

4.1无失真传输与理想滤波器

4.2 FIR滤波器

4.2.1 FIR滤波器和IIR滤波器对比

4.2.2 FIR滤波器的线性相位条件

4.2.3 FIR滤波器的特点简述

4.3数字滤波器的窗函数设计方法

4.3.1用窗函数设计滤波器的原理概述

4.3.2 Kaiser窗性质的研究

4.3.3本课题用Kaiser窗设计FIR滤波器

4.3.4信号滤波效果及结论

4.4实验频散曲线的获得

4.4.1实验获得的相频谱

4.4.2实验信号的频散曲线

4.5小结

第五章最小二乘法的曲线拟合

5.1概述

5.2曲线拟合

5.2.1最小二乘法的提法(直线拟合)

5.2.2多项式拟合

5.2.3曲线的二次多项式拟合

5.3小结

第六章理论、实验频散曲线的匹配

6.1概述

6.2曲线分辨率的提高

6.3实验、理论色散曲线匹配

6.3.1曲线匹配优度的判别

6.3.2基于二分法的一次回溯夹逼逼近算法设计

6.3.3自动获取测量结果

6.4小结

第七章总结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢