En rupture diélectrique Situ en fonction du temps dans le microscope électronique à transmission: une possibilité de comprendre le mécanisme de panne des dispositifs microélectroniques

L'objectif général de l'expérience suivante est d'améliorer la procédure utilisée pour étudier les mécanismes de rupture par claquage diélectrique dépendant du temps et la cinétique de dégradation dans les empilements d'interconnexions en cuivre à ultra faible constante diélectrique (ultra low K). Ceci est réalisé en concevant et en fabriquant une structure dédiée de type pointe à pointe, composée d'interconnexions en cuivre entièrement encapsulées et isolées par un matériau à ultra faible K à l'intérieur d'une plaquette complète.

En tant que deuxième étape, préparez un échantillon intact de barre en H à l'aide d'un amincissement par faisceau d'ions focalisés dans un microscope électronique à balayage. Ensuite, établissez la connexion électrique et effectuez des tests électriques in situ dans un microscope électronique en transmission afin d'étudier la cinétique de dégradation et les mécanismes de défaillance des empilements d'interconnexions en cuivre à ultra faible constante diélectrique (ultra low K).

Les résultats montrent la cinétique de dégradation et les mécanismes de défaillance par claquage diélectrique dépendant du temps dans les empilements d'interconnexions en cuivre à ultra faible K. L'analyse de défaillance est généralement effectuée après le test électrique, réalisé au niveau de la plaquette, sur des composants toujours encapsulés. Cela ne fournit qu'une quantité très limitée d'informations sur le mécanisme de défaillance réel.

Le principal avantage de notre technique réside dans la possibilité de suivre in situ le mécanisme de rupture en microscopie électronique en transmission (TEM). La procédure sera démontrée par Yvo Duncan, notre technicien, Mula, notre expert en microscopie électronique en transmission, et John, un étudiant en doctorat de notre laboratoire. Commencez par porter un bracelet antistatique afin de prévenir tout dommage au niveau de l'échantillon. Ensuite, marquez les positions de la structure pointe à pointe sur la plaquette.

Ensuite, utilisez un stylet en diamant pour découper la plaquette complète en petits morceaux d'environ 10 millimètres sur 10 millimètres carrés. Fixez les morceaux sur une plaquette de silicium de six pouces à l'aide de cire chaude à l'aide d'une machine de découpage. Sciez chaque morceau pour obtenir des barrettes de 60 micromètres sur deux millimètres, centrées sur la structure d'extrémité à extrémité.

Ensuite, collez la barre cible sur un demi-anneau en cuivre à l'aide d'une colle cyanoacrylate. Puis, collez la barre sur un porte-échantillon en cuivre, en utilisant également la colle cyanoacrylate.

Ensuite, utilisez un mastic argenté pour établir la conduction entre le demi-anneau et le porte-échantillon en cuivre. Placez l'échantillon sur le porte-SEM et insérez soigneusement le porte dans le microscope. Choisissez ensuite le mode de dépôt pour ajouter une couche de protection en platine à l'aide d'un faisceau d'ions de 30 kilovolts.

Régler le courant à environ 150 picoampères afin d'obtenir une efficacité satisfaisante pour les dimensions souhaitées de la couche de platine. Déposer une ligne de platine pour relier une pastille à l'étage en cuivre servant de potentiel de masse, de manière analogue. Déposer une couche épaisse de platine sur la structure d'extrémité à extrémité.

Ceci est très important car cela minimise les dommages causés par les ions durant le processus d'amincissement par faisceau d'ions focalisés et renforce la fine lamelle. Veillez à ne pas créer de connexions conductrices entre les deux plots de la structure pointe à pointe située en haut. Sinon, vous détruirez votre structure.

Utilisez une tension de 30 kilovolts et un courant de 10 picoampères pour amincir la barre cible en une barre en forme de H. Lamelle de MET avec une épaisseur comprise entre 150 et 180 nanomètres. Découpez une encoche près du plot de tension positive à l’aide de l’affinement par faisceau d’ions focalisés.

L'encoche sera utilisée comme marqueur pour identifier la pastille correcte en MET et sera touchée par la pointe d'un transducteur dans le microscope électronique en transmission. Portez le bracelet antistatique avant de manipuler l'échantillon. Ensuite, retirez l'échantillon hbar préparé de la platine du MEB tout en le maintenant sur la platine en cuivre.

Fixez la platine en cuivre sur le porte-objet de MET et approchez la pointe du transducteur du porte-objet de MET de la structure testée sous un microscope optique. Ensuite, insérez l'échantillon dans la MET. Veillez soigneusement à ce que le transfert de l'échantillon dure 15 minutes ou moins. Pour éviter une exposition excessive à l'humidité et à l'oxygène ambiants, reliez le porte-objet de MET à son système de commande et au générateur de sources.

Ensuite, allumez à la fois le système de commande et le source-mètre. Commencez l'approche progressive de la pointe du transducteur vers la structure test en réglant les molettes du porte-TEM. Pendant l'approche, surveillez la pointe du transducteur dans la fenêtre.

Ensuite, déplacez l'extrémité du transducteur du porte-TEM à moins de 500 nanomètres de la pastille de tension positive. Amenez l'extrémité du transducteur à la même hauteur Z que la pastille, puis ajustez la position de l'extrémité pour que celle-ci soit dirigée vers le centre de la pastille de tension positive. Appliquez un potentiel de 0,5 volt à environ un volt sur l'extrémité lors de l'approche de la pastille de tension positive.

Surveillez simultanément le courant pour savoir quand le contact est établi. Déplacez le faisceau d'électrons vers la zone d'intérêt. Choisissez un grossissement approprié et faites la mise au point sur l'image.

Utilisez des niveaux d'illumination faibles pour réduire les dommages causés par le faisceau sur la structure test. Utilisez également une ouverture de condenseur pour localiser la zone d'illumination uniquement dans la partie mince de l'échantillon en forme de hbar. Appliquez une tension constante inférieure ou égale à 40 volts sur la structure extrémité à extrémité à l'aide du source meter, tout en enregistrant deux à trois images TEM en C deux.

Interrompez l'expérience lorsqu'une diffusion apparente du métal dans les diélectriques ULK est observée et effectuez une analyse chimique par imagerie spectroscopique électronique. Pour ce faire, insérez d'abord l'ouverture de fente du filtre dans le filtre d'énergie oméga du MET.

Réglez la largeur de l'ouverture de la fente du filtre pour obtenir une largeur d'énergie appropriée de 10 à 20 électronvolts dans le spectre de perte d'énergie des électrons. Ensuite, déplacez l'énergie jusqu'au pic d'absorption du seuil M du cuivre dans le spectre de perte d'énergie des électrons. Revenez ensuite au mode d'imagerie pour acquérir une image TEM filtrée en énergie au pic d'absorption du seuil M du cuivre.

Ensuite, ajustez l'énergie au pré-bord du bord M du cuivre et obtenez une autre image TEM filtrée en énergie, corrigez la dérive de l'échantillon entre les deux images, puis divisez la première image par la seconde afin d'obtenir l'image du rapport de saut du cuivre. Pour obtenir une distribution tridimensionnelle des informations concernant les particules diffusées, inclinez l'échantillon et enregistrez une série d'inclinaisons en partant de 138 degrés. Utilisez un pas d'inclinaison d'un degré et enregistrez des images à chaque étape en mode balayage en champ clair.

Enfin, reconstruisez la série d'images à l'aide de techniques standard afin de former un volume tomographique tridimensionnel. Voici une image en microscopie électronique en transmission en champ clair provenant d'un test in CQ. On observe des barrières partiellement endommagées en nitrure de tantale et en tantale, ainsi que des atomes de cuivre préexistants dans les diélectriques ultrafins, avant le test électrique, en raison d'un stockage prolongé en conditions ambiantes. Après seulement 376 secondes à 40 volts, la rupture diélectrique a commencé, accompagnée de deux voies majeures de migration du cuivre en provenance du métal M1, qui présentait un potentiel positif par rapport au côté de masse.

Les particules de cuivre diffusées dans les diélectriques ultraminces sont également visibles dans un échantillon sans défaut. La structure de bout à bout reste intacte, sans aucun dommage, dans la barrière de nitrite de tanin pendant plus de 50 minutes, jusqu'à l'apparition d'une rupture. Il semble que des atomes métalliques aient migré dans l'oxyde de silicium à partir du coin inférieur du métal M1 ayant un potentiel positif, indiqué par une flèche rouge.

L'analyse chimique spectroscopique des électrons présentée ici démontre qu'il existe un chemin de migration du cuivre à l'interface de fracture entre les couches. Cela n'aurait pas pu être détecté à partir du contraste des images TEM en champ clair. Le principal avantage de notre technique est que nous sommes capables de suivre in situ le mécanisme TDB en TEM.

Ce que nous avons observé, c'est que dans le cas d'une barrière rompue, une diffusion massive de cuivre peut se produire, et même lorsqu'il existe une barrière intacte, à base de nitrure d'aluminium et de tantale, nous avons constaté que, aux endroits les plus minces, une dissolution peut survenir, suivie également par une diffusion. Cela met très fortement l'accent sur le fait que le procédé de barrière doit être contrôlé, particulièrement si l'on envisage la réduction d'échelle des produits non électroniques.