La ruptura dieléctrica dependiente del tiempo (TDDB) en las pilas de interconexión en chip es uno de los mecanismos de fallo más críticos para los dispositivos microelectrónicos. Este artículo demuestra el procedimiento de un experimento in situ de TDDB en el microscopio electrónico de transmisión, que abre la posibilidad de estudiar el mecanismo de fallo en productos microelectrónicos.
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En Desglose dieléctrica Situ dependiente del tiempo en el microscopio electrónico de transmisión: una posibilidad de comprender el mecanismo de falla en los dispositivos microelectrónicos
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Resumen
Resumen
La ruptura dieléctrica dependiente del tiempo (TDDB) en las pilas de interconexión en chip es uno de los mecanismos de fallo más críticos para los dispositivos microelectrónicos. El escalado agresivo de los tamaños de las funciones, tanto en los dispositivos como en las interconexiones, plantea serios desafíos para garantizar la fiabilidad requerida del producto. Las pruebas de confiabilidad estándar y el análisis de fallas post-mortem proporcionan solo información limitada sobre la física de los mecanismos de falla y la cinética de degradación. Por lo tanto, es necesario desarrollar nuevos enfoques y procedimientos experimentales para estudiar los mecanismos de falla de TDDB y la cinética de degradación en particular. En este artículo, se demuestra una metodología experimental in situ en el microscopio electrónico de transmisión (TEM) para investigar los mecanismos de degradación y falla de TDDB en pilas de interconexión Cu/ULK. Se utilizan imágenes de alta calidad y análisis químicos para estudiar el proceso cinético. La prueba eléctrica in situ está integrada en el TEM para proporcionar un campo eléctrico elevado a los dieléctricos. La tomografía electrónica se utiliza para caracterizar la difusión dirigida de Cu en los dieléctricos aislantes. Este procedimiento experimental abre la posibilidad de estudiar el mecanismo de fallo en pilas de interconexión de productos microelectrónicos, y también podría extenderse a otras estructuras en dispositivos activos.
Introducción
Desde interconecta Cu se introdujeron en primer lugar a la tecnología de integración a gran escala de ultra (ULSI) en 1997 1, low-k y ultra-low-k (ULK) dieléctricos se han adoptado en el back-end-of-line (BEOL) como los materiales aislantes entre las interconexiones en el chip. La combinación de nuevos materiales, por ejemplo, Cu para la reducción de la resistencia y de bajo k dieléctricos / ULK de baja capacitancia, supera los efectos del aumento de la resistencia-capacitancia (RC) demorado por causas interconexión dimensiones de contracción 2, 3. Sin embargo, este beneficio fue invadido por la continua escalado agresiva de dispositivos microelectrónicos en los últimos años. El uso de bajo k / ULK materiales da lugar a diversos desafíos en el proceso de fabricación y de la fiabilidad del producto, sobre todo si el terreno de juego interconexión alcanza alrededor de 100 nm o menos 4-6.
TDDB se refiere al mecanismo de falla física de un material dieléctrico como una función del tiempobajo un campo eléctrico. La prueba de fiabilidad TDDB se lleva a cabo generalmente bajo condiciones aceleradas (campo eléctrico elevado y / o temperatura elevada).
El TDDB en el chip pilas interconexión es uno de los mecanismos de falla más críticos para los dispositivos microelectrónicos, que ya ha planteado intensas preocupaciones de la comunidad fiabilidad. Se seguirá siendo el centro de atención de los ingenieros de fiabilidad desde dieléctricos ULK con propiedades eléctricas y mecánicas, incluso más débiles se están integrando en los dispositivos en los nodos de tecnología avanzada.
Se han realizado experimentos dedicados a investigar el mecanismo de fallo TDDB 7-9, y una cantidad significativa de esfuerzo se ha invertido para desarrollar modelos que describen la relación entre campo eléctrico y la vida útil de los dispositivos 10-13. Los estudios existentes benefician a la comunidad de ingenieros de fiabilidad en la microelectrónica; sin embargo, muchos challentodavía existen ges y muchas preguntas aún deben ser respondidas en detalle. Por ejemplo, los modelos probados para describir el mecanismo de fracaso y de degradación cinética físicos en el proceso TDDB y la respectiva verificación experimental todavía se carece. Como una necesidad particular, se necesita un modelo más apropiado para sustituir el conservador √e-modelo 14.
Como una parte muy importante de la investigación TDDB, análisis típico fracaso se enfrenta a un desafío sin precedentes, es decir, proporcionando evidencia integral y difícil de explicar la física de los mecanismos de falla y la cinética de degradación. Al parecer, la inspección de millones de vias y metros de nanoescala Cu líneas una por una y ex situ de imágenes del sitio fracaso no es la opción adecuada para cañizo este desafío, porque es mucho tiempo, y la información limitada sobre la cinética del mecanismo de daño puede ser proporcionada. Por lo tanto, una tarea urgente ha surgido para desarrollar unnd para optimizar los experimentos y para obtener un mejor procedimiento para estudiar los mecanismos de fallo TDDB y la cinética de degradación.
En este artículo, vamos a demostrar in situ metodología experimental para investigar el mecanismo de falla TDDB en pilas de interconexión Cu / ULK. A TEM con la capacidad de formación de imágenes de alta calidad y análisis químico se utiliza para estudiar el proceso de cinética en estructuras de prueba dedicados. La prueba eléctrica en situ está integrado en el experimento TEM para proporcionar un campo eléctrico elevado para los dieléctricos. Una estructura de diseño "de punta a punta", que consiste en Cu interconecta totalmente encapsulados y aislados por un material ULK, está diseñado en el nodo de la tecnología CMOS de 32 nm. El procedimiento experimental descrito aquí también se puede extender a otras estructuras en dispositivos activos.
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Protocolo
1. Preparación de la muestra para el Focused Ion Beam (FIB) Adelgazamiento (Figura 1)
- Cleave la oblea completa en pequeños chips (~ 10 mm por 10 mm) con un escriba diamante.
- Marque las posiciones de la estructura "de punta a punta" en los chips.
- Vio el chip con una máquina de cortar en cubitos para obtener barras de 60 micras de tamaño de 2 mm. La barra incluye la estructura "de punta a punta" en el centro.
- Pegue la barra de destino en un medio anillo Cu usando el pegamento. A continuación, pegue la barra en un escenario de ejemplo Cu también utilizando el pegamento. A continuación, utilice pasta de plata para ajustar la conducción entre el anillo y la etapa media de la muestra de cobre.
Nota: Al manipular la muestra, asegúrese de llevar siempre una pulsera antiestática para evitar descargas electrostáticas, los cuales pueden dañar la estructura sensible en la muestra.
2. FIB Adelgazamiento en el microscopio electrónico de barrido (Figura 2)
- Ponga la muestra obtenida en el paso 1 en unn SEM etapa de la muestra y coloque el escenario con cuidado en el SEM.
- Elija el modo de deposición, y establecer las dimensiones (área y espesor) de la capa de protección Pt necesario. Siempre use un haz de iones de 30 kV para mantener la más alta precisión. Tune la corriente para obtener la eficiencia satisfecho, depende de las dimensiones de la capa de Pt necesario.
- Deposita una línea Pt ponerse en contacto con una toalla a la etapa de Cu (potencial de tierra). Posteriormente, depositar una capa gruesa de Pt en la parte superior de la estructura "de punta a punta", lo cual es muy importante para minimizar el daño de iones durante el proceso de adelgazamiento FIB y reforzar la lámina delgada. Este es un procedimiento estándar utilizado en la preparación FIB.
- Tenga cuidado de no introducir ningún trayectorias conductoras entre las dos almohadillas en la parte superior de la estructura "de punta a punta" a través de la capa de Pt al realizar la deposición de Pt. Cualquier camino conductor hará corto circuito eléctrico (Figura 2 A y B).
- Fresado FIB
- Utilice una tensión de 30 kV y corriente de 10 pA para el corte final. Delgado la barra de destino en una laminilla TEM H-bar con un espesor entre 150 y 180 nm.
- Corte una muesca cerca de la almohadilla (+ pad V), que será tocado por una punta del transductor en el TEM. Utilice la muesca como un marcador para identificar la almohadilla correcta en el TEM.
3. Transferencia de la muestra de la SEM a la TEM
- Poner en la pulsera antiestática antes de tocar la muestra.
- Desmontar la muestra H-bar preparado a partir de la etapa de SEM. Mantenga la muestra en el escenario Cu desenchufarlo de la SEM.
- Fijar la etapa de Cu en el soporte TEM. Mueva la punta del transductor del titular TEM cerca de la estructura de la prueba (unos pocos cientos de micrómetros de distancia de la estructura de la prueba) bajo el microscopio óptico.
- Inserte el soporte en el TEM TEM con cuidado. No utilizar ningún tratamiento de limpieza (por ejemplo, la limpieza de plasma) durante el transfer proceso, de lo contrario la lámina puede estar influenciada.
- Mantenga el tiempo para la transferencia de la muestra en los 15 minutos o más corto para evitar demasiada exposición a la humedad ambiental y el oxígeno.
4. Establecimiento de la conexión eléctrica (Figura 3)
- Conecte el soporte TEM a su sistema de control y el SourceMeter. Luego encienda el sistema de control y la SourceMeter.
- Supervisar la punta del transductor en el TEM al hacer el enfoque grueso de la punta del transductor a la estructura de la prueba sintonizando las perillas en el soporte TEM.
- Mueva la punta del transductor del titular TEM cerca de la almohadilla de V + (≤ 500 nm). Traiga la punta del transductor al mismo nivel (Z: altura) como la plataforma. Sintonice la posición de la punta y hacer frente a la punta el centro de la V + pad.
- Póngase en contacto con la punta del transductor a la plataforma de V +. Establecer un voltaje muy bajo en la punta (0,5 V a 1 V) mientras se aproximaba a la almohadilla. Supervisar el simultaneo actualusly para asegurarse de que se establece el contacto.
5. En el Experimento Situ TDDB
- Utilice un voltaje acelerado de 200 kV en el TEM. Mover el haz de electrones a la zona de interés; elegir un aumento adecuado y enfocar la imagen.
- Utilice los pasos bajos de iluminación (≤ 8) para reducir el daño del haz en la estructura de la prueba. Utilizar una apertura de condensador para localizar el área de iluminación sólo dentro de la parte delgada de la muestra H-bar.
- Aplicar una tensión constante (≤ 40 V) en la estructura de "punta a punta" con el SourceMeter durante la grabación de las imágenes de TEM in situ (2-3 cuadros / seg). Grabe las imágenes de forma automática mediante el uso de un código de auto-guión, por ejemplo, utilizando el software DigitalMicrograph.
- Pausa el experimento al ver una aparente difusión de metal en los dieléctricos ULK y hacer el análisis químico Electron espectroscópico Imaging (ESI).
- Inserte la abertura de hendidura filtro en el Omegun filtro de energía en el TEM.
- Tune la anchura de la abertura del filtro de sedimentos para conseguir un ancho adecuado de la energía (10-20 eV) en el espectro de la pérdida de energía de electrones (EELS).
- Cambie la energía para el pico de adsorción de cobre M-ventaja en las anguilas.
- Vuelve al modo de imagen para adquirir una imagen TEM energía filtrada en el pico de absorción M-borde Cu.
- Cambie la energía para el pre-borde de la M-borde de cobre y obtener otra imagen TEM energía filtrada.
- Corregir la deriva de la muestra entre las dos imágenes.
- Divida la primera imagen de la segunda para obtener la imagen relación salto de Cu.
- Continuar el experimento TDDB: volver a aplicar una tensión constante (≤ 40 V) en la estructura de "punta a punta" con el SourceMeter y registrar las imágenes de TEM.
6. Tomografía Computarizada
- Realizar TEM tomografía computarizada cuando se termina el experimento TDDB, para obtener información acerca de la distribución 3D dipartículas ffused.
- Incline la muestra y grabar una serie de inclinación de 138 °. Use un paso de inclinación de 1 ° y grabar la imagen en cada paso en el modo STEM campo claro (BF).
- Reconstruir la serie (incluye la alineación de las imágenes, la determinación del eje de inclinación, la reconstrucción de volumen y segmentación para formar el volumen tomografía 3D).
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Resultados
La figura 4 muestra brillantes campo (BF) TEM imágenes de una en la prueba in situ. Hay incumplió parcialmente Tostado / barreras Ta y átomos Cu preexistentes en los dieléctricos ULK antes de la prueba eléctrica (Figura 4), debido a un almacenamiento prolongado en ambiente. Después de sólo 376 seg a 40 V, la ruptura dieléctrica se inició y fue acompañado con dos vías principales de migración de cobre desde el metal M1, que tiene un potencial positivo con referencia a...
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Discusión
El requisito previo del éxito en el experimento TDDB es una buena preparación de la muestra, especialmente en el proceso de molienda FIB en el SEM. En primer lugar, una capa gruesa de Pt en la parte superior de la estructura "de punta a punta" tiene que ser depositado. El grosor y el tamaño de la capa de Pt pueden ser ajustados por el operador SEM, pero tienen que seguir tres principios: (1) El grosor y el tamaño son suficientes para proteger la zona de destino de posibles daños haz de iones durante todo el pr...
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Divulgaciones
Sin intereses financieros en competencia.
Agradecimientos
Los autores desean agradecer a Rüdiger Rosenkranz y Sven Niese (Fraunhofer IKTS-MD) por su ayuda en la preparación de la muestra, y a Ude Hangen, Douglas Stauffer, Ryan Major y Oden Warren (Hysitron Inc.) por su apoyo técnico en el soporte PI95 TEM. También se reconoce el apoyo del Centro para el Avance de la Electrónica de Dresde (cfaed) y del Centro de Nanoanálisis de Dresde (DCN) de la Technische Universität Dresden.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| sierra de corte automática | DISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies | ||
| Microscopio electrónico de barrido | Zeiss | Zeiss Nvision 40 | |
| Picoindentor | Hysitron | Hysitron Pi95 | |
| Keithley SourceMeter | Keithley Keithley | 2602/237 | |
| Microscopio electrónico de transmisión | FEI | FEI Tecnai F20 | |
| microscopio electrónico | de transmisión Zeiss | Zeiss Libra 200 |
Referencias
- Edelstein, D., et al. Full Copper Wiring in a Sub-0.25 µm CMOS ULSI Technology. IEDM Tech. Dig. , 773-776 (1997).
- List, S., Bamal, M., Stucchi, M., Maex, K. A global view of interconnects. Microelectron. Eng. 83 (11/12), 2200-2207 (2006).
- Meindl, J. D., Davis, J. A., Zarkesh-Ha, P., Patel, C. S., Martin, K. P., Kohl, P. A. Interconnect opportunities for gigascale integration. IBM J. Res. Develop. 46 (2/3), 245-263 (2002).
- Zhang, X. F., Wang, Y. W., Im, J. H., Ho, P. S. Chip-Package Interaction and Reliability Improvement by Structure Optimization for Ultralow-k Interconnects in Flip-Chip Packages. IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 12 (2), 462-469 (2012).
- Lee, K. D., Ogawa, E. T., Yoon, S., Lu, X., Ho, P. S. Electromigration reliability of dual-damascene Cu/porous methylsilsesquioxane low k interconnects. Appl. Phys. Lett. 82 (13), 2032(2003).
- Zschech, E., et al. Stress-induced phenomena in nanosized copper interconnect structures studied by x-ray and electron microscopy. J. Appl. Phys. 106 (9), 093711(2009).
- Tan, T. L., Hwang, N., Gan, C. L. Dielectric Breakdown Failure Mechanisms in Cu-SiOC low-k interconnect system. IEEE Trans. Bimodal. 7 (2), 373-378 (2007).
- Zhao, L., et al. Direct observation of the 1/E dependence of time dependent dielectric breakdown in the presence of copper. Appl. Phys. Lett. 98 (3), 032107(2011).
- Breuer, T., Kerst, U., Boit, C., Langer, E., Ruelke, H., Fissel, A. Conduction and material transport phenomena of degradation in electrically stressed ultra-low-k dielectric before breakdown. J. Appl. Phys. 112 (12), 124103(2012).
- Lloyd, J. R., Liniger, E., Shaw, T. M. Simple model for time-dependent dielectric breakdown in inter- and intralevel low-k dielectrics. J. Appl. Phys. 98 (8), 084109(2005).
- A Comprehensive Study of Low-k SiCOH TDDB Phenomena and Its Reliability Lifetime Model Development. Chen, F., et al. 44th Annual International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2006 Mar 26-30, San Jose, California, , 46-53 (2006).
- Wu, W., Duan, X., Yuan, J. S. Modeling of Time-Dependent Dielectric Breakdown in Copper Metallization). IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 3 (2), 26-30 (2003).
- Achanta, R. S., Plawsky, J. L., Gill, W. N. A time dependent dielectric breakdown model for field accelerated low-k breakdown due to copper ions. Appl. Phys. Lett. 91 (23), 234106(2007).
- Chen, F., Shinosky, M. Soft breakdown characteristics of ultralow-k time-dependent dielectric breakdown for advanced complementary metal-oxide semiconductor technologies. J. Appl. Phys. 108 (5), 054107(2010).
- An Experimental Methodology for the In-Situ Observation of the Time-Dependent Dielectric Breakdown Mechanism in Copper/Low-k On-Chip Interconnect Structures. Yeap, K. B., et al. 51st Annual International Reliability Physics Symposium, , (2013).
- Yeap, K. B., et al. In situ study on low-k interconnect time-dependent-dielectric-breakdown mechanisms). J. Appl. Phys. 115 (12), 124101(2014).
- Liao, Z. Q., et al. In-situ Study of the TDDB-Induced Damage Mechanism in Cu/Ultra-low-k Interconnect Structures. Microelectron. Eng. In Press, (2014).
- Liao, Z. Q., et al. A New In Situ Microscopy Approach to Study the Degradation and Failure Mechanisms of Time-Dependent Dielectric Breakdown: Set-Up and Opportunities. Adv. Eng. Mater. 16 (5), 486-493 (2014).
- Lee, Z., Meyer, J. C., Rose, H., Kaiser, U. Optimum HRTEM image contrast at 20 kV and 80 kV-Exemplified by graphene. Ultramicroscopy. 112 (1), 39-46 (2012).
- Bell, D. C., Russo, C. J., Kolmykov, D. V. 40 keV atomic resolution TEM. Ultramicroscopy. 114, 31-37 (2012).
- Kaiser, U., et al. Transmission electron microscopy at 20 kV for imaging and spectroscopy. Ultramicroscopy. 111 (8), 1239-1246 (2011).
- Egerton, R. F. Control of radiation damage in the TEM. Ultramicroscopy. 127, 100-108 (2013).
- Jiang, N. Damage mechanisms in electron microscopy of insulating materials. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 305502(2013).
- Buban, J. P., Ramasse, Q., Gipson, B., Browning, N. D., Stahlberg, H. High-resolution low-dose scanning transmission electron microscopy. J. Electron Microsc. 59 (2), 103-112 (2010).
- Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. Radiation damage in the TEM and SEM. Micron. 35 (6), 399-409 (2004).
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
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