في انهيار العزل الكهربائي الموضعي الوقت المعتمد في نقل الكترون المجهر: إمكانية لفهم آلية الفشل في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة

الهدف العام من التجربة التالية هو تحسين الإجراء المتبع. وتُستخدم هذه التجربة لدراسة آليات فشل الانهيار العازل المعتمد على الوقت وحركية التدهور في مكدسات التوصيلات النحاسية ذات ثابت العزل المنخفض للغاية (ultra low K). ويتحقق ذلك من خلال تصميم وتصنيع بنية مخصصة من الطرف إلى الطرف تتكون من توصيلات نحاسية مغلفة بالكامل ومعزولة بمادة ذات ثابت عزل منخفض للغاية داخل رقاقة كاملة.

كخطوة ثانية، قم بتحضير عينة شريط H سليمة باستخدام التخفيف بواسطة حزمة أيونية مركزة في المجهر الإلكتروني الماسح. بعد ذلك، قم بإنشاء الاتصال الكهربائي وإجراء اختبارات كهربائية في الموقع داخل مجهر إلكتروني نافذ. وذلك لدراسة حركية التحلل وآليات الفشل في مجموعات ترابط النحاس ذات ثابت العزل المنخفض للغاية (ultra low K).

تُظهر النتائج حركية التحلل وآليات فشل الانهيار العازل المعتمد على الوقت في مصفوفات التوصيلات البينية النحاسية ذات ثابت العزل المنخفض للغاية (ultra low K). وعادةً ما يتم إجراء تحليل الفشل بعد الاختبار الكهربائي، الذي يُجرى على مستوى الرقاقة، أو دائمًا على الأجزاء المعبأة. وهذا لا يوفر سوى قدر محدود جدًا من المعلومات حول آلية الفشل الحقيقية.

تتمثل الميزة الرئيسية لتقنيتنا في قدرتنا على تتبع آلية الفشل في الموضع (in situ) داخل المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، وسيقوم بعرض هذا الإجراء كل من إيفو دانكان، الفني المختص، ومولا، الخبيرة في تقنية المجهر الإلكتروني النافذ، وجون، طالب الدكتوراه في مختبرنا. للبدء، ارتدِ سوار معصم مضاد للاستاتيكية لمنع تلف العينة. بعد ذلك، حدد مواقع هيكل "طرف إلى طرف" على الرقاقة.

استخدم بعد ذلك قلم خدش ماسي لتقسيم الرقاقة الكاملة إلى شرائح صغيرة مربعة الشكل تبلغ أبعادها 10 millimeters by 10 millimeters تقريبًا. قم بتثبيت الشرائح على رقاقة سيليكون بمقاس ست بوصات باستخدام الشمع الساخن بواسطة آلة تقطيع. قم بنشر كل شريحة للحصول على قضبان تبلغ أبعادها 60 microns by two millimeters وتكون متمركزة على بنية الطرف إلى الطرف.

بعد ذلك، قم بلصق القضيب المستهدف على نصف حلقة نحاسية باستخدام الغراء السريع. ثم، قم بلصق القضيب على منصة عينة نحاسية، مع استخدام الغراء السريع أيضاً.

بعد ذلك، استخدم معجون الفضة لإعداد التوصيل بين نصف الحلقة ومنصة عينة النحاس. ضع العينة على منصة SEM وأدخل المنصة بعناية في المجهر. بعد ذلك، اختر وضع الترسيب لإضافة طبقة حماية من البلاتين باستخدام حزمة أيونية بجهد 30 kilovolt.

اضبط التيار ليكون حوالي 150 pico amps من أجل الحصول على كفاءة مرضية لأبعاد طبقة البلاتين المطلوبة. قم بترسيب خط من البلاتين لتوصيل إحدى منصات التلامس بالمنصة النحاسية لتكون بمثابة جهد أرضي بطريقة مماثلة. قم بترسيب طبقة سميكة من البلاتين فوق هيكل الطرف إلى الطرف.

هذا الأمر بالغ الأهمية لأنه يقلل من التلف الأيوني أثناء عملية التخفيف باستخدام حزمة الأيونات المركزة ويعزز متانة الصفائِح الرقيقة. احرص على عدم إحداث أي توصيلات موصلة بين الوسادتين في هيكل "من طرف إلى طرف" الموجود في الأعلى؛ وإلا ستتسبب في تدمير الهيكل الخاص بك.

استخدم جهداً كهربائياً قدره 30 kilovolts وتياراً قدره 10 pico amps لترقيق القضيب المستهدف وتحويله إلى قضيب على شكل حرف H. يجب أن يكون سمك رقاقة TEM بين 150 و180 nanometers. قم بعمل ثلم بالقرب من وسادة الجهد الموجب باستخدام ترقيق الحزمة الأيونية المركزة.

ستُستخدم الثلمة كعلامة لتحديد الوسادة الصحيحة في المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، حيث سيلامسها طرف محول الطاقة في المجهر الإلكتروني النافذ. ارتدِ سوار المعصم المضاد للكهرباء الساكنة قبل لمس العينة. ثم قم بإزالة عينة hbar المُحضرة من منصة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) مع إبقائها على منصة النحاس.

قم بتثبيت المنصة النحاسية على حامل مجهر TEM وحرك طرف المحول الخاص بحامل المجهر ليكون قريبًا من هيكل الاختبار تحت مجهر ضوئي. بعد ذلك، أدخل العينة في مجهر TEM مع الحرص على أن تكون مدة نقل العينة خلال 15 دقيقة أو أقل. ولتجنب التعرض المفرط للرطوبة والأكسجين في الوسط المحيط، قم بتوصيل حامل مجهر TEM بنظام التحكم الخاص به وبمقياس المصدر.

قم بعد ذلك بتشغيل كل من نظام التحكم ومقياس المصدر. ابدأ في تقريب طرف المحول بشكل عام نحو البنية المراد اختبارها عن طريق ضبط المقابض الموجودة في حامل مجهر TEM. وخلال عملية التقريب، راقب طرف المحول من خلال النافذة.

بعد ذلك، حرك طرف المحول الخاص بحامل الـ TEM ليكون على مسافة 500 nanometers من وسادة الجهد الموجبة. اجعل طرف المحول على نفس ارتفاع Z الخاص بالوسادة، ثم اضبط موضع الطرف بحيث يواجه مركز وسادة الجهد الموجبة. اضبط جهداً يتراوح من 0.5 volts إلى حوالي 1 volt على الطرف أثناء الاقتراب من وسادة الجهد الموجبة.

راقب التيار الحالي في آن واحد لمعرفة وقت حدوث التلامس. حرك حزمة الإلكترونات إلى المنطقة المستهدفة. اختر التكبير المناسب وقم بضبط تركيز الصورة.

استخدم خطوات إضاءة منخفضة لتقليل ضرر الحزمة على البنية المختبرة. استخدم أيضاً فتحة مكثف لحصر منطقة الإضاءة ضمن الجزء الرقيق فقط من عينة hbar. قم بتطبيق جهد ثابت أقل من أو يساوي 40 volts على البنية من الطرف إلى الطرف باستخدام مقياس المصدر، مع تسجيل إطارين إلى ثلاثة إطارات من صور TEM في C two.

أوقف التجربة عند ملاحظة انتشار ظاهري للمعدن في العوازل ذات ثابت السماحية المنخفض (ULK) وقم بإجراء تحليل كيميائي باستخدام التصوير الطيفي الإلكتروني. وللقيام بذلك، قم أولاً بإدخال فتحة شق المرشح في مرشح الطاقة أوميجا في المجهر الإلكتروني النافذ (TEM).

اضبط عرض فتحة شق المرشح للحصول على عرض طاقة مناسب يتراوح بين 10 إلى 20 electron volts في طيف فقدان طاقة الإلكترونات. بعد ذلك، قم بإزاحة الطاقة إلى ذروة امتصاص حافة M للنحاس في طيف فقدان طاقة الإلكترونات. عُد إلى وضع التصوير للحصول على صورة TEM مفلترة حسب الطاقة عند ذروة امتصاص حافة M للنحاس.

بعد ذلك، قم بنقل الطاقة إلى الحافة السابقة لحافة النحاس M Edge والتقط صورة أخرى لـ TEM مفلترة للطاقة، ثم قم بتصحيح انزياح العينة بين الصورتين، وبعد ذلك اقسم الصورة الأولى على الثانية للحصول على صورة نسبة القفز للنحاس. وللحصول على توزيع ثلاثي الأبعاد للمعلومات حول الجسيمات المنتشرة، قم بإمالة العينة وتسجيل سلسلة إمالة تبدأ من 138 درجة. استخدم خطوة إمالة بمقدار درجة واحدة وسجل الصور خلال كل خطوة في وضع مسح المجال المضيء.

أخيرًا، قم بإعادة بناء سلسلة الصور باستخدام التقنيات القياسية لتكوين حجم تصوير مقطعي ثلاثي الأبعاد. تظهر هنا صورة مجهر إلكتروني نافذ (TEM) بالمجال المضيء من اختبار CQ. توجد حواجز من نتريد التانتالوم مخترقة جزئيًا، وحواجز تانتالوم، وذرات نحاس موجودة مسبقًا في عوازل الموضعية الفائقة (ultra locate dielectrics). قبل الاختبار الكهربائي، وبسبب التخزين الممتد في الظروف المحيطة، بدأ الانهيار العازل بعد 376 ثانية فقط عند 40 فولت، وصاحب ذلك مساران رئيسيان لهجرة النحاس من معدن M1 الذي يمتلك جهدًا موجبًا بالنسبة إلى جانب التأريض.

تظهر جزيئات النحاس المنتشرة في العوازل فائقة الموضع أيضاً في عينة خالية من العيوب. يظل الهيكل من الطرف إلى الطرف سليماً دون أي تلف في حاجز tanin nitrite tanin لأكثر من 50 دقيقة حتى حدث الانهيار. يبدو أن ذرات المعدن قد هاجرت إلى أكسيد السيليكون من الزاوية السفلية للمعدن M1 الذي يحمل جهداً موجباً مشاراً إليه بسهم أحمر.

يثبت التحليل الكيميائي الطيفي للإلكترونات الموضح هنا وجود مسار هجرة للنحاس عند واجهة الكسر بين الطبقات. ولم يكن من الممكن الكشف عن ذلك من تباين صور المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) في المجال المضيء. وتتمثل الميزة الرئيسية لتقنيتنا في قدرتنا على تتبع آلية TDB في الموقع وعبر الـ TEM.

لقد لاحظنا أنه في حالة حدوث خرق في الحاجز، يمكن أن يحدث انتشار هائل للنحاس، وحتى في حالة وجود حاجز سليم، مثل نيتريت الألومنيوم أو الحاجز القائم على التانتالوم، رأينا أنه في أرق المواضع، يمكن أن يحدث الذوبان ومن ثم يتبعه الانتشار أيضاً. وهذا يركز بشدة على حقيقة أنه يجب التحكم في عملية تكوين الحاجز، خاصة إذا نظرنا مستقبلاً إلى تصغير أحجام المنتجات الإلكترونية.