투과 전자 현미경에서 제자리 시간에 따른 절연 파괴에 : 가능성은 마이크로 전자 장치의 고장 메커니즘을 이해하기

다음 실험의 전반적인 목표는 절차를 개선하는 것입니다. 이는 구리 초저유전율(ultra low K) 상호연결 적층 구조에서 시간 의존성 유전체 파괴(TDDB) 실패 메커니즘과 열화 역학을 연구하는 데 사용됩니다. 이는 전체 웨이퍼 내에서 초저유전율 물질로 절연되고 완전히 캡슐화된 구리 상호연결로 구성된 전용 팁-투-팁(tip to tip) 구조를 설계하고 제작함으로써 달성됩니다.

두 번째 단계로, 주사 전자 현미경 내에서 집속 이온 빔 식각을 사용하여 온전한 H-bar 샘플을 제작합니다. 다음으로, 전기적 연결을 설정하고 투과 전자 현미경에서 실시간 전기 테스트를 수행합니다. 이는 구리 초저유전율(ultra low K) 상호연결 스택의 열화 역학 및 파손 메커니즘을 연구하기 위함입니다.

결과는 구리 및 초저유전율(ultra low K) 상호연결 스택에서 열화 역학과 시간에 따른 유전체 파괴 고장 메커니즘을 보여줍니다. 고장 분석은 일반적으로 웨이퍼 레벨 또는 패키지된 부품에서 수행되는 전기적 테스트 후에 이루어집니다. 이는 실제 고장 메커니즘에 대해 매우 제한적인 정보만을 제공합니다.

본 기술의 주요 장점은 TEM 내에서 파손 메커니즘을 실시간(in situ)으로 관찰할 수 있다는 점이며, 해당 절차는 테크니션인 Yvo Duncan, TM 전문가인 Mula, 그리고 저희 연구실의 박사 과정 학생인 John이 시연할 예정입니다. 우선, 샘플의 손상을 방지하기 위해 정전기 방지 손목 스트랩을 착용하십시오. 그 다음, 웨이퍼 상에 팁 대 팁(tip to tip) 구조의 위치를 표시하십시오.

그 후 다이아몬드 스크라이버를 사용하여 전체 웨이퍼를 약 10 mm × 10 mm 크기의 작은 칩으로 절단합니다. 다이싱 머신을 이용하여 6인치 실리콘 웨이퍼 위에 핫 왁스로 칩을 고정합니다. 각 칩을 절단하여 팁 투 팁(tip to tip) 구조의 중심에 위치하는 60 µm × 2 mm 크기의 바를 제작합니다.

그런 다음 순간접착제를 사용하여 구리 반고리에 타겟 바를 접착합니다. 이어서, 마찬가지로 순간접착제를 사용하여 구리 시료 스테이지 위에 바를 접착합니다.

그다음 실버 페이스트를 사용하여 반원형 링과 구리 시료 스테이지 사이의 전도성을 설정합니다. 시료를 SEM 스테이지 위에 올리고 스테이지를 현미경 속에 조심스럽게 넣습니다. 다음으로, 30 kilovolt 이온 빔을 사용하여 백금 보호층을 형성하기 위해 증착 모드를 선택합니다.

원하는 백금 층의 크기에 대해 만족스러운 효율을 얻으려면 전류를 약 150 pico amps로 조정하십시오. 이와 유사한 방식으로 하나의 패드를 접지 전위인 구리 스테이지에 접촉시키는 백금 라인을 증착하십시오. 팁-투-팁(tip to tip) 구조의 상단에 두꺼운 백금 층을 증착하십시오.

이는 집중 이온빔(FIB) 박편화 과정 중의 이온 손상을 최소화하고 얇은 라멜라(lamella)를 보강하므로 매우 중요합니다. 상단 팁-투-팁(tip-to-tip) 구조의 두 패드 사이에 전도성 연결이 생성되지 않도록 주의하십시오. 그렇지 않으면 구조물이 파손될 수 있습니다.

30 kilovolts의 전압과 10 pico amps의 전류를 사용하여 타겟 바를 H 바 형태로 얇게 만듭니다. TEM 라멜라의 두께는 150에서 180 nanometers 사이가 되도록 합니다. 집중 이온 빔 식각을 통해 양극 전압 패드 근처에 노치를 컷팅합니다.

노치는 TEM에서 올바른 패드를 식별하기 위한 마커로 사용되며, 투과전자현미경 내의 트랜스듀서 팁이 이 부분에 닿게 됩니다. 샘플을 만지기 전에 정전기 방지 손목 스트랩을 착용하십시오. 그런 다음 준비된 hbar 샘플을 구리 스테이지 위에 둔 상태 그대로 SEM 스테이지에서 분리하십시오.

구리 스테이지를 TEM 홀더에 부착하고, 광학 현미경 하에서 TEM 홀더의 트랜스듀서 팁을 테스트 구조체 근처로 이동시킵니다. 그 다음, 샘플을 TEM 내부로 삽입하십시오. 샘플 이동 시간은 15분 이내로 주의하여 유지하십시오. 주변 습기와 산소에 과도하게 노출되는 것을 방지하기 위해, TEM 홀더를 제어 시스템 및 소스 미터에 연결하십시오.

그런 다음 제어 시스템과 소스 미터를 모두 켭니다. TEM 홀더의 노브를 조정하여 트랜스듀서 팁을 테스트 구조물에 조심스럽게 접근시킵니다. 접근하는 동안 창을 통해 트랜스듀서 팁을 모니터링하십시오.

다음으로, TEM 홀더의 트랜스듀서 팁을 양극 전압 패드로부터 500 nanometers 이내로 이동시킵니다. 트랜스듀서 팁을 패드와 동일한 Z 높이로 맞춘 다음, 팁이 양극 전압 패드의 중심을 향하도록 팁의 위치를 조정합니다. 양극 전압 패드에 접근하는 동안 팁에 0.5 volts에서 약 1 volt의 전위를 설정합니다.

접촉이 이루어지는 시점을 알 수 있도록 전류를 동시에 모니터링하십시오. 전자빔을 관심 영역으로 이동시킵니다. 적절한 배율을 선택하고 이미지의 초점을 맞추십시오.

테스트 구조의 빔 손상을 줄이기 위해 저조도 단계를 사용하십시오. 또한 컨덴서 조리개를 사용하여 조명 영역이 hbar 샘플의 얇은 부분에만 국한되도록 하십시오. C two에서 2~3프레임의 TEM 이미지를 기록하는 동안 소스 미터를 사용하여 팁-팁 구조에 40V 이하의 일정 전압을 가하십시오.

금속이 ULK 유전체로 뚜렷하게 확산되는 것이 관찰되면 실험을 중단하고 전자 분광 이미징 화학 분석을 수행하십시오. 이를 위해, 먼저 TEM의 오메가 에너지 필터에 필터 슬릿 조리개를 삽입하십시오.

전자 에너지 손실 스펙트럼에서 10~20 electron volts의 적절한 에너지 폭을 얻을 수 있도록 필터 슬릿 조리개 너비를 조정하십시오. 다음으로, 전자 에너지 손실 스펙트럼의 구리 M Edge 흡수 피크로 에너지를 이동시키십시오. 다시 이미징 모드로 돌아가 구리 M Edge 흡수 피크에서 에너지 필터링된 TEM 이미지를 획득하십시오.

그 다음 에너지를 구리 M Edge의 pre edge로 이동시켜 또 다른 에너지 필터링 TEM 이미지를 얻고, 두 이미지 사이의 시료 드리프트를 보정한 후, 첫 번째 이미지를 두 번째 이미지로 나누어 구리의 jump ratio 이미지를 얻습니다. 확산된 입자에 대한 정보의 3차원 분포를 얻기 위해, 시료를 기울여 138도부터 시작하는 틸트 시리즈를 기록합니다. 틸트 단계는 1도로 설정하고 매 단계마다 명시야 스캐닝 모드에서 이미지를 기록합니다.

마지막으로, 표준 기술을 사용하여 일련의 이미지들을 재구성함으로써 3차원 단층 촬영 볼륨을 형성합니다. 다음은 in CQ 테스트에서 얻은 명시야 TEM 이미지입니다. 전기적 테스트 전, 주변 환경에서의 장기 보관으로 인해 초미세 국소 유전체 내에 부분적으로 파손된 질화탄탈륨, 탄탈륨 배리어 및 기존의 구리 원자들이 존재합니다. 40 volts에서 단 376초 후에 유전체 파괴가 시작되었으며, 접지 측을 기준으로 양의 전위를 갖는 M1 금속으로부터 두 개의 주요 구리 이동 경로가 동반되었습니다.

초미세 위치 유전체 내의 확산된 구리 입자들은 결함이 없는 샘플에서도 관찰됩니다. 팁-투-팁 구조는 절연 파괴가 일어나기 전까지 50분 이상 탄닌 나이트라이트 탄닌 배리어 내에서 손상 없이 온전하게 유지되었습니다. 빨간색 화살표로 표시된 양의 전위를 가진 M1 금속의 하단 모서리로부터 금속 원자들이 실리콘 산화물 내부로 이동한 것으로 보입니다.

여기에서 보여주는 전자 분광 화학 분석은 층 사이의 파단 계면에 구리의 이동 경로가 존재함을 증명합니다. 이는 명시야 TEM 이미지의 대비만으로는 감지할 수 없었습니다. 저희 기술의 주요 장점은 TDB 메커니즘을 TEM 내에서 실시간으로 추적할 수 있다는 점입니다.

확인된 결과에 따르면, 배리어(barrier)가 파손된 경우 대량의 구리 확산이 발생할 수 있으며, 알루미늄 질화물이나 탄탈륨 기반의 온전한 배리어가 있는 경우라도 가장 얇은 지점에서 용해가 발생한 후 확산이 뒤따를 수 있음을 알 수 있었습니다. 이는 특히 비전자 제품의 다운스케일링을 고려할 때, 배리어 공정이 반드시 정밀하게 제어되어야 한다는 점을 매우 강력하게 시사합니다.