Nanoindentation du Si₃N₄ pour la microelectronique : influence de la sous-couche

Nanoindentation of Si₃N₄ for microelectronic: underlayer influence

¹ CRISMAT-LaMIPS, Laboratoire commun ENSICAEN, UCBN, NXP-Semiconductors, PRESTO-Engineering, UMR CNRS 6508, 6 boulevard Maréchal Juin, 14050 Caen, France
rosine.germanicus@unicaen.fr
² CRISMAT, UMR CNRS 6508, 6 boulevard Maréchal Juin, 14050 Caen Cedex 4, France
³ IPDiA, 2 rue de la girafe, Caen 14000, France

Reçu : 24 Juillet 2015
Accepté : 9 Octobre 2015

Résumé

Dans le but de protéger les structures microélectroniques, le nitrure de silicium (Si₃N₄) est souvent utilisé comme ultime couche de passivation. Les matériaux des structures peuvent être amenés à subir de nombreuses contraintes mécaniques lors des opérations de procédé « Back-end » comme le rodage, les soudures, le sciage ou encore la mise en boîtier. Nous proposons d’étudier le comportement mécanique par nanoindentation du Si₃N₄ déposé sur deux sous couches différentes : SiO₂ et Al_98.96Si_1.00Cu_0.04, le tout étant réalisé sur une même plaque de silicium. Les courbes de force-déplacement révèlent une réponse différente à la nanoindentation. La courbe de décharge indique une déformation principalement viscoélastique pour le système Si₃N₄/SiO₂. Déposé sur l’AlSiCu, l’échantillon montre une déformation plastique accompagnée de nombreux pop in, lorsque l’indenteur s’enfonce dans la matière. Les empreintes résiduelles, après nanoindentation, mesurées par microscopie à force atomique dévoilent des géométries différentes avec l’apparition de fissures du nitrure de silicium lorsqu’il est déposé sur la sous-couche AlSiCu.

Abstract

In order to protect microelectronic structures, a silicon nitride (Si₃N₄) film is typically used as the final passivation layer. During the Back End process, wafer processing steps such as thinning, bonding, sawing or assembly could induce several mechanical strains in the materials. In this paper, the mechanical behavior of Si₃N₄ deposited on two under layers: SiO₂ and Al_98.96Si_1.00Cu_0.04, from the same silicon wafer, is investigated by nanoindentation. The load-displacement curves indicate different mechanical behaviors. The unloading curve shows mainly viscoelastic deformation for the Si₃N₄/SiO₂ system. Deposited on AlSiCu, the sample exhibits a plastic deformation with pop in, when the indenter penetrates into the material. Residual indents measured with an atomic force microscope, after nanoindentation, present significant shape differences, for the under layer AlSiCu the indentation induces cracks.