בפילוח של טרנספורמטור Situ זמן תלוי בהילוכי אלקטרונים מיקרוסקופים: אפשרות להבין את מנגנון הכשל בהתקני מייקרו-אלקטרוניים

המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא לשפר את הפרוצדורה. הניסוי משמש למחקר מנגנוני הכשלה של פריצה דיאלקטרית תלויה בזמן וקינטיקת דגראדציה במערכי חיבורים של נחושת בעלי K נמוך במיוחד. מטרה זו מושגת על ידי תכנון וייצור של מבנה ייעודי מסוג tip to tip המורכב מחיבורי נחושת עטופים לחלוטין ומבודדים על ידי חומר בעל K נמוך במיוחד בתוך פרוסה שלמה (wafer).

בשלב השני, הכין דגימת סרט בצורת H (H bar) שלמה באמצעות דילול באמצעות קרן יונים ממוקדת (focused ion beam thinning) במיקרוסקופ אלקטרונים סורק. לאחר מכן, ביסס את החיבור החשמלי ובצע בדיקות חשמליות in situ במיקרוסקופ אלקטרונים חודר. זאת כדי לחקור את קינטיקת הפירוק ומנגנוני הכשל של שכבות הקישור של נחושת בעלת דיאלקטריות נמוכה במיוחד (copper ultra low K interconnect stacks).

התוצאות מראות את קינטיקת הפירוק ואת מנגנוני הכשל של פריצה דיאלקטרית תלויה בזמן במערכי חיבורים של נחושת עם קבוע דיאלקטרי נמוך במיוחד (ultra low K). ניתוח כשלים מבוצע בדרך כלל לאחר הבדיקה החשמלית, המתבצעת ברמת הפרוסה (wafer) או תמיד בחלקים ארוזים. דבר זה מספק כמות מוגבלת מאוד של מידע על מנגנון הכשל האמיתי.

היתרון העיקרי של הטכניקה שלנו הוא העובדה שאנו מסוגלים לעקוב אחר מנגנון הכשל in situ ב-TEM; ההליך יוצג על ידי Yvo Duncan, הטכנאי שלנו, Mula, מומחה ה-TM שלנו, ו-John, סטודנט לדוקטורט במעבדה שלנו. ראשית, הרכיבו רצועת פרק כף יד אנטיסטטית כדי למנוע נזק לדגימה. לאחר מכן, סמנו את מיקומי מבנה ה-tip to tip על גבי הווייפר.

לאחר מכן, השתמשו בסקרייבר יהלום כדי לשבור את כל הפרוסה לשבבים קטנים שגודלם הוא בערך 10 מילימטרים על 10 מילימטרים ריבוע. קבעו את השבבים על פרוסת סיליקון של שש אינצ'ים באמצעות שעווה חמה בעזרת מכונת חיתוך (dicing machine). חתכו כל שבב כדי לקבל מוטות שגודלם 60 מיקרון על שני מילימטרים, אשר ממוקמים במרכז מבנה הקצה-לקצה (tip to tip).

לאחר מכן, הדביקו את מוט המטרה על חצי טבעת נחושת באמצעות דבק מהיר (super glue). לאחר מכן, הדביקו את המוט על במה לדגימות נחושת, שוב באמצעות הדבק המהיר.

לאחר מכן, השתמשו במשאחת כסף כדי להבטיח מוליכות בין חצי הטבע לבין במהבת הנחושת של הדגימה. הניחו את הדגימה על במת ה-SEM והכניסו את הבמה בזהירות לתוך המיקרוסקופ. לאחר מכן, בחרו במצב השקיעה כדי להוסיף שכבת הגנה של פלטינה באמצעות קרן יונים של 30 kilovolt.

כוון את הזרם לכ-150 pico amps כדי להשיג יעילות מספקת עבור ממדי שכבת הפלטינה הרצויים. השב קו פלטינה כדי לחבר פד אחד לבמת הנחושת כפוטנציאל האדמה באופן דומה. השב שכבת פלטינה עבה על גבי מבנה ה-tip to tip.

דבר זה חשוב מאוד כיוון שהוא ממזער את נזקי היונים במהלך תהליך הדילול באמצעות קרן יונים ממוקדת (FIB) ומחזק את הלמלה הדקה. הקפידו לא ליצור קשרים מוליכים בין שתי המגשריות (pads) של מבנה הקצה-לקצה בחלק העליון. אחרת, תהרסו את המבנה שלכם.

השתמש במתח של 30 kilovolts ובזרם של 10 pico amps כדי לדקק את מוט המטרה לצורת H. למלה של TEM בעובי שבין 150 ל-180 nanometers. חתוך חריץ קרוב למסרת המתח החיובית באמצעות דיקוק בקרן יונים ממוקדת (FIB).

המגרעת תשמש כסימן לזיהוי הפד הנכון ב-TEM וستנגע על ידי קצה של מתמר במיקרוסקופ האלקטרונים חודר. יש להניח את רצועת פרק כף היד האנטי-סטטית לפני נגיעה בדגימה. לאחר מכן, הוצא את דגימת ה-hbar המוכנה מבמת ה-SEM, תוך השארתה על במת הנחושת.

חבר את במה הנחושת למחזיק ה-TEM והזז את קצה המתמר של מחזיק ה-TEM קרוב למבנה הבדיקה תחת מיקרוסקופ אופטי. לאחר מכן, הכנס את הדגימה ל-TEM. הקפד כי זמן העברת הדגימה לא יעלה על 15 דקות. כדי למנוע חשיפה מרובה ללחות וחמצן מהסביבה, חבר את מחזיק ה-TEM למערכת הבקרה שלו ולמד המקור (source meter).

לאחר מכן, הדליקו את מערכת הבקרה ואת מד המקור. התחילו בקירוב הגס של קצה המתמר למבנה הבדיקה על ידי סיבוב הכפתורים במחזיק ה-TEM. במהלך הקירוב, עקבו אחר קצה המתמר דרך החלון.

לאחר מכן, העבירו את קצה המתמר של מחזיק ה-TEM למרחק של עד 500 nanometers מהמגע בעל המתח החיובי. הביאו את קצה המתמר לאותו גובה Z של המגע, ולאחר מכן כווניו את מיקום הקצה כך שיפנה למרכז המגע בעל המתח החיובי. הגדירו פוטנציאל של 0.5 volts עד לכשעה volt על הקצה בזמן ההתקרבות למגע בעל המתח החיובי.

עקבו אחר הזרם בו-זמנית כדי לדעת מתי נוצר קשר. העבירו את אלומת האלקטרונים לאזור המעניין. בחרו הגדלה מתאימה ומקדו את התמונה.

השתמשו בשלבי תאורה חלשה כדי להפחית את נזקי הקרינה למבנה הבדיקה. כמו כן, השתמשו במפתח קונדנסור כדי למקם את אזור התאורה רק בתוך החלק הדק של דגימת ה-hbar. הגבילו מתח קבוע של עד 40 volts למבנה הטיפ-טיפ (tip to tip) באמצעות מד המקור (source meter), תוך כדי הקלטה של שניים עד שלושה פריימים של תמונות TEM ב-C two.

הפסיקו את הניסוי כאשר נצפית דיפוזיה נראית של מתכת אל תוך הדיאלקטריים מסוג ULK ובצעו ניתוח כימי באמצעות דימוי ספקטרוסקופי של אלקטרונים. כדי לעשות זאת, הכניסו תחילה את מפתח חריץ המסנן אל תוך מסנן האנרגיה omega ב-TEM.

כוון את רוחב מפתח חריץ המסנן כדי להשיג רוחב אנרגיה מתאים של 10 עד 20 electron volts בספקטרום אובדן האנרגיה של האלקטרונים. לאחר מכן, הזז את האנרגיה לשיא הבליעה של copper M Edge בספקטרום אובדן האנרגיה של האלקטרונים. חזור למצב הדמיה כדי לרכוש תמונת TEM מסוננת אנרגטית בשיא הבליעה של copper M Edge.

לאחר מכן, העבירו את האנרגיה לקצה הקדמי (pre edge) של ה-M Edge של הנחושת והשיגו תמונת TEM נוספת עם סינון אנרגיה, תקנו את הסחיפה (drift) של הדגימה בין שתי התמונות, ולאחר מכן חלקו את התמונה הראשונה בשנייה כדי לקבל את תמונת יחס הקפיצה (jump ratio) של הנחושת. כדי להשיג התפלגות תלת-ממדית של מידע על החלקיקים המפוזרים, הטו את הדגימה והקליטו סדרת הטיה החל מ-138 מעלות. השתמשו במדרגת הטיה של מעלה אחת והקליטו תמונות בכל שלב במצב סריקה של שדה בהיר (bright field scanning mode).

לבסוף, שחזרו את סדרת התמונות באמצעות טכניקות סטנדרטיות כדי ליצור נפח טומוגרפי תלת-ממדי. להלן תמונת TEM בשדה בהיר מבדיקת CQ. קיימים פריצות חלקיות בניטריד טנטלום, מחסומי טנטלום ואטומי נחושת קיימים בדיאלקטרים של ה-ultra locate לפני הבדיקה החשמלית בשל אחסון ממושך בתנאים סביבתיים; לאחר 376 שניות בלבד במתח של 40 וולט, התחיל פריצת הדיאלקטריק, ואליה התלווה תהליך נדידה של נחושת בשני נתיבים מרכזיים מהמתכת M1 בעלת פוטנציאל חיובי ביחס לצד ההארקה.

חלקיקי הנחושת המפוזרים בדיאלקטריים של ה-ultra locate נראים גם בדגימה ללא פגמים. המבנה מקצה לקצה נשאר שלם ללא כל נזק במחסום ה-tanin nitrite tanin למשך יותר מ-50 דקות עד להתרחשות הפריצה. נראה כי אטומי מתכת נדדו אל תוך הסיליקון תת-חמצני מהפינה התחתונה של מתכת M1 בעלת פוטנציאל חיובי, המסומנת בחץ אדום.

הניתוח הכימי הספקטרוסקופי האלקטרוני המוצג כאן מוכיח כי קיים נתיב נדידה של נחושת בממשק השבר בין השכבות. דבר זה לא היה ניתן לזיהוי באמצעות הניגודיות של תמונות TEM בשדה בהיר. היתרון המרכזי של הטכניקה שלנו הוא היכולת לעקוב אחר מנגנון ה-TDB ב-situ וב-TEM.

ראינו כי במקרה של פריצה במחסום, עלולה להתרחש דיפוזיה מסיבית של נחושת, ואפילו במקרה של מחסום תקין, כגון על בסיס tantalum או alum nitrite, ראינו שבנקודות הדקות ביותר עלולה להתרחש פריצה, ולאחריה תתרחש גם דיפוזיה. עובדה זו מדגישה מאוד את הצורך בשליטה בתהליך יצירת המחסום, במיוחד כאשר חושבים על צמצום ממדים של מוצרים אלקטרוניים.