Name: In Situ Zeitabhängige Dielectric Breakdown im Transmissionselektronenmikroskop: eine Möglichkeit, die Fehlermechanismus in mikroelektronischen Bauelementen Verstehen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 26 s
Description: Lernen Sie die zeitabhängige dielektrische Durchschlagsanalyse in Kupfer-Ultra-Low-K-Interconnects mittels in situ-Transmissionselektronenmikroskopie. Diese Methode ermöglicht Echtzeitbeobachtung von Degradationskinetik und Fehlermechanismen.

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Die Autoren danken Rüdiger Rosenkranz und Sven Niese (Fraunhofer IKTS-MD) für ihre Unterstützung bei der Probenvorbereitung sowie Ude Hangen, Douglas Stauffer, Ryan Major und Oden Warren (Hysitron Inc.) für ihre technische Unterstützung beim PI95 TEM-Halter. Auch die Unterstützung durch das Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) und das Dresden Center for Nanoanalysis (DCN) an der Technischen Universität Dresden wird gewürdigt.

1. Vorbereitung der Probe für die Focused Ion Beam (FIB) Verdünnung (Abbildung 1) <ol><li> Spaltung des vollständigen Wafers in kleine Chips (~ 10 mm x 10 mm) mit einem Diamantschreiber. </li><li> Markieren Sie die Positionen der &quot;Spitze-Spitze&quot; Struktur auf den Chips. </li><li> Sah den Chip mit einer Plättchenschneidmaschine in Bars von 60 um 2 mm Größe zu erhalten. Die Bar schließt die &quot;Spitze-Spitze&quot; Struktur in der Mitte. </li><li> Kleben Sie die Ziel bar auf einem Cu-Halbring mit dem Sekundenkleber. Als nächstes kleben Sie die Bar auf einer Cu Probentisch auch mit dem Sekundenkleber. Dann Nutzung Silberpaste auf die Leitung zwischen dem Halbring und der Kupferprobe Bühne. Hinweis: Bei der Handhabung der Probe, stellen Sie sicher, tragen Sie immer ein Antistatikarmband, um elektrostatische Entladungen, die die empfindliche Struktur in der Probe beschädigt werden können, zu verhindern. </li></ol> 2. FIB Verdünnung im Rasterelektronenmikroskop (Abbildung 2) <ol><li> Setzen Sie die in Schritt 1 auf eine erhaltene Proben SEM Probentisch und setzen Sie die Stufe vorsichtig in den SEM. </li><li> Wählte die Abscheidung Modus und richten Sie die Maße (Fläche und Dicke) der benötigten Pt Schutzschicht. Verwenden Sie immer eine 30 kV-Ionenstrahl, um die höchste Präzision zu erhalten. Abstimmung der Strom den zufrieden Effizienz in Abhängigkeit von den Abmessungen des benötigten Pt-Schicht zu erhalten. <ol><li> Zahlen Sie Pt Linie auf eine Unterlage zu dem Cu-Stufe (Massepotential) zu kontaktieren. Anschließend hinterlegen eine dicke Pt-Schicht auf der Oberseite der &quot;Spitze-Spitze&quot; Struktur, die sehr wichtig ist, um den Ionen Schaden während des FIB Ausdünnungsprozess zu minimieren und die dünne Lamelle zu verstärken. Dies ist ein Standardverfahren in der FIB Zubereitung verwendet. </li><li> Seien Sie vorsichtig, keine leitende Pfade zwischen den beiden Kontaktflächen auf der Oberseite des &quot;Spitze zu Spitze&quot; Struktur durch die Pt-Schicht bei der Durchführung der Pt Abscheidung vorzustellen. Jede Leiterbahn wird kurz die elektrische Schaltung (2A und B). </li></ol></li><li> FIB-Fräsen <ol><li> Verwenden Sie eine Spannung von 30 kV und einem Strom von 10 pA für den letzten Schnitt. Dünn die Ziel bar in ein H-Träger-TEM-Lamelle mit einer Dicke zwischen 150 und 180 nm. </li><li> Schneiden Sie eine Kerbe in der Nähe der Unterlage (V + pad), die durch einen Wandler in der Spitze TEM berührt wird. Verwenden Sie die Kerbe als Markierung, um die richtige Unterlage in der TEM zu identifizieren. </li></ol></li></ol> 3. Sample Transfer von der SEM auf die TEM <ol><li> Setzen Sie auf die Antistatik-Armband, bevor die Probe berührt. </li><li> Demontieren Sie die vorbereitet H-bar Probe aus dem SEM Bühne. Halten Sie die Probe auf die Cu Bühne, wenn es aus dem SEM zu entfernen. </li><li> Befestigen Sie die Cu Bühne auf die TEM Halter. Bewegen Sie den Wandler Spitze des TEM Halter in der Nähe des Teststruktur (ein paar hundert Mikrometern von der Teststruktur) unter dem Lichtmikroskop. <ol><li> Setzen Sie den Halter in die TEM TEM sorgfältig. Während der tr jede Reinigungsbehandlung (zB Plasmareinigung) nutzen Sie nichtansfer Prozess, ansonsten der Lamelle kann beeinflusst werden. </li></ol></li><li> Halten Sie die Zeit für den Probentransfer innerhalb von 15 min oder kürzer zu viel Exposition gegenüber Umgebungsfeuchtigkeit und Sauerstoff zu vermeiden. </li></ol> 4. elektrischen Anschluss (Abbildung 3) <ol><li> Schließen Sie das TEM Halter, seine Kontrollsystems und der Sourcemeter. Dann schalten Sie die Steuerung und die Sourcemeter. </li><li> Überwachen Sie die Wandlerspitze in der TEM, wenn dabei die grobe Vorgehensweise der Wandlerspitze zu der Teststruktur durch Abstimmung die Knöpfe auf der TEM Halter. <ol><li> Bewegen Sie den Wandler Spitze des TEM Halter in der Nähe der V + Pad (≤ 500 nm). Bringen Sie die Wandlerspitze auf die gleiche Höhe (Z: Höhe) als Unterlage. Stimmen Sie die Position der Spitze und stellen Sie die Spitze vor der Mitte des V + Pad. </li></ol></li><li> Kontaktieren Sie das Wandlerspitze zur V + Pad. Stellen Sie eine sehr niedrige Spannung an der Spitze (0,5 V bis 1 V), während Annäherung an die Unterlage. Überwachen Sie die aktuellen simultaneonuierlich um sicherzustellen, dass der Kontakt hergestellt ist. </li></ol> 5. In Situ TDDB Experiment <ol><li> Verwenden einer Beschleunigungsspannung von 200 kV in der TEM. Bewegen Sie den Elektronenstrahl zu dem Bereich von Interesse; Wählen Sie eine geeignete Vergrößerung und fokussieren Sie das Bild. </li><li> Verwenden geringer Beleuchtung Schritte (≤ 8), um den Strahl Schäden an der Teststruktur zu reduzieren. Verwenden Sie ein Kondensatoröffnung, um den Beleuchtungsbereich nur innerhalb des dünnen Teil der H-bar Probe zu lokalisieren. </li><li> Tragen Sie eine konstante Spannung (≤ 40 V) an der &quot;Spitze-Spitze&quot; Struktur unter Verwendung des Sourcemeter während der Aufnahme die TEM-Aufnahmen in situ (2-3 Bilder / s). Nehmen Sie die Bilder automatisch mit Hilfe eines Selbst Skript-Code, beispielsweise mit Hilfe der DigitalMicrograph Software. </li><li> Pause das Experiment beim Anblick einer scheinbaren Diffusion von Metall in die ULK Dielektrika und tun das Electron spektroskopischen Bildgebung (ESI) chemische Analyse. <ol><li> Setzen Sie den Filter in die Schlitzöffnung Omegein Energiefilter in der TEM. </li><li> Tune die Breite des Filterschlammöffnung, eine richtige Energiebreite (10-20 eV) in der Elektronenenergieverlustspektrum (EELS) zu bekommen. </li><li> Verschieben Sie die Energie an das Kupfer M-Kante Adsorption Höhepunkt in den EELS. </li><li> Zurück zum Bildgebungsmodus, um eine Energie gefiltert TEM-Bild an der Cu M-Kante Absorptionsspitze zu erwerben. </li><li> Verschieben Sie die Energie an die pre-Rand des Kupfer M-Kante und bekommen eine andere Energie gefilterte Bild TEM. </li><li> Korrigieren Sie die Drift der Probe zwischen den beiden Bildern. </li><li> Teilen Sie das erste Bild, das durch die zweite, um den Sprung Verhältnis Bild von Cu zu erhalten. </li></ol></li><li> Fahren Sie mit der TDDB Experiment: erneut eine konstante Spannung (≤ 40 V) an der &quot;Spitze-Spitze&quot; Struktur unter Verwendung des Sourcemeter und notieren Sie die TEM-Aufnahmen. </li></ol> 6. Computertomographie <ol><li> Führen TEM-Computertomographie, wenn die TDDB Experiment beendet ist, um 3D-Informationen über die Verteilung di erhaltenffused Partikel. </li><li> Kippen Sie die Probe und Aufzeichnen einer Neigungsserie von 138 °. Verwenden Sie einen Neigungsschritt von 1 °, und nehmen Sie das Bild bei jedem Schritt im Hellfeld (BF) STEM-Modus. </li><li> Rekonstruktion der Serie (das Ausrichten Bilder, Bestimmung Kippachse, Rekonstruktion Volumen und Segmentierung, um die 3D-Tomographie Volumen zu bilden). </li></ol>

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Keine konkurrierenden finanziellen Interessen.

Voraussetzung für den Erfolg in der TDDB Versuch ist gut Probenaufbereitung, insbesondere in der FIB Mahlvorgang in der SEM. Erstens muss eine dicke Pt-Schicht auf der Oberseite der &quot;Spitze-Spitze&quot; Struktur zu hinterlegen. Die Dicke und die Grße der Pt-Schicht kann durch den SEM Bediener eingestellt werden, sondern müssen drei Prinzipien folgen: (1) Die Dicke und die Größe, um den anvisierten Bereich von möglichen Ionenstrahlschäden während des gesamten Mahlprozesses zu schützen; (2) Es ist noch eine relativ d...

Da Cu-Leiterbahnen wurden zunächst in den ultra-Großintegration (ULSI) Technologie im Jahr 1997 1 eingeführt, low-k- ​​und Ultra-low-k (ULK) Dielektrika sind in die Back-End-of-line verabschiedet (BEoL) als Dämmstoffe zwischen on-Chip-Verbindungen. Die Kombination aus neuen Materialien, zB Cu für reduzierten Widerstand und Low-k / ULK Dielektrika für niedrigere Kapazität, überwindet die Effekte der erhöhten Widerstands-Kapazitäts (RC) Verzögerung durch Verbindungs ​​Maßschrumpfung 2, 3 entstehen. Jedoch wurde dieser Vorteil griffen durch die anhaltende aggressive Skalierung der Mikroelektronik in den letzten Jahren. Die Verwendung von Low-k / ULK Materialien führt in verschiedenen Herausforderungen in das Herstellungsverfahren und für die Zuverlässigkeit des Produkts, insbesondere wenn die Verbindungs ​​Tonhöhe ungefähr 100 nm oder weniger beträgt 4-6. TDDB bezieht sich auf die physikalischen Versagensmechanismus eines dielektrischen Materials als eine Funktion der Zeit,unter einem elektrischen Feld. Die TDDB Zuverlässigkeitstest wird gewöhnlich unter beschleunigten Bedingungen (erhöhte elektrische Feld und / oder erhöhter Temperatur) durchgeführt. Die TDDB in On-Chip-Verbindungsstapel ist einer der kritischsten Ausfallmechanismen für die mikroelektronischen Vorrichtungen, die bereits intensive Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit Gemeinschaft angehoben hat. Es wird auch weiterhin im Rampenlicht an Zuverlässigkeit Ingenieure seit ULK Dielektrika mit noch schwächeren elektrischen und mechanischen Eigenschaften werden in die Geräte in Spitzentechnologie-Knoten integriert sein. Dedizierte Experimente wurden durchgeführt, um den Fehlermechanismus TDDB 7-9 zu untersuchen, und ein erheblicher Aufwand investiert wurde, um Modelle, die die Beziehung zwischen dem elektrischen Feld und der Lebensdauer der Vorrichtungen 10-13 beschreiben entwickeln. Die vorhandenen Studien profitieren die Gemeinschaft der Zuverlässigkeit Ingenieure in der Mikroelektronik; jedoch viele challenges noch vorhanden sind und viele Fragen müssen noch im Detail zu beantworten. Zum Beispiel, um bewährte Modelle der physikalischen Versagensmechanismus und Abbaukinetik im TDDB Prozess zu beschreiben und die jeweiligen experimentellen Überprüfung fehlen noch. Als ein besonderer Bedarf wird eine geeignetere Modell benötigt, um die konservative √E-Modell 14 zu ersetzen. Als ein sehr wichtiger Teil des TDDB Untersuchung ist typisch Fehleranalyse vor einer beispiellosen Herausforderung, das heißt, die umfassende und harte Beweise, um die Physik der Ausfallmechanismen und Abbaukinetik zu erklären. Anscheinend Inspektion Millionen von Vias und Meter von nanoskaligen Cu Linien eine nach der anderen, und Ex-situ-Bildgebung der Ausfall Seite ist nicht die richtige Wahl, um diese Hürde Herausforderung, denn es ist sehr zeitaufwendig und nur begrenzte Informationen über die Kinetik der Schadensmechanismus bereitgestellt werden kann. Daher wurde eine dringende Aufgabe entstanden, um eine Entwicklungnd Experimente zu optimieren und um ein besseres Verfahren zu bekommen, um die Versagensmechanismen TDDB und Abbaukinetik zu studieren. In diesem Artikel zeigen wir Ihnen, eine in situ experimentelle Methodik, um die TDDB Fehlermechanismus in Cu / ULK Verbindungsstapel zu untersuchen. Eine TEM mit der Fähigkeit, mit hoher Bildqualität und der chemischen Analyse verwendet, um die kinetischen Prozess auf dedizierte Teststrukturen zu untersuchen. Die in situ-E-Test in den TEM-Experiment integriert, um einen erhöhten elektrischen Feldes an die Dielektrika bereitzustellen. Eine maßgeschneiderte &quot;Spitze-Spitze&quot; Struktur, bestehend aus vollständig gekapselt Cu-Leiterbahnen und isoliert von einem ULK Material wird in der 32-nm-CMOS-Technologie-Knoten ausgelegt. Die hier beschriebenen experimentellen Verfahren kann auch mit anderen Strukturen in der aktiven Geräte erweitert werden.

<table><tbody><tr><td>Automatische Würfelsäge</td><td>DISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Rasterelektronenmikroskop</td><td>Zeiss</td><td>Zeiss Nvision 40</td><td></td></tr><tr><td>Picoindentor</td><td>Hysitron</td><td>Hysitron Pi95</td><td></td></tr><tr><td>Keithley SourceMeter</td><td>Keithley</td><td>Keithley 2602/237</td><td></td></tr><tr><td>Transmissionselektronenmikroskop</td><td>FEI</td><td>FEI Tecnai F20</td><td></td></tr><tr><td>Transmissionselektronenmikroskop</td><td>Zeiss</td><td>Zeiss Libra 200</td><td></td></tr></tbody></table>

in situ zeitabhängige dielectric breakdown im transmissionselektronenmikroskop: eine möglichkeit, die fehlermechanismus in mikroelektronischen bauelementen verstehen

In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

Der zeitabhängige dielektrische Durchschlag (TDDB) in On-Chip-Verbindungsstapeln ist einer der kritischsten Fehlermechanismen für mikroelektronische Bauelemente. Die aggressive Skalierung der Feature-Größen, sowohl auf Geräten als auch auf Interconnects, führt zu ernsthaften Herausforderungen, um die erforderliche Produktzuverlässigkeit zu gewährleisten. Standard-Zuverlässigkeitstests und postmortale Fehleranalysen liefern nur begrenzte Informationen über die Physik der Versagensmechanismen und der Degradationskinetik. Daher ist es notwendig, neue experimentelle Ansätze und Verfahren zu entwickeln, um insbesondere die TDDB-Versagensmechanismen und die Degradationskinetik zu untersuchen. In dieser Arbeit wird eine in situ experimentelle Methodik im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) demonstriert, um die TDDB-Degradations- und Versagensmechanismen in Cu/ULK-Verbindungsstacks zu untersuchen. Hochwertige Bildgebung und chemische Analysen werden verwendet, um den kinetischen Prozess zu untersuchen. Der elektrische In-situ-Test ist in das TEM integriert, um den Dielektrika ein erhöhtes elektrisches Feld zur Verfügung zu stellen. Die Elektronentomographie wird eingesetzt, um die gerichtete Cu-Diffusion in den isolierenden Dielektrika zu charakterisieren. Dieses experimentelle Verfahren eröffnet die Möglichkeit, den Versagensmechanismus in Verbindungsstapeln mikroelektronischer Produkte zu untersuchen, und es könnte auch auf andere Strukturen in aktiven Bauelementen ausgeweitet werden.

Abbildung 4 zeigt Hellfeld (BF) TEM-Aufnahmen von einer in-situ-Test. Es sind teilweise durchbrochen TaN / Ta Barrieren und bereits bestehende Cu-Atome in den ULK Dielektrika vor dem elektrischen Test (4A) aufgrund längerer Lagerung in Umgebungs. Bereits nach 376 sec bei 40 V, die dielektrische Durchschlags begonnen und wurde mit zwei großen Migrationswege von Kupfer aus der M1 Metalls begleitet, mit einem positiven Potential mit Bezug auf das Masseseite 15-16. Die d...

Der zeitabhängige dielektrische Durchschlag (TDDB) in On-Chip-Verbindungsstapeln ist einer der kritischsten Fehlermechanismen für mikroelektronische Bauelemente. In dieser Arbeit wird die Vorgehensweise eines in situ TDDB-Experiments im Transmissionselektronenmikroskop demonstriert, das die Möglichkeit eröffnet, den Versagensmechanismus in mikroelektronischen Produkten zu untersuchen.

In Situ Zeitabhängige Dielectric Breakdown im Transmissionselektronenmikroskop: eine Möglichkeit, die Fehlermechanismus in mikroelektronischen Bauelementen Verstehen

The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, das Verfahren zu verbessern, das zur Untersuchung der zeitabhängigen Dielektrikabdurchbruch-Versagensmechanismen und der Abbaukinetik in Kupfer-Ultra-Low-k-Interconnect-Stapeln verwendet wird. Dies wird erreicht, indem eine spezielle Spitze-zu-Spitze-Struktur entworfen und hergestellt wird, die aus vollständig umhüllten Kupfer-Interconnects besteht und durch ein Ultra-Low-k-Material innerhalb einer gesamten Waferfläche isoliert ist.Als zweiten Schritt bereiten Sie eine intakte H-Bar-Probe mittels Ionenstrahldünnung im Rasterelektronenmikroskop vor. Anschließend stellen Sie die elektrische Verbindung her und führen in-situ-elektrische Messungen im Transmissionselektronenmikroskop durch, um die Abbaudynamik und Versagensmechanismen der Kupfer-Ultra-Low-K-Interconnect-Stapel zu untersuchen.Die Ergebnisse zeigen die Abbaukinetik und die zeitabhängigen dielektrischen Durchbruchversagensmechanismen in Kupfer-Ultra-Low-K-Interconnect-Stapeln. Die Fehleranalyse wird typischerweise nach dem elektrischen Test durchgeführt, der auf Wafer-Ebene erfolgt, jedoch stets an verpackten Bauteilen. Dies liefert nur eine sehr begrenzte Menge an Informationen über den eigentlichen Versagensmechanismus.Der Hauptvorteil unserer Technik liegt darin, dass wir den Versagensmechanismus in situ im TEM verfolgen können. Das Verfahren wird von Yvo Duncan, unserem Techniker, Mula, unserem TEM-Experten, und John, einem Doktoranden in unserem Labor, gezeigt. Zunächst ist ein antistatisches Armband anzulegen, um Schäden an der Probe zu vermeiden. Danach sind die Positionen der Spitze-zu-Spitze-Struktur auf dem Wafer zu markieren.Verwenden Sie dann einen Diamantschreiber, um den vollen Wafer in kleine Chips zu spalten, die etwa 10 Millimeter mal 10 Millimeter quadratisch sind. Befestigen Sie die Chips mit Heißwachs auf einem sechs Zoll großen Siliziumwafer mithilfe einer Schneidemaschine. Sägen Sie jeden Chip derart, dass Balken mit einer Größe von 60 Mikrometer mal zwei Millimeter entstehen, die mittig zur Spitze-zu-Spitze-Struktur ausgerichtet sind.Dann befestigen Sie den Zielstab mit Sekundenkleber an einem halben Kupferring. Anschließend kleben Sie den Stab ebenfalls mit Sekundenkleber auf eine Kupferprobenhalterung.Verwenden Sie anschließend Silberpaste, um die elektrische Leitung zwischen dem Halbring und der Kupferprobenhalterung herzustellen. Platzieren Sie die Probe auf der SEM-Halterung und setzen Sie die Halterung vorsichtig in das Mikroskop ein. Wählen Sie danach den Abscheidemodus, um mithilfe eines 30-Kilovolt-Ionenstrahls eine Platinschutzschicht aufzubringen.Stellen Sie den Strom auf etwa 150 Pikoa mpere ein, um eine zufriedenstellende Effizienz für die gewünschten Platin-Schichtabmessungen zu erzielen. Lagern Sie eine Platinlinie ab, um ein Pad mit der Kupferstufe als Massepotential auf ähnliche Weise zu verbinden. Bringen Sie eine dicke Platinschicht auf der Spitze-zu-Spitze-Struktur an.Dies ist sehr wichtig, da es die Ionenbeschädigung während des Dünnungsprozesses mit dem fokussierten Ionenstrahl minimiert und die dünne Lamelle verstärkt. Achten Sie darauf, keine leitenden Verbindungen zwischen den beiden Kontaktpads der Spitze-zu-Spitze-Struktur an der Oberseite einzubringen. Andernfalls zerstören Sie Ihre Struktur.Verwenden Sie eine Spannung von 30 Kilovolt und einen Strom von 10 Pikoampere, um den Zielstab zu einem H-förmigen Stab auszudünnen. TEM-Lamelle mit einer Dicke zwischen 150 und 180 Nanometern. Schneiden Sie mit Hilfe der fokussierten Ionenstrahldünnung eine Kerbe nahe dem positiven Spannungsanschluss. Die Kerbe dient als Markierung zur Identifizierung des richtigen Pads im TEM und wird von einer Transducer-Spitze im Transmissionselektronenmikroskop berührt. Legen Sie vor dem Berühren der Probe das antistatische Armband an. Entfernen Sie dann die vorbereitete hbar-Probe vom SEM-Präparat, wobei sie weiterhin auf dem Kupferträger verbleibt.Befestigen Sie die Kupferstufe am TEM-Halter und bringen Sie die Transducer-Spitze des TEM-Halters unter einem optischen Mikroskop nahe an die Teststruktur heran. Danach fügen Sie die Probe vorsichtig in das TEM ein. Achten Sie darauf, dass die Übertragungszeit der Probe 15 Minuten oder weniger beträgt. Um eine zu starke Exposition gegenüber Umgebungsfeuchtigkeit und Sauerstoff zu vermeiden, schließen Sie den TEM-Halter an sein Steuersystem und das Quellmessgerät an.Schalten Sie dann sowohl das Steuersystem als auch das Quellmessgerät ein. Beginnen Sie die Annäherung der Transducer-Spitze an die Teststruktur, indem Sie die Knöpfe am TEM-Halter justieren. Überwachen Sie während der Annäherung die Transducer-Spitze im Fenster.Bewegen Sie anschließend die Transducer-Spitze des TEM-Halters auf etwa 500 Nanometer an das positive Spannungspad heran. Bringen Sie die Transducer-Spitze auf dieselbe Z-Höhe wie das Pad und justieren Sie dann die Position der Spitze, sodass diese auf die Mitte des positiven Spannungspads ausgerichtet ist. Stellen Sie ein Potential von 0,5 Volt bis etwa einem Volt an der Spitze ein, während Sie sich dem positiven Spannungspad nähern.Überwachen Sie gleichzeitig den Strom, um zu erkennen, wann der Kontakt hergestellt ist. Bewegen Sie den Elektronenstrahl in den gewünschten Bereich. Wählen Sie eine geeignete Vergrößerung und fokussieren Sie das Bild. Verwenden Sie geringe Beleuchtungsstufen, um die Strahlenschädigung an der Teststruktur zu verringern. Nutzen Sie außerdem eine Kondensorblende, um den Beleuchtungsbereich nur auf den dünnen Teil der hbar-Probe zu begrenzen. Legen Sie eine konstante Spannung von weniger als oder gleich 40 Volt an der Tip-zu-Tip-Struktur mithilfe des Source-Meters an, während Sie zwei bis drei Bilder der TEM-Aufnahmen in C zwei aufzeichnen.Unterbrechen Sie das Experiment, wenn eine sichtbare Diffusion des Metalls in die ULK-Dielektrika auftritt, und führen Sie eine chemische Analyse mittels elektronenspektroskopischer Abbildung durch. Gehen Sie dazu folgendermaßen vor: Ziehen Sie zunächst die Filterblendenöffnung in den Omega-Energiefilter im TEM ein.Stellen Sie die Breite des Filterblendenverschlusses so ein, dass eine geeignete Energiebreite von 10 bis 20 Elektronenvolt im Elektronenenergieverlustspektrum erzielt wird. Danach verschieben Sie die Energie auf den Absorptionspeak der Kupfer-M-Kante im Elektronenenergieverlustspektrum. Wechseln Sie anschließend zurück in den Bildmodus, um ein energiefiltriertes TEM-Bild am Absorptionspeak der Kupfer-M-Kante aufzuzeichnen.Danach die Energie auf den Präkanten der Kupfer-M-Kante verschieben und ein weiteres energiefiltriertes TEM-Bild aufnehmen, den Drift der Probe zwischen den beiden Bildern korrigieren und anschließend das erste Bild durch das zweite dividieren, um das Sprungratio-Bild von Kupfer zu erhalten. Um eine dreidimensionale Verteilung der Informationen über die diffundierten Partikel zu erhalten, die Probe kippen und eine Kipp-Serie beginnend bei 138 Grad aufnehmen. Einen Kipp-Schritt von einem Grad verwenden und bei jedem Schritt Bilder im Hellfeld-Scanning-Modus aufzeichnen.Schließlich rekonstruieren Sie die Bildserie mithilfe standardmäßiger Techniken, um ein dreidimensionales tomographisches Volumen zu erhalten. Hier sehen Sie ein Hellfeld-TEM-Bild aus einem CQ-Test. Aufgrund einer verlängerten Lagerung unter Umgebungsbedingungen sind bereits vor dem elektrischen Test teilweise beschädigte Tantalnitrid- und Tantalsperren sowie vorbestehende Kupferatome in den ultradünnen Dielektrika zu erkennen. Bereits nach nur 376 Sekunden bei 40 Volt setzte der dielektrische Durchbruch ein und ging mit zwei Hauptwanderungspfaden von Kupfer aus dem M1-Metall, das gegenüber der geerdeten Seite ein positives Potential aufweist, einher.Die diffus verteilten Kupferteilchen in den ultradünnen Dielektrika sind ebenfalls in einer fehlerfreien Probe sichtbar. Die Spitze-zu-Spitze-Struktur bleibt intakt, ohne Schäden an der Tannin-Nitrit-Tannin-Barriere, über 50 Minuten lang, bis zum Durchbruch. Es scheint, dass Metallatome aus der unteren Ecke des M1-Metalls, das ein positives Potential aufweist und durch einen roten Pfeil gekennzeichnet ist, in das Siliziumdioxid eingewandert sind.Die hier gezeigte elektronenspektroskopische chemische Analyse beweist, dass ein Migrationspfad von Kupfer an der Bruchgrenzfläche zwischen den Schichten vorhanden ist. Dies konnte aus dem Kontrast der Hellfeld-TEM-Aufnahmen nicht erkannt werden. Der Hauptvorteil unserer Technik besteht darin, dass wir den TDB-Mechanismus in situ und im TEM verfolgen können.Was wir beobachtet haben, ist, dass im Fall einer durchbrochenen Barriere eine starke Kupferverschleppung auftreten kann und selbst bei einer intakten Barriere auf Basis von Aluminiumnitrid, Tantal, an den äußerst dünnen Stellen eine Lösung eintreten kann, gefolgt von einer weiteren Diffusion. Dies unterstreicht sehr, sehr stark die Tatsache, dass der Barrierprozess kontrolliert werden muss, insbesondere wenn man an die Verkleinerung nicht-elektronischer Produkte denkt.

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Forschung

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In Situ Zeitabhängige Dielectric Breakdown im Transmissionselektronenmikroskop: eine Möglichkeit, die Fehlermechanismus in mikroelektronischen Bauelementen Verstehen

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