在透射电子显微镜原位时间相关的介质击穿：一种可能性，了解微电子器件的失效机理

以下实验的总体目标是改进该过程。用于研究铜、超低 K 互连堆栈中的瞬态介电击穿失效机制和退化动力学。这是通过设计和制造专用的尖端到尖端结构来实现的，该结构由完全封装的铜互连组成，并在完整晶圆内由超低 K 材料绝缘。

作为第二步，在扫描电子显微镜中使用聚焦离子束减薄制备完整的 H bar 样品。接下来，建立电气连接并在透射电子显微镜中进行原位电气测试。研究铜超低 K 互连堆栈的降解动力学和失效机制。

结果显示了铜、超低 K 互连堆栈中的退化动力学和瞬态介电击穿失效机制。失效分析通常在电气测试之后进行，电气测试是在晶圆级别完成的，始终是封装的部件。这仅提供了有关真实故障机制的非常有限的信息。

我们技术的主要优势在于我们能够在 TEM 中原位跟踪失效机制，该程序将由我们的技术人员 Yvo Duncan、我们的 TM 专家 Mula 和我们实验室的博士生 John 演示。首先，戴上防静电腕带以防止损坏样品。接下来，在晶圆上标记尖端到尖端结构的位置。

然后使用金刚石划线将整个晶圆劈成大约 10 毫米 x 10 毫米见方的小芯片。使用切割机将芯片固定在带有热蜡的 6 英寸硅片上。锯切每个芯片以获得 60 微米 x 2 毫米的棒材，并以尖端到尖端结构为中心。

然后使用强力胶将目标棒粘在铜半环上。接下来，将棒粘在铜样品台上。也使用强力胶。

然后用银浆设置半环和铜样品台之间的导通。将样品放在 SEM 载物台上，然后小心地将载物台放入显微镜中。接下来，选择沉积模式，使用 30 kV 离子束添加铂保护层。

将电流调整到 150 皮安培左右，以获得所需的铂层尺寸所需的效率。以类似的方式沉积一条铂线，将一个焊盘作为接地电位与铜级接触。在尖端到尖端结构的顶部沉积一层厚厚的铂层。

这非常重要，因为它最大限度地减少了聚焦离子束细化过程中的离子损伤，并加强了薄片。注意不要在尖端的两个焊盘之间引入任何导电连接，以形成顶部的尖端结构。否则，您将破坏您的结构。

使用 30 kV 的电压和 10 皮安的电流将目标棒细化为 H 棒。厚度在 150 到 180 纳米之间的 TEM 薄片。使用聚焦离子束减薄在正电压垫附近切一个缺口。

缺口将用作标记，以识别 TEM 中的正确焊盘，并将由透射电子显微镜中的换能器尖端接触。在接触样品之前，请戴上防静电腕带。然后从 SEM 载物台中取出制备的 hbar 样品，同时仍将其保持在铜载物台上。

将铜载物台固定在 TEM 支架上，并在光学显微镜下将 TEM 支架的换能器尖端移近测试结构。接下来，将样品插入 TEM 小心地将样品转移时间保持在 15 分钟或更短的时间内。为避免过多地暴露在环境湿气和氧气中，请将 TEM 支架连接到其控制系统和源头计。

然后打开控制系统和源电平表。通过调整 TEM 支架上的旋钮，开始从传感器尖端到测试结构的路线方法。在进近过程中，监测窗口中的换能器尖端。

接下来，将 TEM 支架的传感器尖端移动到正电压垫的 500 纳米范围内。将传感器尖端置于与焊盘相同的 Z 高度，然后调整尖端的位置，使尖端面向正电压焊盘的中心。在接近正电压焊盘时，将 0.5 伏的电位设置为尖端的 1 伏左右。

同时监控电流以了解何时建立联系。将电子束移动到感兴趣的区域。选择合适的放大倍率并专注于图像。

使用低照度台阶以减少光束对测试结构的损伤。还可以使用聚光镜孔径将照明区域定位在 hbar 样品的薄部分内。使用源仪表在针尖对针尖结构上施加小于或等于 40 伏的恒定电压，同时以 C 2 格式记录 2 到 3 帧的 TEM 图像。

当看到金属明显扩散到 ULK 电介质中时，暂停实验并进行电子光谱成像化学分析。要做到这一点。首先，将滤光片狭缝孔径插入 TEM 中的 omega 能量滤光片中。

调整滤光片狭缝孔径的宽度，以在电子能量损失谱中获得 10 到 20 电子伏特的适当能量宽度。接下来，将能量转移到电子能量损失光谱中的铜 M Edge 吸收峰。返回成像模式，在铜 M Edge 吸收峰处获取能量过滤的 TEM 图像。

然后将能量转移到铜 M Edge 的前边缘，得到另一个能量过滤后的 TEM 图像，校正样品在两个图像之间的漂移，然后将第一个图像除以第二个图像，得到铜的跳跃比图像。要获得有关扩散颗粒信息的三维分布，请倾斜样品并记录从 138 度开始的倾斜序列。使用一度的倾斜步长，并在明场扫描模式下的每一步中记录图像。

最后，使用标准技术重建一系列图像，以形成三维断层扫描体积。这是来自 CQ 测试的明场 TEM 图像。超定位电介质中存在部分突破的氮化钽、钽势垒和预先存在的铜原子在电气测试之前，由于在 40 伏电压下仅 376 秒后在环境条件下延长存储，介电击穿开始，并伴随着铜从 M1 金属的两条主要迁移路径，相对于接地侧具有正电位。

超定位电介质中的扩散铜颗粒在完美无瑕的样品中也可见。尖端到尖端的结构在 50 分钟内保持完整，在单宁亚硝酸盐单宁屏障中没有任何损坏，直到发生故障。金属原子似乎从 M1 金属的底角迁移到氧化硅中，具有由红色箭头指示的正电位。

此处显示的电子光谱化学分析证明，在层之间的断裂界面处存在铜的迁移路径。这无法从明场 TEM 图像的对比度中检测到。我们技术的主要优势在于我们能够原位遵循 TDB 机制和 TEM。

我们看到的是，在屏障被破坏的情况下，可能会发生大量的铜扩散，甚至在有一个完整的屏障的情况下，亚硝酸明矾，钽基，我们看到在最薄的位置，溶液可能会发生，然后也会扩散。这非常非常强调必须控制屏障过程这一事实，特别是如果我们前瞻性地考虑缩小非电子产品的规模。