In Situ Tijdafhankelijk Diëlektrische Breakdown in de Transmission Electron Microscope: een mogelijkheid om het faalmechanisme in Microelectronic Devices Begrijp

Het algemene doel van het volgende experiment is om de procedure te verbeteren. Het wordt gebruikt om de tijdsonafhankelijke diëlektrische doorslagmechanismen en degradatiekinetiek in koperen interconnect-stacks met een ultra-lage k-waarde te bestuderen. Dit wordt bereikt door het ontwerpen en vervaardigen van een specifieke tip-tot-tipstructuur, bestaande uit volledig ingekapselde koperen interconnects die zijn geïsoleerd door een materiaal met een ultra-lage k-waarde binnen een volledige wafer.

Bereid als tweede stap een intacte H-balkmonster voor met behulp van focused ion beam-verdunning in de scanning elektronenmicroscoop. Stel vervolgens de elektrische verbinding vast en voer in situ elektrische tests uit in een transmissie elektronenmicroscoop, om de degradatiekinetiek en faalmechanismen van de koperen ultra-low-K interconnect-stacks te bestuderen.

De resultaten tonen de degradatiekinetiek en de tijdsafhankelijke diëlektrische doorslagmechanismen in koperen, ultra-low K interconnect-stacks. Foutanalyse wordt doorgaans uitgevoerd na de elektrische test, welke wordt gedaan op waferniveau, altijd op verpakte onderdelen. Dit geeft slechts een zeer beperkte hoeveelheid informatie over het werkelijke foutmechanisme.

Het belangrijkste voordeel van onze techniek is het feit dat we het faalmechanisme in situ in de TEM kunnen volgen; de procedure zal worden gedemonstreerd door Yvo Duncan, onze technicus, Mula, onze TM-expert, en John, een promovendus in ons laboratorium. Begin met het omdoen van een antistatische polsband om schade aan het monster te voorkomen. Markeer vervolgens de posities van de tip-tot-tipstructuur op de wafer.

Gebruik vervolgens een diamantkraspen om de volledige wafer te splitsen in kleine chips van ongeveer 10 millimeter bij 10 millimeter vierkant. Bevestig de chips op een siliciumwafer van zes inch met hete was met behulp van een dicingmachine. Zaag elke chip om staafjes te verkrijgen van 60 microns bij twee millimeter die gecentreerd zijn op de tip-tot-tipstructuur.

Lijm vervolgens de target-staaf met secondelijm op een koperen halve ring. Lijm daarna de staaf ook met secondelijm op een koperen monsterhouder.

Gebruik vervolgens zilverpasta om de geleiding tussen de halve ring en de koperen monsterhouder vast te leggen. Plaats het monster op de SEM-houder en plaats de houder voorzichtig in de microscoop. Kies vervolgens de depositiemodus om een platina beschermlaag aan te brengen met een ionenbundel van 30 kilovolt.

Stel de stroom in op ongeveer 150 pico amps om een bevredigende efficiëntie te verkrijgen voor de gewenste afmetingen van de platinalaag. Deponeer op vergelijkbare wijze een platinallijn om één pad met het koperen substraat te verbinden als aardpotentiaal. Deponeer een dikke platinalaag bovenop de tip-tot-tipstructuur.

Dit is zeer belangrijk, omdat het de ionenschade tijdens het uitdunen met de gefocuste ionenbundel minimaliseert en de dunne lamella versterkt. Let erop dat u geen geleidende verbindingen aanbrengt tussen de twee pads van de tip-naar-tipstructuur aan de bovenzijde. Anders vernielt u uw structuur.

Gebruik een spanning van 30 kilovolt en een stroomsterkte van 10 picoampère om de target bar te verdunnen tot een H-bar. De TEM-lamella moet een dikte hebben tussen 150 en 180 nanometer. Snijd een inkeping vlakbij het positieve spanningscontact met behulp van focused ion beam-verdunning.

De inkeping dient als markering om het juiste kussen in de TEM te identificeren en zal in de transmissie-elektronenmicroscoop worden aangeraakt door een transducer-tip. Doe de antistatische polsband om voordat u het monster aanraakt. Verwijder vervolgens het geprepareerde hbar-monster van de SEM-houder, terwijl u het op de koperen houder laat rusten.

Bevestig de koperen stage aan de TEM-houder en breng de transducer-tip van de TEM-houder onder een optische microscoop dicht bij de teststructuur. Plaats vervolgens het monster zorgvuldig in de TEM. Zorg ervoor dat de tijd voor de monstertransfer beperkt blijft tot 15 minuten of korter. Verbind de TEM-houder met het controlesysteem en de bronmeter om overmatige blootstelling aan omgevingsvochtigheid en zuurstof te voorkomen.

Schakel vervolgens zowel het controlesysteem als de sourcemeter in. Begin de grove benadering van de transducerpunt naar de teststructuur door aan de knoppen van de TEM-houder te draaien. Monitor tijdens de benadering de transducerpunt in het venster.

Vervolgens brengt u de transducerpunt van de TEM-houder binnen 500 nanometer van het positieve spanningscontact. Breng de transducerpunt naar dezelfde Z-hoogte als het contact en stem vervolgens de positie van de punt af zodat deze naar het midden van het positieve spanningscontact is gericht. Stel een potentiaal van 0,5 volt tot ongeveer één volt in op de punt terwijl u het positieve spanningscontact nadert.

Monitor de stroom gelijktijdig om te weten wanneer er contact is gemaakt. Verplaats de elektronenbundel naar het gebied van belang. Kies een geschikte vergroting en stel de scherpte van het beeld in.

Gebruik stappen met een lage belichting om de stralingsschade aan de teststructuur te verminderen. Gebruik daarnaast een condensorapertuur om het belichtingsgebied uitsluitend tot het dunne deel van het hbar-monster te beperken. Breng met de source meter een constante spanning van minder dan of gelijk aan 40 volt aan op de tip-tot-tipstructuur, terwijl er twee tot drie frames van de TEM-beelden in C twee worden opgenomen.

Pauzeer het experiment zodra een schijnbare diffusie van metaal in de ULK-diëlektricum wordt waargenomen en voer een chemische analyse uit middels elektronenspectroscopische imaging. Doe hiervoor het volgende. Plaats eerst de filterspleetopening in het omega-energiefilter in de TEM.

Stel de breedte van de filter-spleetopening zo in dat een passende energiebreedte van 10 tot 20 electron volts wordt verkregen in het elektronenergieverliesspectrum. Verschuif vervolgens de energie naar de koper M-rand absorptiepiek in het elektronenergieverliesspectrum. Keer terug naar de beeldvormingsmodus om een energiefilter TEM-beeld op te nemen bij de koper M-rand absorptiepiek.

Verschuif vervolgens de energie naar de pre-edge van de koper M-edge en maak een tweede energiegefilterde TEM-opname, corrigeer de drift van het monster tussen de twee beelden en deel daarna het eerste beeld door het tweede om het jump ratio-beeld van koper te verkrijgen. Om een driedimensionale distributie van informatie over de gediffundeerde deeltjes te verkrijgen, kantel het monster en leg een tilt-serie vast beginnend bij 138 graden. Gebruik een kantelstap van één graad en maak bij elke stap opnames in de bright field scanning-modus.

Reconstrueer tot slot de reeks beelden met standaardtechnieken om een driedimensionaal tomografisch volume te vormen. Hier is een brightfield TEM-beeld van een in CQ-test. Er zijn gedeeltelijk doorbroken tantaalnitride- en tantaalbarrières, en reeds aanwezige koperatomen in de ultra locate-dielektrica vóór de elektrische test vanwege langdurige opslag onder omgevingsomstandigheden; na slechts 376 seconden bij 40 volt begon de diëlektrische doorslag, wat gepaard ging met twee belangrijke migratiepaden van koper vanuit het M1-metaal dat een positief potentiaal had ten opzichte van de aardzijde.

De verspreide koperdeeltjes in de ultra-locatiediëlektrica zijn ook zichtbaar in een foutloos monster. De tip-tot-tipstructuur blijft intact zonder enige beschadiging in de taninnitriet-taninbarrière gedurende meer dan 50 minuten tot het moment dat de doorslag optrad. Het lijkt erop dat metaalatomen migreerden naar het siliciumoxide vanuit de onderste hoek van het M1-metaal met een positief potentiaal, aangegeven door een rode pijl.

De hier getoonde elektronspectroscopische chemische analyse bewijst dat er een migratiepad van koper bestaat op het breukvlak tussen de lagen. Dit kon niet worden gedetecteerd aan de hand van het contrast van de bright-field TEM-beelden. Het belangrijkste voordeel van onze techniek is dat we in staat zijn om het TDB-mechanisme in situ en in de TEM te volgen.

Wat we hebben gezien is dat er bij een doorbroken barrière een massieve koperdiffusie kan optreden, en zelfs wanneer er sprake is van een intacte barrière, op basis van aluminiumnitride of tantaal, zagen we dat er op de dunste plaatsen een oplossing kan optreden waarna ook diffusie volgt. Dit benadrukt zeer sterk dat het barrièreproces strikt gecontroleerd moet worden, vooral met het oog op de verdere miniaturisering van non-elektronische producten.