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

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.