Em ruptura dielétrica Situ dependentes do tempo no Microscópio Eletrônico de Transmissão: A possibilidade de compreender o mecanismo de falha em dispositivos microeletrônicos

O objetivo geral do seguinte experimento é aprimorar o procedimento utilizado para estudar os mecanismos de falha por ruptura dielétrica dependente do tempo e a cinética de degradação em empilhamentos de interconexão de cobre com material de ultra baixo K. Isso é alcançado por meio do projeto e fabricação de uma estrutura dedicada do tipo ponta a ponta, constituída por interconexões de cobre totalmente encapsuladas e isoladas por um material de ultra baixo K dentro de uma pastilha completa.

Como segundo passo, prepare uma amostra intacta em forma de barra H utilizando o desgaste por feixe de íons focalizados no microscópio eletrônico de varredura. Em seguida, estabeleça a conexão elétrica e realize testes elétricos in situ em um microscópio eletrônico de transmissão, para estudar a cinética de degradação e os mecanismos de falha das interconexões de cobre com empilhamentos ultrabaixos em K.

Os resultados mostram a cinética de degradação e os mecanismos de falha por ruptura dielétrica dependentes do tempo em interconexões de cobre com camadas de ultra baixo K. A análise de falhas é tipicamente realizada após o teste elétrico, que é feito no nível da pastilha, sempre em peças embaladas. Isso fornece apenas uma quantidade muito limitada de informações sobre o mecanismo de falha real.

A principal vantagem da nossa técnica é o fato de conseguirmos acompanhar o mecanismo de falha in situ no MET, o procedimento será demonstrado por Yvo Duncan, nosso técnico, Mula, nosso especialista em MT, e John, um estudante de doutorado em nosso laboratório. Para começar, coloque uma pulseira antiestática para evitar danos à amostra. Em seguida, marque as posições da estrutura ponta a ponta na pastilha.

Em seguida, utilize um riscador de diamante para clivar a pastilha inteira em pequenos chips com aproximadamente 10 milímetros por 10 milímetros quadrados. Fixe os chips em uma pastilha de silício de seis polegadas com cera quente utilizando uma máquina de corte. Corte cada chip para obter barras de 60 mícrons por dois milímetros, centradas na estrutura ponta a ponta.

Em seguida, cole a barra alvo em um semicírculo de cobre usando cola supercola. Depois, cole a barra em um estágio de amostra de cobre, também utilizando a supercola.

Em seguida, utilize pasta de prata para estabelecer a condução entre o semianel e o estágio da amostra de cobre. Coloque a amostra sobre o estágio do MEV e insira cuidadosamente o estágio no microscópio. A seguir, selecione o modo de deposição para adicionar uma camada de proteção de platina utilizando um feixe de íons de 30 quilovolts.

Ajuste a corrente para cerca de 150 picoampères para obter uma eficiência satisfatória para as dimensões desejadas da camada de platina. Deposite uma linha de platina para conectar um terminal à platina de cobre como potencial de terra de maneira semelhante. Deposite uma camada espessa de platina sobre a estrutura ponta com ponta.

Isso é muito importante, pois minimiza os danos por íons durante o processo de adelgaçamento por feixe de íons focalizado e reforça a lamela fina. Tenha cuidado para não introduzir conexões condutoras entre os dois pads da estrutura ponta a ponta na parte superior. Caso contrário, você destruirá sua estrutura.

Utilize uma voltagem de 30 kilovolts e uma corrente de 10 picoampères para afinar a barra-alvo em uma barra em forma de H. Lâmina de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) com espessura entre 150 e 180 nanômetros. Corte um entalhe próximo ao terminal de voltagem positiva utilizando o afinamento por feixe de íons focados.

O entalhe será usado como marcador para identificar o pad correto na MET e será tocado pela ponta de um transdutor no microscópio eletrônico de transmissão. Coloque a pulseira antiestática antes de tocar na amostra. Em seguida, remova a amostra hbar preparada do estágio de MEV, mantendo-a ainda sobre o estágio de cobre.

Fixe o estágio de cobre no suporte de MET e mova a ponta do transdutor do suporte de MET próximo à estrutura de teste sob um microscópio óptico. Em seguida, insira a amostra na MET com cuidado. Mantenha o tempo de transferência da amostra sempre dentro de 15 minutos ou menos. Para evitar exposição excessiva à umidade e ao oxigênio do ambiente, conecte o suporte de MET ao seu sistema de controle e ao medidor de fonte.

Em seguida, ligue tanto o sistema de controle quanto o medidor de fonte. Inicie a aproximação gradual da ponta do transdutor à estrutura de teste ajustando os botões no suporte de TEM. Durante a aproximação, monitore a ponta do transdutor na janela.

Em seguida, mova a ponta do transdutor do suporte de MET a uma distância de até 500 nanômetros do contato de voltagem positiva. Posicione a ponta do transdutor na mesma altura Z do contato e, então, ajuste a posição da ponta para que ela fique voltada para o centro do contato de voltagem positiva. Aplique um potencial de 0,5 volts a cerca de um volt na ponta enquanto se aproxima do contato de voltagem positiva.

Monitore a corrente simultaneamente para saber quando o contato for estabelecido. Mova o feixe de elétrons para a área de interesse. Escolha uma ampliação adequada e foque a imagem.

Utilize etapas de iluminação baixa para reduzir os danos do feixe na estrutura de teste. Utilize também uma abertura de condensador para localizar a área de iluminação apenas na parte fina da amostra de hbar. Aplique uma tensão constante menor ou igual a 40 volts na estrutura ponta a ponta utilizando o medidor de fonte, enquanto registra duas a três imagens do microscópio eletrônico de transmissão (TEM) em C dois.

Pare o experimento ao observar uma difusão aparente de metal nos dielétricos ULK e realize uma análise química por imagem espectroscópica de elétrons. Para isso, primeiro insira a abertura da fenda do filtro no filtro de energia ômega no MET.

Ajuste a largura da abertura do fenda do filtro para obter uma largura de energia adequada de 10 a 20 elétron-volts no espectro de perda de energia de elétrons. Em seguida, desloque a energia até o pico de absorção da borda M do cobre no espectro de perda de energia de elétrons. Retorne ao modo de imagem para adquirir uma imagem de MEV com filtragem de energia no pico de absorção da borda M do cobre.

Em seguida, ajuste a energia para a região pré-borda da borda M do cobre e obtenha outra imagem de MET com filtragem de energia, corrija a deriva da amostra entre as duas imagens e, então, divida a primeira imagem pela segunda para obter a imagem da razão de salto do cobre. Para obter uma distribuição tridimensional de informações sobre as partículas difundidas, incline a amostra e registre uma série de inclinação começando em 138 graus. Utilize um incremento de inclinação de um grau e registre imagens em cada etapa no modo de varredura em campo claro.

Finalmente, reconstrua a série de imagens utilizando técnicas padrão para formar um volume tomográfico tridimensional. Esta é uma imagem de TEM em campo claro de um teste em CQ. Há camadas de nitreto de tántalo e de tántalo parcialmente rompidas, bem como átomos de cobre preexistentes nos dielétricos ultrabaixos, antes do teste elétrico, devido ao armazenamento prolongado em condições ambientes. Após apenas 376 segundos com 40 volts, iniciou-se a ruptura dielétrica, acompanhada por duas principais vias de migração de cobre a partir do metal M1, que possuía potencial positivo em relação ao lado aterrado.

As partículas de cobre difusas nos dielétricos ultralocais também são visíveis em uma amostra impecável. A estrutura de ponta a ponta permanece intacta sem qualquer dano na barreira de tanino nitrito de tanino por mais de 50 minutos até a ruptura ocorrer. Aparenta-se que átomos metálicos migraram para o óxido de silício a partir do canto inferior do metal M1, que possui um potencial positivo indicado por uma seta vermelha.

A análise química espectroscópica de elétrons mostrada aqui comprova que existe um caminho de migração de cobre na interface de fratura entre as camadas. Isso não poderia ser detectado a partir do contraste das imagens de campo claro de MEV. A principal vantagem da nossa técnica é que somos capazes de acompanhar o mecanismo de TDB in situ e no MEV.

O que observamos foi que, no caso de uma barreira rompida, pode ocorrer uma difusão maciça de cobre, e mesmo quando há uma barreira intacta, à base de nitreto de alumínio e tântalo, verificamos que, nas posições mais finas, pode haver solução e, em seguida, também ocorre difusão. Isso reforça fortemente o fato de que o processo de barreira precisa ser controlado, especialmente se considerarmos a redução de escala de produtos não eletrônicos.