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Methodenartikel

In Situ Zeitabhängige Dielectric Breakdown im Transmissionselektronenmikroskop: eine Möglichkeit, die Fehlermechanismus in mikroelektronischen Bauelementen Verstehen

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DOI:

10.3791/52447

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26. Juni 2015

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1Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems, 2Dresden Center for Nanoanalysis, Technische Universität Dresden, 3Globalfoundries Fab 8, 4Globalfoundries Fab 1

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Der zeitabhängige dielektrische Durchschlag (TDDB) in On-Chip-Verbindungsstapeln ist einer der kritischsten Fehlermechanismen für mikroelektronische Bauelemente. In dieser Arbeit wird die Vorgehensweise eines in situ TDDB-Experiments im Transmissionselektronenmikroskop demonstriert, das die Möglichkeit eröffnet, den Versagensmechanismus in mikroelektronischen Produkten zu untersuchen.

Zusammenfassung

Der zeitabhängige dielektrische Durchschlag (TDDB) in On-Chip-Verbindungsstapeln ist einer der kritischsten Fehlermechanismen für mikroelektronische Bauelemente. Die aggressive Skalierung der Feature-Größen, sowohl auf Geräten als auch auf Interconnects, führt zu ernsthaften Herausforderungen, um die erforderliche Produktzuverlässigkeit zu gewährleisten. Standard-Zuverlässigkeitstests und postmortale Fehleranalysen liefern nur begrenzte Informationen über die Physik der Versagensmechanismen und der Degradationskinetik. Daher ist es notwendig, neue experimentelle Ansätze und Verfahren zu entwickeln, um insbesondere die TDDB-Versagensmechanismen und die Degradationskinetik zu untersuchen. In dieser Arbeit wird eine in situ experimentelle Methodik im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) demonstriert, um die TDDB-Degradations- und Versagensmechanismen in Cu/ULK-Verbindungsstacks zu untersuchen. Hochwertige Bildgebung und chemische Analysen werden verwendet, um den kinetischen Prozess zu untersuchen. Der elektrische In-situ-Test ist in das TEM integriert, um den Dielektrika ein erhöhtes elektrisches Feld zur Verfügung zu stellen. Die Elektronentomographie wird eingesetzt, um die gerichtete Cu-Diffusion in den isolierenden Dielektrika zu charakterisieren. Dieses experimentelle Verfahren eröffnet die Möglichkeit, den Versagensmechanismus in Verbindungsstapeln mikroelektronischer Produkte zu untersuchen, und es könnte auch auf andere Strukturen in aktiven Bauelementen ausgeweitet werden.

Einleitung

Da Cu-Leiterbahnen wurden zunächst in den ultra-Großintegration (ULSI) Technologie im Jahr 1997 1 eingeführt, low-k- ​​und Ultra-low-k (ULK) Dielektrika sind in die Back-End-of-line verabschiedet (BEoL) als Dämmstoffe zwischen on-Chip-Verbindungen. Die Kombination aus neuen Materialien, zB Cu für reduzierten Widerstand und Low-k / ULK Dielektrika für niedrigere Kapazität, überwindet die Effekte der erhöhten Widerstands-Kapazitäts (RC) Verzögerung durch Verbindungs ​​Maßschrumpfung 2, 3 entstehen. Jedoch wurde dieser Vorteil griffen durch die anhaltende aggressive Skalierung der Mikroelektronik in den letzten Jahren. Die Verwendung von Low-k / ULK Materialien führt in verschiedenen Herausforderungen in das Herstellungsverfahren und für die Zuverlässigkeit des Produkts, insbesondere wenn die Verbindungs ​​Tonhöhe ungefähr 100 nm oder weniger beträgt 4-6.

TDDB bezieht sich auf die physikalischen Versagensmechanismus eines dielektrischen Materials als eine Funktion der Zeit,unter einem elektrischen Feld. Die TDDB Zuverlässigkeitstest wird gewöhnlich unter beschleunigten Bedingungen (erhöhte elektrische Feld und / oder erhöhter Temperatur) durchgeführt.

Die TDDB in On-Chip-Verbindungsstapel ist einer der kritischsten Ausfallmechanismen für die mikroelektronischen Vorrichtungen, die bereits intensive Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit Gemeinschaft angehoben hat. Es wird auch weiterhin im Rampenlicht an Zuverlässigkeit Ingenieure seit ULK Dielektrika mit noch schwächeren elektrischen und mechanischen Eigenschaften werden in die Geräte in Spitzentechnologie-Knoten integriert sein.

Dedizierte Experimente wurden durchgeführt, um den Fehlermechanismus TDDB 7-9 zu untersuchen, und ein erheblicher Aufwand investiert wurde, um Modelle, die die Beziehung zwischen dem elektrischen Feld und der Lebensdauer der Vorrichtungen 10-13 beschreiben entwickeln. Die vorhandenen Studien profitieren die Gemeinschaft der Zuverlässigkeit Ingenieure in der Mikroelektronik; jedoch viele challenges noch vorhanden sind und viele Fragen müssen noch im Detail zu beantworten. Zum Beispiel, um bewährte Modelle der physikalischen Versagensmechanismus und Abbaukinetik im TDDB Prozess zu beschreiben und die jeweiligen experimentellen Überprüfung fehlen noch. Als ein besonderer Bedarf wird eine geeignetere Modell benötigt, um die konservative √E-Modell 14 zu ersetzen.

Als ein sehr wichtiger Teil des TDDB Untersuchung ist typisch Fehleranalyse vor einer beispiellosen Herausforderung, das heißt, die umfassende und harte Beweise, um die Physik der Ausfallmechanismen und Abbaukinetik zu erklären. Anscheinend Inspektion Millionen von Vias und Meter von nanoskaligen Cu Linien eine nach der anderen, und Ex-situ-Bildgebung der Ausfall Seite ist nicht die richtige Wahl, um diese Hürde Herausforderung, denn es ist sehr zeitaufwendig und nur begrenzte Informationen über die Kinetik der Schadensmechanismus bereitgestellt werden kann. Daher wurde eine dringende Aufgabe entstanden, um eine Entwicklungnd Experimente zu optimieren und um ein besseres Verfahren zu bekommen, um die Versagensmechanismen TDDB und Abbaukinetik zu studieren.

In diesem Artikel zeigen wir Ihnen, eine in situ experimentelle Methodik, um die TDDB Fehlermechanismus in Cu / ULK Verbindungsstapel zu untersuchen. Eine TEM mit der Fähigkeit, mit hoher Bildqualität und der chemischen Analyse verwendet, um die kinetischen Prozess auf dedizierte Teststrukturen zu untersuchen. Die in situ-E-Test in den TEM-Experiment integriert, um einen erhöhten elektrischen Feldes an die Dielektrika bereitzustellen. Eine maßgeschneiderte "Spitze-Spitze" Struktur, bestehend aus vollständig gekapselt Cu-Leiterbahnen und isoliert von einem ULK Material wird in der 32-nm-CMOS-Technologie-Knoten ausgelegt. Die hier beschriebenen experimentellen Verfahren kann auch mit anderen Strukturen in der aktiven Geräte erweitert werden.

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Protokoll

1. Vorbereitung der Probe für die Focused Ion Beam (FIB) Verdünnung (Abbildung 1)

  1. Spaltung des vollständigen Wafers in kleine Chips (~ 10 mm x 10 mm) mit einem Diamantschreiber.
  2. Markieren Sie die Positionen der "Spitze-Spitze" Struktur auf den Chips.
  3. Sah den Chip mit einer Plättchenschneidmaschine in Bars von 60 um 2 mm Größe zu erhalten. Die Bar schließt die "Spitze-Spitze" Struktur in der Mitte.
  4. Kleben Sie die Ziel bar auf einem Cu-Halbring mit dem Sekundenkleber. Als nächstes kleben Sie die Bar auf einer Cu Probentisch auch mit dem Sekundenkleber. Dann Nutzung Silberpaste auf die Leitung zwischen dem Halbring und der Kupferprobe Bühne.
    Hinweis: Bei der Handhabung der Probe, stellen Sie sicher, tragen Sie immer ein Antistatikarmband, um elektrostatische Entladungen, die die empfindliche Struktur in der Probe beschädigt werden können, zu verhindern.

2. FIB Verdünnung im Rasterelektronenmikroskop (Abbildung 2)

  1. Setzen Sie die in Schritt 1 auf eine erhaltene Proben SEM Probentisch und setzen Sie die Stufe vorsichtig in den SEM.
  2. Wählte die Abscheidung Modus und richten Sie die Maße (Fläche und Dicke) der benötigten Pt Schutzschicht. Verwenden Sie immer eine 30 kV-Ionenstrahl, um die höchste Präzision zu erhalten. Abstimmung der Strom den zufrieden Effizienz in Abhängigkeit von den Abmessungen des benötigten Pt-Schicht zu erhalten.
    1. Zahlen Sie Pt Linie auf eine Unterlage zu dem Cu-Stufe (Massepotential) zu kontaktieren. Anschließend hinterlegen eine dicke Pt-Schicht auf der Oberseite der "Spitze-Spitze" Struktur, die sehr wichtig ist, um den Ionen Schaden während des FIB Ausdünnungsprozess zu minimieren und die dünne Lamelle zu verstärken. Dies ist ein Standardverfahren in der FIB Zubereitung verwendet.
    2. Seien Sie vorsichtig, keine leitende Pfade zwischen den beiden Kontaktflächen auf der Oberseite des "Spitze zu Spitze" Struktur durch die Pt-Schicht bei der Durchführung der Pt Abscheidung vorzustellen. Jede Leiterbahn wird kurz die elektrische Schaltung (2A und B).
  3. FIB-Fräsen
    1. Verwenden Sie eine Spannung von 30 kV und einem Strom von 10 pA für den letzten Schnitt. Dünn die Ziel bar in ein H-Träger-TEM-Lamelle mit einer Dicke zwischen 150 und 180 nm.
    2. Schneiden Sie eine Kerbe in der Nähe der Unterlage (V + pad), die durch einen Wandler in der Spitze TEM berührt wird. Verwenden Sie die Kerbe als Markierung, um die richtige Unterlage in der TEM zu identifizieren.

3. Sample Transfer von der SEM auf die TEM

  1. Setzen Sie auf die Antistatik-Armband, bevor die Probe berührt.
  2. Demontieren Sie die vorbereitet H-bar Probe aus dem SEM Bühne. Halten Sie die Probe auf die Cu Bühne, wenn es aus dem SEM zu entfernen.
  3. Befestigen Sie die Cu Bühne auf die TEM Halter. Bewegen Sie den Wandler Spitze des TEM Halter in der Nähe des Teststruktur (ein paar hundert Mikrometern von der Teststruktur) unter dem Lichtmikroskop.
    1. Setzen Sie den Halter in die TEM TEM sorgfältig. Während der tr jede Reinigungsbehandlung (zB Plasmareinigung) nutzen Sie nichtansfer Prozess, ansonsten der Lamelle kann beeinflusst werden.
  4. Halten Sie die Zeit für den Probentransfer innerhalb von 15 min oder kürzer zu viel Exposition gegenüber Umgebungsfeuchtigkeit und Sauerstoff zu vermeiden.

4. elektrischen Anschluss (Abbildung 3)

  1. Schließen Sie das TEM Halter, seine Kontrollsystems und der Sourcemeter. Dann schalten Sie die Steuerung und die Sourcemeter.
  2. Überwachen Sie die Wandlerspitze in der TEM, wenn dabei die grobe Vorgehensweise der Wandlerspitze zu der Teststruktur durch Abstimmung die Knöpfe auf der TEM Halter.
    1. Bewegen Sie den Wandler Spitze des TEM Halter in der Nähe der V + Pad (≤ 500 nm). Bringen Sie die Wandlerspitze auf die gleiche Höhe (Z: Höhe) als Unterlage. Stimmen Sie die Position der Spitze und stellen Sie die Spitze vor der Mitte des V + Pad.
  3. Kontaktieren Sie das Wandlerspitze zur V + Pad. Stellen Sie eine sehr niedrige Spannung an der Spitze (0,5 V bis 1 V), während Annäherung an die Unterlage. Überwachen Sie die aktuellen simultaneonuierlich um sicherzustellen, dass der Kontakt hergestellt ist.

5. In Situ TDDB Experiment

  1. Verwenden einer Beschleunigungsspannung von 200 kV in der TEM. Bewegen Sie den Elektronenstrahl zu dem Bereich von Interesse; Wählen Sie eine geeignete Vergrößerung und fokussieren Sie das Bild.
  2. Verwenden geringer Beleuchtung Schritte (≤ 8), um den Strahl Schäden an der Teststruktur zu reduzieren. Verwenden Sie ein Kondensatoröffnung, um den Beleuchtungsbereich nur innerhalb des dünnen Teil der H-bar Probe zu lokalisieren.
  3. Tragen Sie eine konstante Spannung (≤ 40 V) an der "Spitze-Spitze" Struktur unter Verwendung des Sourcemeter während der Aufnahme die TEM-Aufnahmen in situ (2-3 Bilder / s). Nehmen Sie die Bilder automatisch mit Hilfe eines Selbst Skript-Code, beispielsweise mit Hilfe der DigitalMicrograph Software.
  4. Pause das Experiment beim Anblick einer scheinbaren Diffusion von Metall in die ULK Dielektrika und tun das Electron spektroskopischen Bildgebung (ESI) chemische Analyse.
    1. Setzen Sie den Filter in die Schlitzöffnung Omegein Energiefilter in der TEM.
    2. Tune die Breite des Filterschlammöffnung, eine richtige Energiebreite (10-20 eV) in der Elektronenenergieverlustspektrum (EELS) zu bekommen.
    3. Verschieben Sie die Energie an das Kupfer M-Kante Adsorption Höhepunkt in den EELS.
    4. Zurück zum Bildgebungsmodus, um eine Energie gefiltert TEM-Bild an der Cu M-Kante Absorptionsspitze zu erwerben.
    5. Verschieben Sie die Energie an die pre-Rand des Kupfer M-Kante und bekommen eine andere Energie gefilterte Bild TEM.
    6. Korrigieren Sie die Drift der Probe zwischen den beiden Bildern.
    7. Teilen Sie das erste Bild, das durch die zweite, um den Sprung Verhältnis Bild von Cu zu erhalten.
  5. Fahren Sie mit der TDDB Experiment: erneut eine konstante Spannung (≤ 40 V) an der "Spitze-Spitze" Struktur unter Verwendung des Sourcemeter und notieren Sie die TEM-Aufnahmen.

6. Computertomographie

  1. Führen TEM-Computertomographie, wenn die TDDB Experiment beendet ist, um 3D-Informationen über die Verteilung di erhaltenffused Partikel.
  2. Kippen Sie die Probe und Aufzeichnen einer Neigungsserie von 138 °. Verwenden Sie einen Neigungsschritt von 1 °, und nehmen Sie das Bild bei jedem Schritt im Hellfeld (BF) STEM-Modus.
  3. Rekonstruktion der Serie (das Ausrichten Bilder, Bestimmung Kippachse, Rekonstruktion Volumen und Segmentierung, um die 3D-Tomographie Volumen zu bilden).

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Ergebnisse

Abbildung 4 zeigt Hellfeld (BF) TEM-Aufnahmen von einer in-situ-Test. Es sind teilweise durchbrochen TaN / Ta Barrieren und bereits bestehende Cu-Atome in den ULK Dielektrika vor dem elektrischen Test (4A) aufgrund längerer Lagerung in Umgebungs. Bereits nach 376 sec bei 40 V, die dielektrische Durchschlags begonnen und wurde mit zwei großen Migrationswege von Kupfer aus der M1 Metalls begleitet, mit einem positiven Potential mit Bezug auf das Masseseite 15-16. Die d...

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Diskussion

Voraussetzung für den Erfolg in der TDDB Versuch ist gut Probenaufbereitung, insbesondere in der FIB Mahlvorgang in der SEM. Erstens muss eine dicke Pt-Schicht auf der Oberseite der "Spitze-Spitze" Struktur zu hinterlegen. Die Dicke und die Grße der Pt-Schicht kann durch den SEM Bediener eingestellt werden, sondern müssen drei Prinzipien folgen: (1) Die Dicke und die Größe, um den anvisierten Bereich von möglichen Ionenstrahlschäden während des gesamten Mahlprozesses zu schützen; (2) Es ist noch eine relativ d...

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Offenlegungen

Keine konkurrierenden finanziellen Interessen.

Danksagungen

Die Autoren danken Rüdiger Rosenkranz und Sven Niese (Fraunhofer IKTS-MD) für ihre Unterstützung bei der Probenvorbereitung sowie Ude Hangen, Douglas Stauffer, Ryan Major und Oden Warren (Hysitron Inc.) für ihre technische Unterstützung beim PI95 TEM-Halter. Auch die Unterstützung durch das Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) und das Dresden Center for Nanoanalysis (DCN) an der Technischen Universität Dresden wird gewürdigt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Automatische WürfelsägeDISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies
RasterelektronenmikroskopZeissZeiss Nvision 40
PicoindentorHysitronHysitron Pi95
Keithley SourceMeterKeithleyKeithley 2602/237
TransmissionselektronenmikroskopFEIFEI Tecnai F20
TransmissionselektronenmikroskopZeissZeiss Libra 200

Referenzen

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