In Situ Zależny od czasu przewrót dielektryczny w transmisyjnym mikroskopie elektronowym: możliwość zrozumienia mechanizmu awarii w urządzeniach mikroelektronicznych

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest udoskonalenie procedury stosowanej do badania mechanizmów awarii związanych z czasowo zależnym przebiciem dielektryka oraz kinetyki degradacji w miedzianych stosach połączeń o ultra niskiej stałej dielektrycznej (ultra low K). Zostanie to osiągnięte poprzez zaprojektowanie i wykonanie specjalnej struktury typu tip-to-tip, składającej się z w pełni enkapsulowanych miedzianych połączeń izolowanych materiałem ultra low K w obrębie całego wafla.

W drugim kroku należy przygotować nienaruszoną próbkę w kształcie litery H, wykorzystując technikę cieńczenia wiązką skupionych jonów w skaningowym mikroskopie elektronowym. Następnie należy ustanowić połączenie elektryczne i przeprowadzić testy elektryczne in situ w transmisyjnym mikroskopie elektronowym, aby zbadać kinetykę degradacji oraz mechanizmy uszkodzeń miedzianych stosów połączeń o ultra niskiej stałej dielektrycznej (ultra low K).

Wyniki przedstawiają kinetykę degradacji oraz zależne od czasu mechanizmy przebicia dielektrycznego w stosach połączeń miedzianych o ultra niskiej stałej K. Analiza uszkodzeń jest zazwyczaj przeprowadzana po testach elektrycznych, które wykonuje się na poziomie wafla, a nie na częściach obudowanych. Pozwala to na uzyskanie bardzo ograniczonej ilości informacji o rzeczywistym mechanizmie uszkodzenia.

Główną zaletą naszej techniki jest fakt, że jesteśmy w stanie obserwować mechanizm uszkodzenia in situ w TEM; procedurę zaprezentują Yvo Duncan, nasz technik, Mula, nasz ekspert w zakresie TM oraz John, doktorant w naszym laboratorium. Na początek załóż antystatyczną opaskę na nadgarstek, aby zapobiec uszkodzeniu próbki. Następnie zaznacz na waflu pozycje struktur typu tip-to-tip.

Następnie za pomocą rysika diamentowego należy pociąć cały wafelek na małe płytki o wymiarach około 10 mm na 10 mm. Płytki należy przymocować do sześciocalowego wafla krzemowego za pomocą gorącego wosku, wykorzystując maszynę do dicingu. Każdą płytkę należy rozciąć tak, aby uzyskać paski o wymiarach 60 µm na 2 mm, wycentrowane względem struktury od końcówki do końcówki.

Następnie przymocuj pręt docelowy do miedzianego półpierścienia za pomocą superkleju. Następnie przyklej pręt do miedzianej podstawki na próbkę, również stosując superklej.

Następnie należy użyć pasty srebrowej, aby zapewnić przewodzenie między półpierścieniem a miedzianym stolikiem z próbką. Umieść próbkę na stoliku SEM, a następnie ostrożnie wprowadź stolik do mikroskopu. Następnie wybierz tryb osadzania, aby nanieść ochronną warstwę platyny przy użyciu wiązki jonów o energii 30 kV.

Ustaw prąd na około 150 pico amps, aby uzyskać satysfakcjonującą wydajność dla pożądanych wymiarów warstwy platyny. W podobny sposób nanieś linię z platyny, aby połączyć jedną elektrodę z miedzianą podstawką pełniącą rolę potencjału masy. Na wierzchu struktury tip-to-tip nanieś grubą warstwę platyny.

Jest to bardzo ważne, ponieważ minimalizuje uszkodzenia jonowe podczas procesuycieńniania wiązką skupionych jonów i wzmacnia cienką lamelę. Należy uważać, aby nie wprowadzić żadnych połączeń przewodzących między dwiema podkładkami struktury typu tip-to-tip na górze. W przeciwnym razie zniszczą Państwo swoją strukturę.

Aby przerobić pręt docelowy na pręt w kształcie litery H, zastosuj napięcie 30 kV i prąd 10 pA. Lamella TEM powinna mieć grubość od 150 do 180 nm. Wykonaj nacięcie w pobliżu dodatniej podkładki napięciowej, wykorzystując trawienie wiązką skupionego strumienia jonów.

Wcięcie posłuży jako znacznik do identyfikacji odpowiedniej płytki w TEM i zostanie dotknięte końcówką przetwornika w transmisyjnym mikroskopie elektronowym. Przed dotknięciem próbki załóż antystatyczną opaskę na nadgarstek. Następnie zdejmij przygotowaną próbkę hbar ze stołu SEM, pozostawiając ją na miedzianym podłożu.

Przymocuj miedziany stolik do uchwytu TEM i za pomocą mikroskopu optycznego przesuń końcówkę przetwornika uchwytu TEM w pobliże badanej struktury. Następnie wprowadź próbkę do TEM. Należy ściśle dopilnować, aby czas transferu próbki nie przekroczył 15 minut. Aby uniknąć nadmiernej ekspozycji na wilgoć i tlen z otoczenia, podłącz uchwyt TEM do systemu sterowania oraz miernika źródłowego.

Następnie włącz system sterowania oraz miernik źródła. Rozpocznij przybliżanie końcówki przetwornika do badanej struktury, regulując pokrętła uchwytnika TEM. W trakcie przybliżania monitoruj pozycję końcówki przetwornika w oknie podglądu.

Następnie przesuń końcówkę przetwornika uchwytu TEM na odległość do 500 nanometrów od dodatniego kontaktu napięciowego. Ustaw końcówkę przetwornika na tej samej wysokości Z co kontakt, a następnie skoryguj pozycję końcówki tak, aby była skierowana w stronę środka dodatniego kontaktu napięciowego. Podczas zbliżania się do dodatniego kontaktu napięciowego ustaw na końcówce potencjał od 0,5 wolta do około jednego wolta.

Monitoruj prąd jednocześnie, aby wiedzieć, kiedy nawiązano kontakt. Przesuń wiązkę elektronów do obszaru zainteresowania. Wybierz odpowiednie powiększenie i ustaw ostrość obrazu.

Należy stosować niskie stopnie naświetlania, aby zmniejszyć uszkodzenia wiązki w strukturze testowej. Należy również użyć przysłony kondensora, aby ograniczyć obszar oświetlenia wyłącznie do cienkiej części próbki hbar. Przy użyciu miernika źródłowego należy przyłożyć stałe napięcie mniejsze niż lub równe 40 voltów do struktury od czubka do czubka, rejestrując jednocześnie od dwóch do trzech klatek obrazów TEM w trybie C dwa.

Przerwij eksperyment w momencie zaobserwowania wyraźnej dyfuzji metalu w dielektryki ULK i przeprowadź chemiczną analizę obrazowania spektroskopowego elektronów. W tym celu najpierw wsuń przysłonę szczeliny filtra do filtra energii omega w TEM.

Dostrój szerokość szczeliny filtra, aby uzyskać odpowiednią szerokość energetyczną od 10 do 20 elektronowoltów w widmie strat energii elektronów. Następnie przesuń energię na szczyt absorpcji krawędzi M miedzi w widmie strat energii elektronów. Powróć do trybu obrazowania, aby uzyskać obraz TEM z filtrowaniem energii na szczycie absorpcji krawędzi M miedzi.

Następnie przesuń energię na krawędź przedprogową (pre-edge) krawędzi M miedzi i uzyskaj kolejny obraz TEM z filtrowaniem energii, skoryguj dryft próbki pomiędzy tymi dwoma obrazami, a następnie podziel pierwszy obraz przez drugi, aby otrzymać obraz stosunku skokowego (jump ratio) dla miedzi. Aby uzyskać trójwymiarowy rozkład informacji o rozproszonych cząstkach, pochyl próbkę i zarejestruj serię pochyleń zaczynając od 138 stopni. Stosuj krok pochylenia wynoszący jeden stopień i rejestruj obrazy na każdym kroku w trybie skanowania w polu jasnym.

Na koniec zrekonstruuj serię obrazów, stosując standardowe techniki, aby utworzyć trójwymiarową objętość tomograficzną. Oto obraz TEM w polu jasnym z testu in CQ. Widoczne są częściowo przebite azotki tantalu, bariery tantalowe oraz istniejące wcześniej atomy miedzi w dielektrykach ultra locate. Przed testem elektrycznym, ze względu na długotrwałe przechowywanie w warunkach otoczenia, po zaledwie 376 sekundach przy napięciu 40 V nastąpił przebicie dielektryka, któremu towarzyszyły dwie główne ścieżki migracji miedzi z metalu M1 posiadającego potencjał dodatni w odniesieniu do masy.

Rozproszone cząstki miedzi w dielektrykach ultra-lokalnych są widoczne również w próbce wolnej od wad. Struktura od wierzchołka do wierzchołka pozostaje nienaruszona, bez żadnych uszkodzeń w barierze tanin nitrytu taninu, przez ponad 50 minut, aż do momentu przebicia. Wydaje się, że atomy metalu migrowały do tlenku krzemu z dolnego narożnika metalu M1 posiadającego potencjał dodatni, co zaznaczono czerwoną strzałką.

Przedstawiona tutaj spektroskopowa analiza chemiczna elektronów dowodzi istnienia ścieżki migracji miedzi na powierzchni pęknięcia między warstwami. Nie można było tego wykryć na podstawie kontrastu obrazów TEM w jasnym polu. Główną zaletą naszej techniki jest możliwość śledzenia mechanizmu TDB in situ oraz za pomocą TEM.

Zaobserwowaliśmy, że w przypadku przerwania bariery może dojść do masywnej dyfuzji miedzi, a nawet w sytuacji, gdy bariera (na bazie azotku glinu i tantalu) pozostaje nienaruszona, w najcieńszych miejscach może dojść do rozpuszczania, za którym następuje dyfuzja. Podkreśla to w ogromnym stopniu fakt, że proces tworzenia bariery musi być ściśle kontrolowany, zwłaszcza w kontekście przyszłego skalowania w dół produktów nieelektronicznych.