Transmisyon Elektron Mikroskobu Situ Zamana bağlı Dielektrik Dağılımı In: Bir imkanı Mikroelektronik aygıtlar Başarısızlık Mekanizması Anlayın

Özet

The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. This paper demonstrates the procedure of an in situ TDDB experiment in the transmission electron microscope, which opens a possibility to study the failure mechanism in microelectronic products.

Özet

The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. The aggressive scaling of feature sizes, both on devices and interconnects, leads to serious challenges to ensure the required product reliability. Standard reliability tests and post-mortem failure analysis provide only limited information about the physics of failure mechanisms and degradation kinetics. Therefore it is necessary to develop new experimental approaches and procedures to study the TDDB failure mechanisms and degradation kinetics in particular. In this paper, an in situ experimental methodology in the transmission electron microscope (TEM) is demonstrated to investigate the TDDB degradation and failure mechanisms in Cu/ULK interconnect stacks. High quality imaging and chemical analysis are used to study the kinetic process. The in situ electrical test is integrated into the TEM to provide an elevated electrical field to the dielectrics. Electron tomography is utilized to characterize the directed Cu diffusion in the insulating dielectrics. This experimental procedure opens a possibility to study the failure mechanism in interconnect stacks of microelectronic products, and it could also be extended to other structures in active devices.

Giriş

Cu ara bağlantıları öncelikle 1997 ¹ ultra-büyük ölçekli entegrasyon (ULSI) teknolojisi girmiştir beri, düşük k ve ultra-düşük-k (Ulk) dielektrikler arka uç-of-line içine (BEoL) kabul edilmiştir on-chip bağlantılarının arasında yalıtım malzemesi olarak. örneğin, yeni malzemeler, kombinasyonu, Cu, indirgenmiş direnci ve daha düşük olan kapasitans düşük-k / Ulk dielektrikler, boyutsal ara bağlantı çekme ^{2, 3} kaynaklanan gecikme artan direnç kapasitör (RC) etkilerini ortadan kaldıran için. Bununla birlikte, bu yararı işgal edilmiştir Son yıllarda mikroelektronik cihazların devam agresif pullanma ile. imalat işleminde ve ürün güvenilirliği için çeşitli zorluklar düşük k / Ulk malzemelerinin kullanımı, ara-bağlantı sahası 100 nm ya da daha az ^4-6 ulaştığında, özellikle.

TDDB zamanın bir fonksiyonu olarak bir dielektrik malzemenin fiziki başarısızlık mekanizması değinmektedirbir elektrik alanı altında. TDDB güvenilirlik testi genellikle hızlandırılmış koşullar (yüksek elektrik alanı ve / veya yüksek bir sıcaklıkta) altında gerçekleştirilir.

Bağlantı yığınlarının on-chip in TDDB zaten güvenilirlik toplumda yoğun endişelerini artırdı mikroelektronik cihazlar için en kritik arıza mekanizmalarından biridir. Hatta zayıf elektriksel ve mekanik özellikleri ileri teknoloji düğümlerinde cihazlara entegre ediliyor ile Ulk dielektriğin beri güvenilirlik mühendislerinin gündemde olmaya devam edecektir.

Adanmış deneyler TDDB hatası mekanizmasını ^7-9 araştırmak için yapılmıştır, ve çaba önemli miktarda cihazlarının ^10-13 elektrik alan ve ömür boyu arasındaki ilişkiyi açıklayan modeller geliştirmek için yatırım yapılmıştır. Mevcut çalışmalar mikroelektronik güvenilirlik mühendislerinin toplum yararına; Bununla birlikte, bir çok Challenges hala var ve bir çok soru hala detaylı bir şekilde cevaplanması gereken. Örneğin, kanıtlanmış modeller TDDB sürecinde fiziksel arıza mekanizması ve bozulma kinetiği tanımlamak ve ilgili deneysel doğrulama hala eksiktir. Belirli bir ihtiyaç olarak, daha uygun bir modeli konservatif √E-modeli ¹⁴ yerine gereklidir.

TDDB soruşturma çok önemli bir parçası olarak, tipik başarısızlık analizi arıza mekanizmaları ve bozulma kinetik fizik açıklamak kapsamlı ve sert kanıt sağlama, yani benzeri görülmemiş bir meydan okumayla karşı karşıya. Görünüşe göre, bu hasar mekanizmasının kinetik hakkında sadece sınırlı bilgi çok zaman alıcı olduğundan ve arıza sitesi, engel bu meydan uygun seçim değildir görüntüleme tek tek ve ex situ ile yolların ve nano ölçekli Cu hatları metre milyonlarca teftiş sağlanabilir. Bu nedenle, acil bir görev, bir geliştirmeye ortaya çıkmıştırnd deneyler optimize etmek ve TDDB başarısızlık mekanizmalarını ve bozulma kinetiğinin incelemek için daha iyi bir prosedür olsun.

Bu yazıda, yerinde deney metodoloji bir Cu / Ulk bağlantı yığınlar TDDB başarısızlık mekanizmasını araştırmak için gösterecektir. Yüksek kaliteli görüntüleme ve kimyasal analiz yeteneği ile bir TEM özel deney yapılarda kinetik sürecini incelemek için kullanılır. in situ elektriksel test dielektrikler yükseltilmiş bir elektrik alanı temin etmek TEM deney entegre edilir. Bir Ulk malzemeden tamamen kapsüllü Cu bağlantılarının oluşan ve yalıtılmış bir özelleştirilmiş "uç-to-ucu" yapı, 32 nm CMOS teknolojisi düğümünde tasarlanmıştır. Burada tarif edilen deney prosedürü, aynı zamanda, aktif cihazlarda diğer yapılara genişletilebilir.

Protokol

Numune Hazırlama 1. Odaklı İyon Işın (FIB) İnceltme (Şekil 1)

1. (~ 10 mm 10 mm) bir elmas çizici küçük cips içine tam gofret parçalamak.
2. Yongaları üzerinde "uç-to-ucu" yapı konumlarını işaretleyin.
3. 2 mm boyutuna göre 60 mikron bar elde etmek için bir dicing makinesi ile çip gördüm. bar merkezinde "uç-to-ucu" yapı içerir.
4. Süper yapıştırıcı kullanılarak Cu yarım halka hedef çubuğunu Tutkal. Sonra, aynı zamanda süper yapıştırıcı kullanılarak bir Cu örnek sahnede bar tutkal. Ardından, kullanım gümüş yüzük yarım ve bakır örnek aşaması arasındaki iletimi ayarlamak için yapıştırın.
   Not: örnek ele aldığınızda her zaman numune hassas yapısına zarar verebilir elektrostatik boşalmayı önlemek için bir antistatik bileklik giymek emin olun.

Taramalı Elektron Mikroskobu 2. FIB İnceltme (Şekil 2)

1. Bir adım 1'de elde edilen örnek koyn SEM örnek sahne ve SEM dikkatlice sahne yerleştirin.
2. Biriktirme modunu seçti ve gerekli Pt koruma tabakasının boyutları (bölge ve kalınlık) kurdu. Daima yüksek hassasiyet sağlamak için 30 kV iyon ışını kullanın. Dinle akımı gerekli Pt tabakasının boyutlarına bağlıdır memnun verim almak için.
   1. Cu aşamada (toprak potansiyel) bir ped irtibata Pt hattını yatırın. Daha sonra, FIB inceltme işlemi sırasında iyon hasarı en aza indirmek için ince lamel pekiştirmek için çok önemli "uç-to-ucu" yapısı, üstünde kalın bir tabaka Pt mevduat. Bu FIB hazırlanmasında kullanılan standart bir prosedürdür.
   2. Pt birikimi yaparken Pt katmanı üzerinden "uç-to-ucu" yapının üstünde iki ped arasındaki herhangi bir iletken yolları tanıtmak için değil dikkatli olun. Herhangi bir iletken yol olacak kısa elektrik devresi (Şekil 2A ve B).
3. FIB freze
   1. Final Cut 10 pA bir 30 kV voltaj ve akım kullanın. 150 ve 180 nm arasında bir kalınlığa sahip bir H-çubuğu TEM lamel içine ince bir hedef bar.
   2. TEM bir dönüştürücü ucu ile dokundu edilecek ped (V + pad) yakın bir çentik kesin. TEM doğru pedi tanımlamak için bir işaretleyici olarak çentik kullanın.

TEM SEM 3. Numune Transferi

1. Örnek dokunmadan önce antistatik bileklik takın.
2. SEM sahneye hazırlanan H-bar örneği ayırın. SEM çıkarırken Cu sahnede örnek tutun.
3. TEM tutucu üzerine Cu sahne sabitleyin. Test yapısına yakın TEM tutucu optik mikroskop altında (uzak deney yapısından mikrometre birkaç yüz) ve dönüştürücü ucunu hareket ettirin.
   1. Dikkatle TEM içine TEM yuvasını yerleştirin. Tr sırasında herhangi bir temizlik tedavisi (örn plazma temizleme) kullanmak etmeyinansfer işlem olup, aksi takdirde lamel etkilenebilir.
4. Ortam nem ve oksijene çok fazla maruz kalmaktan kaçınmak için 15 dakika veya daha kısa olan numune transferi için zaman tutun.

4. Elektrik Bağlantısı Kurulması (Şekil 3)

1. Kendi kontrol sistemi ve SourceMeter TEM tutucu bağlayın. Sonra kontrol sistemi ve SourceMeter açın.
2. TEM tutucu üzerindeki düğmeleri ayarlama test yapısına dönüştürücü ucunun kaba yaklaşım yaparken TEM dönüştürücü ucu izleyin.
   1. (500 nm ≤) V + pad yakın TEM sahibinin dönüştürücü ucunu hareket ettirin. Ped olarak: (yükseklik Z) aynı seviyeye dönüştürücü ucunu getirin. Dinle ucunun pozisyonu ve ucu V + ped merkezini yüz yapmak.
3. V + pad dönüştürücü ucunu başvurun. Ped yaklaşırken (yaklaşık 1 V 0.5 V) ucunda çok düşük voltaj ayarlayın. Geçerli simultaneo Monitörusly temas kurulmuş olduğundan emin olun.

Yerinde TDDB deney 5.

1. TEM 200 kV hızlandırılmış voltajını kullanın. Ilgi alanına elektron ışını taşı; Uygun bir büyütme seçin ve görüntüyü odaklanın.
2. Test yapısına ışın zararı azaltmak için düşük aydınlatma adımlarını (≤ 8) kullanın. Sadece H-bar numunenin ince bir parçası olan aydınlatma alanını lokalize bir kondansatör diyafram kullanın.
3. In situ TEM görüntüleri (2-3 kare / sn) kaydederken SourceMeter kullanarak "uç-to-ucu" yapısı üzerinde sabit gerilim (≤ 40 V) uygulayın. DigitalMicrograph yazılımını kullanarak, örneğin, bir öz-senaryosunu kodu kullanarak otomatik olarak görüntüleri kaydedebilirsiniz.
4. Ulk Dielektriklerin içine metal belirgin bir difüzyon görünce deney Pause ve Elektron Spektroskopisi Görüntüleme (ESI) kimyasal analiz yapmak.
   1. OMEG içine filtre yarık açıklığı takınTEM bir enerji filtresi.
   2. Dinle filtre silt diyafram genişliği elektron enerji kaybı spektrumunun (EELS) uygun bir enerji genişliği (10-20 eV) alır.
   3. EELS bakır M-kenar adsorpsiyon zirve enerji Shift.
   4. Cu M-kenar absorpsiyon zirvesindeki bir enerji filtrelenmiş TEM görüntü elde etmek için geri görüntüleme modu gidin.
   5. Bakır M-kenar ön kenarına enerji Shift ve başka enerji filtrelenmiş TEM görüntü almak.
   6. Iki resim arasındaki örnek sürüklenme düzeltin.
   7. Cu atlama oranı görüntü almak için ikinci bir ilk görüntüyü bölün.
5. TDDB deneyi devam: SourceMeter kullanarak "uç-to-ucu" yapısı üzerinde sabit gerilim (≤ 40 V) yeniden ve TEM görüntüleri kaydedebilirsiniz.

6. Bilgisayarlı Tomografi

1. TDDB deneme bittiğinde TEM bilgisayarlı tomografi gerçekleştirin, di hakkında 3D dağıtım bilgi almak içinffused parçacıklar.
2. Örnek eğin ve 138 ° 'lik bir eğim dizi kaydedin. 1 ° 'lik bir eğim adımı kullanın ve parlak saha (BF) KÖK modunda her aşamasında görüntü kaydetmek.
3. (Görüntüleri hizalayarak eğim ekseni belirleyen, 3D tomografik hacmi oluşturmak için ses ve segmentasyon yeniden dahil) serisi yeniden yapılandırma.

Sonuçlar

Şekil 4 in situ testinde bir parlak alan (BF) TEM görüntüleri gösterir. Kısmen Orada ihlal edildiği TaN / nedeniyle ortam genişletilmiş depolama elektrik testi (Şekil 4A) önce Ulk dielektriğin Ta engeller ve önceden var olan Cu atomları. Zemin tarafına ^15-16 referansla pozitif potansiyele sahip, 40 V sadece 376 saniye sonra, dielektrik dökümü başladı ve M1 metal bakır iki önemli göç yollarının ile eşlik etti. Ulk Dielektriklerde yayılmış...

Tartışmalar

TDDB deneyde başarı ön koşul özellikle SEM FIB öğütme işleminde, iyi örnek hazırlıktır. İlk olarak, "uç-to-tip" yapı üstünde bir kalın bir Pt tabakası yatırılır. kalınlık ve Pt tabakasının boyutu SEM operatör tarafından ayarlanabilir ancak üç ilkeleri takip etmek zorunda olabilir: (1) kalınlık ve boyut tüm öğütme işlemi sırasında mümkün iyon ışını zararlardan hedef alanını korumak için yeterlidir; (2) freze sonra kalan numunenin üstüne nispeten kalın Pt tabak...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Automatic Dicing Saw	DISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies
Scanning Electron Microscope	Zeiss	Zeiss Nvision 40
Picoindentor	Hysitron	Hysitron Pi95
Keithley SourceMeter	Keithley	Keithley 2602/237
Transmission Electron Microscope	FEI	FEI Tecnai F20
Transmission Electron Microscope	Zeiss	Zeiss Libra 200