En Desglose dieléctrica Situ dependiente del tiempo en el microscopio electrónico de transmisión: una posibilidad de comprender el mecanismo de falla en los dispositivos microelectrónicos

El objetivo general del siguiente experimento consiste en mejorar el procedimiento utilizado para estudiar los mecanismos de falla por ruptura dieléctrica dependiente del tiempo y la cinética de degradación en pilas de interconexión de cobre con constante dieléctrica ultra baja. Esto se logra diseñando y fabricando una estructura dedicada de punta a punta, compuesta por interconexiones de cobre completamente encapsuladas y aisladas mediante un material con constante dieléctrica ultra baja dentro de una oblea completa.

Como segundo paso, prepare una muestra intacta en forma de barra H utilizando el adelgazamiento por haz de iones enfocados en el microscopio electrónico de barrido. A continuación, establezca la conexión eléctrica y realice pruebas eléctricas in situ en un microscopio electrónico de transmisión, con el fin de estudiar la cinética de degradación y los mecanismos de falla de las pilas de interconexión de cobre con dieléctrico ultrabajo K.

Los resultados muestran la cinética de degradación y los mecanismos de falla por ruptura dieléctrica dependientes del tiempo en pilas de interconexión de cobre con constante dieléctrica ultra baja (ultra low K). El análisis de fallas generalmente se realiza después de la prueba eléctrica, la cual se lleva a cabo a nivel de oblea, siempre en componentes empacados. Esto solo proporciona una cantidad muy limitada de información sobre el mecanismo de falla real.

La principal ventaja de nuestra técnica es que podemos seguir in situ el mecanismo de fallo en el MET; el procedimiento será mostrado por Yvo Duncan, nuestro técnico, Mula, nuestro experto en MT, y John, un estudiante de doctorado en nuestro laboratorio. Para comenzar, colóquese una pulsera antiestática para evitar daños en la muestra. A continuación, marque las posiciones de la estructura punta a punta en la oblea.

Luego, utilice un trazador de diamante para dividir la oblea completa en pequeños chips de aproximadamente 10 milímetros por 10 milímetros cuadrados. Fije los chips sobre una oblea de silicio de seis pulgadas con cera caliente utilizando una máquina cortadora. Corte cada chip para obtener barras de 60 micrómetros por dos milímetros, centradas en la estructura de punta a punta.

Luego, pegue la barra objetivo en un semianillo de cobre utilizando pegamento instantáneo. A continuación, pegue la barra en una platina muestral de cobre, también utilizando el pegamento instantáneo.

Luego, use pasta de plata para establecer la conducción entre el semianillo y la platina de muestra de cobre. Coloque la muestra sobre la platina del MEB y coloque cuidadosamente la platina dentro del microscopio. A continuación, seleccione el modo de deposición para añadir una capa de protección de platino utilizando un haz iónico de 30 kilovoltios.

Ajuste la corriente a aproximadamente 150 picoamperios para obtener una eficiencia satisfactoria para las dimensiones deseadas de la capa de platino. Deposite una línea de platino para conectar una almohadilla a la etapa de cobre como potencial de tierra de manera similar. Deposite una capa gruesa de platino encima de la estructura punta con punta.

Esto es muy importante ya que minimiza el daño por iones durante el proceso de adelgazamiento por haz de iones enfocado y refuerza la lámina delgada. Tenga cuidado de no introducir conexiones conductoras entre las dos almohadillas de la estructura de punta a punta en la parte superior. De lo contrario, destruirá su estructura.

Utilice un voltaje de 30 kilovoltios y una corriente de 10 picoamperios para adelgazar la barra objetivo en una barra en forma de H. Lámina de microscopía electrónica de transmisión (TEM) con un espesor entre 150 y 180 nanómetros. Realice una muesca cerca del pad de voltaje positivo utilizando el adelgazamiento por haz de iones enfocados.

La muesca se utilizará como marcador para identificar el pad correcto en el MET y será tocada por la punta de un transductor en el microscopio electrónico de transmisión. Póngase la pulsera antiestática antes de tocar la muestra. A continuación, retire la muestra hbar preparada del portador de SEM, manteniéndola aún sobre el portador de cobre.

Fije la platina de cobre al portamuestras de microscopía electrónica de transmisión (TEM) y acerque la punta del transductor del portamuestras a la estructura de prueba bajo un microscopio óptico. A continuación, inserte la muestra en la TEM con cuidado. Mantenga el tiempo de transferencia de la muestra dentro de los 15 minutos o menos. Para evitar una exposición excesiva a la humedad y al oxígeno ambientales, conecte el portamuestras a su sistema de control y al medidor de fuentes.

Luego encienda tanto el sistema de control como el medidor de fuente. Comience el acercamiento del extremo del transductor a la estructura de prueba ajustando los mandos en el portamuestras de TEM. Durante el acercamiento, supervise el extremo del transductor en la ventana.

A continuación, mueva la punta del transductor del portamuestras de MET a una distancia de 500 nanómetros del pad de voltaje positivo. Lleve la punta del transductor a la misma altura Z que el pad, y luego ajuste la posición de la punta para que esta quede frente al centro del pad de voltaje positivo. Establezca un potencial de 0,5 voltios a aproximadamente un voltio en la punta mientras se acerca al pad de voltaje positivo.

Monitoree la corriente simultáneamente para saber cuándo se establece el contacto. Mueva el haz de electrones hacia el área de interés. Seleccione una ampliación adecuada y enfoque la imagen.

Utilice pasos de iluminación baja para reducir el daño por haz en la estructura de prueba. También utilice una abertura de condensador para localizar el área de iluminación únicamente dentro de la parte delgada de la muestra de hbar. Aplique un voltaje constante de menos de o igual a 40 voltios en la estructura punta a punta utilizando el medidor de fuente mientras registra de dos a tres cuadros de las imágenes de TEM en C dos.

Pausar el experimento al observar una difusión aparente del metal en los dieléctricos ULK y realizar un análisis químico mediante imágenes espectroscópicas de electrones. Para ello, primero inserte la abertura de la rendija del filtro en el filtro de energía omega del MET.

Ajuste el ancho de la abertura de la ranura del filtro para obtener un ancho de energía adecuado de 10 a 20 electronvoltios en el espectro de pérdida de energía de electrones. A continuación, desplace la energía hasta el pico de absorción del borde M del cobre en el espectro de pérdida de energía de electrones. Vuelva al modo de obtención de imágenes para adquirir una imagen de TEM filtrada por energía en el pico de absorción del borde M del cobre.

Luego, cambie la energía al pre-borde del borde M del cobre y obtenga otra imagen de TEM filtrada por energía; corrija la deriva de la muestra entre las dos imágenes y, a continuación, divida la primera imagen por la segunda para obtener la imagen de la relación de salto del cobre. Para obtener una distribución tridimensional de la información sobre las partículas difundidas, incline la muestra y registre una serie de inclinaciones comenzando en 138 grados. Utilice un incremento de inclinación de un grado y registre imágenes en cada paso en el modo de exploración de campo brillante.

Finalmente, reconstruya la serie de imágenes utilizando técnicas estándar para formar un volumen tomográfico tridimensional. Esta es una imagen de microscopía electrónica de transmisión en campo brillante procedente de una prueba en CQ. Hay barreras de nitruro de tántalo y tántalo parcialmente dañadas, así como átomos de cobre preexistentes en los dieléctricos ultradelgados antes de la prueba eléctrica, debido al almacenamiento prolongado en condiciones ambientales. Tras solo 376 segundos a 40 voltios, comenzó la ruptura dieléctrica y se observaron dos vías principales de migración de cobre desde el metal M1, que tenía un potencial positivo con respecto al lado conectado a tierra.

Las partículas de cobre difundidas en los dieléctricos ultrabajos también son visibles en una muestra impecable. La estructura de punta a punta permanece intacta sin daño alguno en la barrera de tanino nitrito tanino durante más de 50 minutos hasta que ocurre la ruptura. Parece que los átomos metálicos migraron hacia el óxido de silicio desde la esquina inferior del metal M1 que tiene un potencial positivo, indicado por una flecha roja.

El análisis químico espectroscópico de electrones mostrado aquí demuestra que existe una trayectoria de migración del cobre en la interfaz de fractura entre las capas. Esto no pudo detectarse a partir del contraste de las imágenes de microscopía electrónica de transmisión en campo claro. La principal ventaja de nuestra técnica es que somos capaces de seguir el mecanismo TDB in situ y en el TEM.

Lo que observamos es que en el caso de una barrera rota, puede ocurrir una difusión masiva de cobre, e incluso cuando hay una barrera intacta, de nitruro de aluminio y basada en tántalo, vimos que en las posiciones más delgadas, puede producirse la penetración de la solución y, asimismo, sigue la difusión. Esto resalta de forma muy marcada el hecho de que el proceso de barrera debe controlarse rigurosamente, especialmente si consideramos la reducción de escala futura de productos no electrónicos.