В Ситу Время-зависимой пробой диэлектрика в просвечивающий электронный микроскоп: возможность понять механизм Отказ в микроэлектронных устройств

Общая цель следующего эксперимента заключается в совершенствовании процедуры, используемой для изучения механизмов отказа при временном диэлектрическом пробое и кинетики деградации в межсоединениях из меди с ультранизкой диэлектрической проницаемостью (ultra low K). Это достигается путем проектирования и изготовления специальной структуры «кончик-кончик», состоящей из полностью инкапсулированных медных межсоединений, изолированных материалом с ультранизкой диэлектрической проницаемостью внутри целой пластины.

На втором этапе с помощью фокусированного ионного пучка в сканирующем электронном микроскопе подготовьте целостный образец в форме H-образной балки. Затем установите электрические контакты и проведите электрические испытания in situ в просвечивающем электронном микроскопе, чтобы изучить кинетику деградации и механизмы разрушения медных межсоединений с ультранизкой диэлектрической проницаемостью (ultra low K).

Результаты демонстрируют кинетику деградации и зависящие от времени механизмы диэлектрического пробоя в межсоединениях из меди с ультранизкой диэлектрической проницаемостью (ultra low K). Анализ отказов обычно проводится после электрических испытаний, которые выполняются на уровне пластины или на готовых корпусных деталях. Такой подход дает очень ограниченный объем информации об истинном механизме отказа.

Основным преимуществом нашего метода является возможность наблюдения за механизмом разрушения in situ в ПЭМ; процедуру продемонстрируют Иво Дункан, наш техник, Мула, наш эксперт по ПЭМ, и Джон, аспирант нашей лаборатории. Для начала наденьте антистатический браслет, чтобы предотвратить повреждение образца. Затем отметьте положения структур «кончик-кончик» на пластине.

Затем с помощью алмазного резца разделите всю пластину на небольшие фрагменты размером примерно 10 мм на 10 мм. Закрепите фрагменты на шестидюймовой кремниевой пластине с помощью горячего воска, используя станок для резки. Располите каждый фрагмент так, чтобы получить полоски размером 60 мкм на 2 мм, центрированные по структуре «кончик-кончик».

Затем приклейте целевой стержень к медной полукольцевой опоре с помощью суперклея. После этого приклейте стержень к медной подложке для образца, также используя суперклей.

Затем с помощью серебряной пасты обеспечьте электропроводность между полукольцом и медным столиком для образцов. Поместите образец на столик СЭМ и осторожно установите столик в микроскоп. Далее выберите режим напыления, чтобы нанести защитный слой платины с помощью ионного пучка с напряжением 30 kV.

Настройте ток примерно на 150 пА, чтобы достичь удовлетворительной эффективности для получения платинового слоя желаемых размеров. Аналогичным образом нанесите платиновую линию, соединяющую одну контактную площадку с медным основанием в качестве заземления. Нанесите толстый слой платины поверх структуры «кончик-кончик».

Это очень важно, так как позволяет минимизировать ионные повреждения в процессе истончения с помощью сфокусированного ионного пучка и укрепляет тонкую ламеллю. Следите за тем, чтобы не создать никаких проводящих соединений между двумя контактными площадками структуры «кончик-кончик» сверху. В противном случае вы разрушите свою структуру.

Для истончения целельного стержня до формы Н-образной перемычки используйте напряжение 30 kilovolts и ток 10 pico amps. Толщина ламели для TEM должна составлять от 150 до 180 nanometers. С помощью метода фокусированного ионного пучка сделайте надрез рядом с контактной площадкой положительного напряжения.

Выемка будет использоваться в качестве метки для идентификации нужной площадки в ПЭМ и будет касаться наконечника преобразователя в просвечивающем электронном микроскопе. Перед тем как прикасаться к образцу, наденьте антистатический браслет. Затем снимите подготовленный образец hbar со столика СЭМ, не снимая его с медного держателя.

Закрепите медный предметный столик на держателе ПЭМ и с помощью оптического микроскопа переместите наконечник преобразователя держателя ПЭМ вплотную к исследуемой структуре. Затем осторожно вставьте образец в ПЭМ. Старайтесь, чтобы время переноса образца не превышало 15 минут. Чтобы избежать избыточного воздействия влаги и кислорода из окружающей среды, подключите держатель ПЭМ к системе управления и источнику питания с измерителем.

Затем включите систему управления и вольтметр источника. Начните грубое приближение острия датчика к исследуемой структуре, вращая ручки держателя ПЭМ. В процессе приближения наблюдайте за острьем датчика в окне.

Затем переместите кончик преобразователя держателя ТЕМ на расстояние до 500 nanometers от площадки положительного напряжения. Приведите кончик преобразователя к той же высоте по оси Z, что и площадка, а затем отрегулируйте положение кончика так, чтобы он был направлен в центр площадки положительного напряжения. При приближении к площадке положительного напряжения установите на кончике потенциал от 0.5 volts до примерно одного volt.

Одновременно контролируйте силу тока, чтобы определить момент установления контакта. Переместите электронный луч в интересующую область. Выберите подходящее увеличение и сфокусируйте изображение.

Используйте шаги с низкой интенсивностью освещения, чтобы уменьшить повреждение пучком исследуемой структуры. Также используйте апертуру конденсора, чтобы локализовать область освещения только в пределах тонкой части образца в форме h-перекладины. Прикладывайте постоянное напряжение не более 40 вольт к структуре «кончик-кончик» с помощью источника питания с измерителем, записывая при этом два-три кадра ПЭМ-изображений в C two.

При обнаружении явной диффузии металла в диэлектрики ULK приостановите эксперимент и проведите химический анализ методом электронной спектроскопической визуализации. Для этого сначала вставьте апертуру щели фильтра в омега-энергетический фильтр ПЭМ.

Отрегулируйте ширину щели фильтра так, чтобы получить соответствующую ширину по энергии от 10 до 20 electron volts в спектре потерь энергии электронов. Затем сместите энергию на пик поглощения M-края меди в спектре потерь энергии электронов. Вернитесь в режим получения изображений, чтобы получить ПЭМ-изображение с фильтрацией по энергии на пике поглощения M-края меди.

Затем переведите энергию на область перед краем M-поглощения меди и получите еще одно ПЭМ-изображение с фильтрацией по энергии; скорректируйте дрейф образца между двумя изображениями, а затем разделите первое изображение на второе, чтобы получить изображение коэффициента скачка для меди. Для получения трехмерного распределения информации о диффузных частицах наклоните образец и запишите серию наклонов, начиная со 138 градусов. Используйте шаг наклона в один градус и записывайте изображения на каждом шаге в режиме сканирующего светлопольного метода.

Наконец, реконструируйте серию изображений с использованием стандартных методов для формирования трехмерного томографического объема. Перед вами ПЭМ-изображение в светлом поле, полученное в ходе теста на CQ. Здесь видны частично разрушенные барьеры из нитрида тантала и тантала, а также ранее существовавшие атомы меди в диэлектриках ultra locate. Перед проведением электрического теста, из-за длительного хранения в условиях окружающей среды, спустя всего 376 секунд при напряжении 40 вольт начался пробой диэлектрика, который сопровождался образованием двух основных путей миграции меди из металла M1, имеющего положительный потенциал относительно заземления.

Диффузионные частицы меди в ультралокальных диэлектриках также видны в безупречном образце. Структура от контакта до контакта остается неповрежденной в барьере из нитрита танина более 50 минут, до момента пробоя. По всей видимости, атомы металла мигрировали в оксид кремния из нижнего угла металла M1, имеющего положительный потенциал, который отмечен красной стрелкой.

Представленный здесь электронный спектроскопический химический анализ доказывает наличие пути миграции меди на границе раздела разлома между слоями. Это не удалось обнаружить по контрасту ПЭМ-изображений в светлом поле. Основным преимуществом нашего метода является возможность наблюдения за механизмом TDB in situ с помощью ПЭМ.

Мы заметили, что в случае нарушения целостности барьера может происходить массивная диффузия меди, и даже при наличии неповрежденного барьера на основе нитрида алюминия и тантала мы наблюдали, что в самых тонких местах может произойти растворение, за которым также следует диффузия. Это подчеркивает исключительную важность контроля процесса нанесения барьера, особенно с учетом перспективы уменьшения размеров неэлектронных изделий.