In Situ in funzione del tempo di rottura dielettrico nel Transmission Electron Microscope: A Con possibilità di capire il meccanismo Fallimento in dispositivi microelettronici

L'obiettivo generale del seguente esperimento è migliorare la procedura utilizzata per studiare i meccanismi di rottura per breakdown dielettrico dipendente dal tempo e la cinetica di degrado nei pacchetti di interconnessione in rame con dielettrico ultra a bassa costante dielettrica (ultra low K). Questo risultato viene ottenuto progettando e realizzando una struttura dedicata di tipo punta-punta, costituita da interconnessioni in rame completamente incapsulate e isolate da un materiale ultra a bassa costante dielettrica all'interno di una wafer completa.

Come secondo passaggio, preparare un campione integro a forma di H utilizzando l'assottigliamento mediante fascio ionico focalizzato nel microscopio elettronico a scansione. Successivamente, stabilire il collegamento elettrico ed eseguire test elettrici in situ in un microscopio elettronico a trasmissione, al fine di studiare la cinetica di degrado e i meccanismi di guasto degli stack interconnessi in rame con dielettrico ultra low K.

I risultati mostrano la cinetica di degradazione e i meccanismi di guasto dielettrico dipendenti dal tempo nei pacchetti interconnessi in rame con dielettrico ultra a bassa costante dielettrica (ultra low K). L'analisi del guasto viene tipicamente eseguita dopo il test elettrico, che è condotto a livello di wafer, su componenti sempre incapsulati. Questo fornisce soltanto una quantità molto limitata di informazioni sul reale meccanismo di guasto.

Il principale vantaggio della nostra tecnica è che siamo in grado di seguire in situ il meccanismo di rottura nel microscopio elettronico a trasmissione (TEM); la procedura sarà mostrata da Yvo Duncan, il nostro tecnico, Mula, il nostro esperto in TM, e John, uno studente di dottorato del nostro laboratorio. Per iniziare, indossare un braccialetto antistatico per evitare danni al campione. Successivamente, segnare le posizioni della struttura punta-punta sulla wafer.

Quindi utilizzare uno scriba al diamante per dividere la fettina completa in piccoli chip di dimensioni approssimativamente di 10 millimetri per 10 millimetri quadrati. Fissare i chip su una fettina di silicio di sei pollici con cera calda, utilizzando una macchina per il taglio. Tagliare ogni chip per ottenere barre di 60 micron per due millimetri, centrate sulla struttura da punta a punta.

Quindi incollare la barretta bersaglio su un semianello di rame utilizzando colla istantanea. Successivamente, incollare la barretta su un portacampioni di rame, usando sempre la colla istantanea.

Quindi utilizzare una pasta conduttiva argentata per stabilire la conduzione tra il semianello e la piastra campione di rame. Posizionare il campione sulla piastra del microscopio elettronico a scansione (SEM) e inserire con attenzione la piastra nel microscopio. Successivamente, selezionare la modalità di deposizione per aggiungere uno strato protettivo di platino utilizzando un fascio ionico da 30 chilovolt.

Regolare la corrente a circa 150 picoampere per ottenere un'efficienza soddisfacente per le dimensioni desiderate dello strato di platino. Depositare una linea di platino per collegare un pad alla piastra di rame come potenziale di massa, in modo analogo. Depositare uno strato spesso di platino sulla struttura da punta a punta.

Questo è molto importante poiché riduce al minimo i danni da ioni durante il processo di affinamento con fascio ionico focalizzato e rinforza la sottile lamella. Prestare attenzione a non creare connessioni conduttive tra i due pad della struttura da punta a punta in alto. In caso contrario, si distruggerà la struttura.

Utilizzare una tensione di 30 kilovolts e una corrente di 10 picoampere per assottigliare la barra bersaglio in una barra a forma di H. Lamella per microscopia elettronica a trasmissione (TEM) con uno spessore compreso tra 150 e 180 nanometri. Praticare un intaglio vicino al pad a tensione positiva mediante assottigliamento con fascio ionico focalizzato.

La tacca verrà utilizzata come marcatore per identificare il pad corretto nel MET e sarà toccata dalla punta di un trasduttore nel microscopio elettronico a trasmissione. Indossare il braccialetto antistatico prima di toccare il campione. Successivamente, rimuovere il campione hbar preparato dalla fase del MEB, mantenendolo comunque sulla fase di rame.

Fissare la piastra di rame sul portacampioni del microscopio elettronico a trasmissione (TEM) e avvicinare la punta del trasduttore del portacampioni alla struttura in esame sotto un microscopio ottico. Successivamente, inserire il campione nel TEM, avendo cura di mantenere il tempo di trasferimento entro 15 minuti o meno. Per evitare un'eccessiva esposizione all'umidità e all'ossigeno ambientali, collegare il portacampioni del TEM al relativo sistema di controllo e al misuratore di sorgente.

Quindi accendere sia il sistema di controllo sia il misuratore di sorgente. Iniziare l'avvicinamento della punta del trasduttore alla struttura in prova regolando le manopole del supporto TEM. Durante l'avvicinamento, monitorare la punta del trasduttore nella finestra.

Successivamente, spostare la punta del trasduttore del supporto TEM entro 500 nanometri dal pad del voltaggio positivo. Portare la punta del trasduttore alla stessa altezza Z del pad, quindi regolare la posizione della punta in modo che sia rivolta verso il centro del pad del voltaggio positivo. Impostare un potenziale compreso tra 0,5 volt e circa un volt sulla punta mentre ci si avvicina al pad del voltaggio positivo.

Monitorare contemporaneamente la corrente per sapere quando viene stabilito il contatto. Spostare il fascio di elettroni sull'area di interesse. Scegliere un'ingrandimento appropriato e mettere a fuoco l'immagine.

Utilizzare passaggi di illuminazione bassa per ridurre i danni del fascio sulla struttura in esame. Usare inoltre un diaframma del condensatore per localizzare l'area di illuminazione solo nella parte sottile del campione hbar. Applicare una tensione costante inferiore o uguale a 40 volt sulla struttura tra punta e punta utilizzando il misuratore di sorgente, mentre si acquisiscono da due a tre fotogrammi delle immagini TEM in C due.

Interrompere l'esperimento quando si osserva una evidente diffusione del metallo nei dielettrici ULK ed eseguire un'analisi chimica mediante imaging spettroscopico elettronico. Per fare ciò, innanzitutto inserire l'apertura della fessura del filtro nel filtro energetico omega nel MET.

Regolare la larghezza dell'apertura della fessura del filtro per ottenere una larghezza energetica adeguata compresa tra 10 e 20 elettronvolt nello spettro di perdita di energia degli elettroni. Successivamente, spostare l'energia fino al picco di assorbimento del bordo M del rame nello spettro di perdita di energia degli elettroni. Tornare quindi alla modalità di imaging per acquisire un'immagine TEM filtrata in energia al picco di assorbimento del bordo M del rame.

Quindi spostare l'energia sul pre-edge del bordo M del rame ed acquisire un'altra immagine TEM filtrata per energia, correggere la deriva del campione tra le due immagini, quindi dividere la prima immagine per la seconda per ottenere l'immagine del rapporto di salto del rame. Per ottenere una distribuzione tridimensionale delle informazioni relative alle particelle diffuse, inclinare il campione e registrare una serie di inclinazioni a partire da 138 gradi. Utilizzare un incremento di inclinazione di un grado e acquisire immagini ad ogni passo in modalità scanning a campo chiaro.

Infine, ricostruire la serie di immagini utilizzando tecniche standard per ottenere un volume tomografico tridimensionale. Qui è mostrata un'immagine al TEM in campo chiaro proveniente da un test in CQ. Si osservano barriere di nitruro di tantalio e di tantalio parzialmente compromesse, nonché atomi di rame preesistenti nei dielettrici ultra sottili, già presenti prima del test elettrico a causa di un prolungato stoccaggio in condizioni ambientali. Dopo soli 376 secondi a 40 volt, si è verificato il breakdown dielettrico, accompagnato da due principali percorsi di migrazione del rame provenienti dal metallo M1, avente potenziale positivo rispetto al lato di massa.

Le particelle di rame diffuse nei dielettrici ultra-lavorati sono visibili anche in un campione privo di difetti. La struttura da punta a punta rimane intatta senza alcun danno nella barriera di nitrato di tannino per oltre 50 minuti, fino al verificarsi del collasso. Sembra che gli atomi metallici siano migrati nell'ossido di silicio dall'angolo inferiore del metallo M1 avente un potenziale positivo, indicato da una freccia rossa.

L'analisi chimica spettroscopica con elettroni mostrata qui dimostra che esiste un percorso di migrazione del rame all'interfaccia di frattura tra gli strati. Questo non sarebbe stato rilevabile dal contrasto delle immagini TEM in campo chiaro. Il vantaggio principale della nostra tecnica è che siamo in grado di seguire in situ il meccanismo TDB mediante TEM.

Ciò che abbiamo osservato è che nel caso di una barriera compromessa, può verificarsi una massiccia diffusione del rame e, persino nel caso di una barriera integra, a base di nitrato di alluminio e tantalio, abbiamo notato che nelle posizioni più sottili può avvenire la solubilizzazione, seguita poi da diffusione. Questo evidenzia in modo molto, molto forte il fatto che il processo di barriera debba essere controllato, specialmente se si pensa alla riduzione delle dimensioni dei prodotti non elettronici.