その場での透過型電子顕微鏡での時間依存絶縁破壊：マイクロエレクトロニクスデバイスの故障メカニズムを理解することが可能

本実験の全体的な目的は、手順を改善することである。これは、銅および超低誘電率（ultra low K）インターコネクト積層構造における、時間依存絶縁破壊（TDDB）の故障メカニズムと劣化キネティクスを研究するために用いられる。これは、フルウェハー内に、完全に封止された銅インターコネクトで構成され、超低誘電率材料で絶縁された専用のチップ・ツー・チップ構造を設計および作製することによって達成される。

第2ステップとして、走査電子顕微鏡（SEM）での集束イオンビーム（FIB）薄化により、無欠陥のHバーサンプルを作製します。次に、電気的接続を確立し、透過電子顕微鏡（TEM）内でin situ電気試験を実施します。これにより、銅超低k（ultra low K）配線スタックの劣化速度論および故障メカニズムを検討します。

結果から、銅および超低k（ultra low K）配線スタックにおける劣化速度論と、時間依存絶縁破壊（TDDB）の故障メカニズムが明らかになりました。故障解析は通常、ウェハーレベルまたはパッケージ済みの部品に対して行われる電気試験後に実施されます。しかし、この方法では、真の故障メカニズムに関する情報は非常に限られています。

本手法の主な利点は、TEM内で破壊メカニズムをその場（in situ）で観察できることです。この手順については、技術者のYvo Duncan、TM専門家のMula、および当研究室の博士課程学生であるJohnが説明します。まず、試料への損傷を防ぐために、帯電防止リストストラップを装着してください。次に、ウェハー上のチップ・ツー・チップ構造の位置にマークを付けます。

次に、ダイヤモンドスクライバーを使用して、ウェハー全体を約10 mm × 10 mm正方形の小さなチップに切り出します。ダイシングマシンを用い、ホットワックスでこれらのチップを6インチシリコンウェハー上に固定します。各チップを切断し、チップ・トゥ・チップ構造の中心に位置する60 µm × 2 mmのバーを作成します。

次に、ターゲットバーを瞬間接着剤を用いて銅製の半円リングに接着します。続いて、同じく瞬間接着剤を使用して、バーを銅製サンプルステージに接着します。

次に、銀ペーストを使用して、半円リングと銅製試料ステージ間の導電性を確保します。試料をSEMステージ上に設置し、ステージを慎重に顕微鏡内に挿入します。続いて、蒸着モードを選択し、30 kilovoltのイオンビームを用いて白金保護層を形成します。

目的の白金層の寸法に対して十分な効率を得るために、電流を約150 pico ampsに調整します。同様の方法で、接地電位として1つのパッドを銅ステージに接続するための白金ラインを堆積させます。チップ・トゥ・チップ構造の上に厚い白金層を堆積させます。

これは、集束イオンビーム（FIB）による薄片化プロセスの際のイオンダメージを最小限に抑え、薄いラメラを補強するために非常に重要です。上部のチップ・トゥ・チップ構造の2つのパッド間に導電性接続が生じないように注意してください。さもなければ、構造が破壊されます。

電圧30 kV、電流10 pAを使用して、ターゲットバーをHバー状に薄片化します。TEMラメラの厚さを150 nmから180 nmの間まで調整してください。集束イオンビームによる薄片化を用いて、正極パッドの近くに切り込み（ノッチ）を入れます。

切り欠きは、TEMにおいて正しいパッドを特定するためのマーカーとして使用され、透過型電子顕微鏡内でトランスデューサーチップによって接触されます。サンプルに触れる前に、静電気防止リストストラップを装着してください。その後、準備したhbarサンプルを銅製ステージに乗せたまま、SEMステージから取り出します。

銅製ステージをTEMホルダーに固定し、光学顕微鏡下でTEMホルダーのトランスデューサチップをテスト構造に近づけます。次に、サンプルをTEMに導入します。サンプルの移送時間は、必ず15分以内に抑えてください。周囲の水分や酸素への過剰な曝露を避けるため、TEMホルダーを制御システムおよびソースメーターに接続します。

次に、制御システムとソースメータの両方の電源を入れます。TEMホルダーのノブを調整して、トランスデューサの先端をテスト構造に粗いアプローチで近づけ始めます。アプローチ中は、ウィンドウ内でトランスデューサの先端をモニターしてください。

次に、TEMホルダーのトランスデューサーチップを正電圧パッドの500 nanometers以内に移動させます。トランスデューサーチップをパッドと同じZ高さに合わせ、チップが正電圧パッドの中心に向くように位置を調整します。正電圧パッドに近づけながら、チップに0.5 voltsから約1 voltの電位を設定します。

接触が確立したタイミングを把握するため、電流を同時にモニターしてください。電子ビームを目的の領域に移動させます。適切な倍率を選択し、画像にフォーカスを合わせてください。

テスト構造へのビーム損傷を軽減するため、低照度ステップを用います。また、コンデンサー絞りを使用して、照射領域をhbarサンプルの薄い部分のみに限定させます。ソースメーターを用いて、チップ・トゥ・チップ構造に40 V以下の一定電圧を印加しながら、C2にてTEM画像を2〜3フレーム記録します。

金属がULK誘電体へ拡散していることが認められた時点で実験を停止し、電子分光イメージング化学分析を行ってください。その手順は以下の通りです。まず、TEMのオメガエネルギーフィルターにフィルタースリットアパーチャを挿入します。

フィルタースリット開口の幅を調整し、電子エネルギー損失スペクトルにおいて10から20 electron voltsの適切なエネルギー幅が得られるようにします。次に、電子エネルギー損失スペクトル上の銅のM端吸収ピークまでエネルギーをシフトさせます。イメージングモードに戻り、銅のM端吸収ピークにおけるエネルギーフィルタリングTEM像を取得します。

次に、エネルギーを銅Mエッジのプリエッジに移行させ、別のエネルギーフィルターTEM像を取得します。2つの像の間で生じた試料のドリフトを補正し、最初の像を2番目の像で除算して、銅のジャンプ比像を得ます。拡散粒子の情報の三次元分布を得るために、試料を傾斜させ、138度から開始する傾斜シリーズを記録します。傾斜ステップを1度とし、各ステップで明視野スキャンモードにて像を記録してください。

最後に、標準的な手法を用いて一連の画像を再構成し、3次元トモグラフィーボリュームを形成します。ここでは、in CQテストによる明視野TEM画像を示します。周囲環境での長期保管により、電気試験前に、部分的に破壊された窒化タンタル、タンタルバリア、および超低誘電率層（ultra low-k dielectrics）内に既存の銅原子が存在しています。40 Vでわずか376秒後に誘電体破壊が始まり、それに伴い、接地側に対して正電位を持つM1メタルからの銅の2つの主要な移行経路が生じました。

超低誘電率絶縁膜中に拡散した銅粒子は、欠陥のないサンプルにおいても確認できます。チップ間構造は、ブレークダウンが発生するまで50分以上にわたって、タンニン亜硝酸タンニンバリア内で損傷なく維持されています。赤色の矢印で示される正電位を持つM1金属の下隅から、金属原子が酸化シリコンに移行したと考えられます。

ここに示す電子分光化学分析により、層間の破断界面に銅の移行経路が存在することが証明されました。これは明視野TEM画像のコントラストからは検出できませんでした。本手法の最大の利点は、TDBメカニズムをTEM内でin situに追跡できることです。

バリアが破綻した場合、大量の銅拡散が起こり得ることが分かりました。また、アルミナ、窒化物、タンタルベースなどのバリアが健全な場合であっても、極めて薄い箇所では溶解が起こり、それに続いて拡散が生じることが確認されました。このことは、特に非電子製品のダウンサイジングを検討する場合、バリア形成プロセスの制御が極めて重要であることを強く示唆しています。