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Article de méthode

En rupture diélectrique Situ en fonction du temps dans le microscope électronique à transmission: une possibilité de comprendre le mécanisme de panne des dispositifs microélectroniques

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DOI :

10.3791/52447

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26 juin 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

Dans cet article

Résumé

La rupture diélectrique dépendante du temps (TDDB) dans les piles d’interconnexion sur puce est l’un des mécanismes de défaillance les plus critiques pour les dispositifs microélectroniques. Cet article présente le déroulement d’une expérience TDDB in situ au microscope électronique à transmission, qui ouvre la possibilité d’étudier le mécanisme de défaillance dans les produits microélectroniques.

Résumé

La rupture diélectrique dépendante du temps (TDDB) dans les piles d’interconnexion sur puce est l’un des mécanismes de défaillance les plus critiques pour les dispositifs microélectroniques. L’évolutivité agressive de la taille des fonctionnalités, à la fois sur les appareils et les interconnexions, pose de sérieux défis pour garantir la fiabilité requise du produit. Les tests de fiabilité standard et l’analyse post-mortem des défaillances ne fournissent que des informations limitées sur la physique des mécanismes de défaillance et la cinétique de dégradation. Par conséquent, il est nécessaire de développer de nouvelles approches et procédures expérimentales pour étudier les mécanismes de défaillance des TDDB et la cinétique de dégradation en particulier. Dans cet article, une méthodologie expérimentale in situ au microscope électronique à transmission (MET) est démontrée pour étudier les mécanismes de dégradation et de défaillance de la TDDB dans les empilements d’interconnexion Cu/ULK. Des images et des analyses chimiques de haute qualité sont utilisées pour étudier le processus cinétique. Le test électrique in situ est intégré dans le TEM pour fournir un champ électrique élevé aux diélectriques. La tomographie électronique est utilisée pour caractériser la diffusion dirigée du Cu dans les diélectriques isolants. Cette procédure expérimentale ouvre la possibilité d’étudier le mécanisme de défaillance dans les piles d’interconnexion de produits microélectroniques, et elle pourrait également être étendue à d’autres structures dans des dispositifs actifs.

Introduction

Depuis interconnexions Cu ont d'abord été introduits dans l'intégration des technologies ultra-grande échelle (ULSI) en 1997 1, low-k et ultra-low-k (ULK) diélectriques ont été adoptées dans le back-end-of-line (beol) que les matériaux isolants entre les interconnexions sur puce. La combinaison de nouveaux matériaux, par exemple, Cu pour la résistance réduite et diélectriques low-k / ULK pour capacité inférieure, surmonte les effets de l'augmentation de résistance-condensateur (RC) retard causé par interconnexion dimensions retrait 2, 3. Toutefois, cet avantage a été empiété par la mise à l'échelle dynamique continue des dispositifs microélectroniques au cours des dernières années. L'utilisation de low-k / ULK résultats des matériaux dans divers défis dans le processus de fabrication et de la fiabilité des produits, en particulier si le terrain d'interconnexion atteint environ 100 nm ou moins 4-6.

TDDB se réfère au mécanisme de rupture physique d'un matériau diélectrique en fonction du tempssous un champ électrique. Le test de fiabilité TDDB est habituellement effectuée dans des conditions accélérées (champ électrique élevé et / ou température élevée).

Le TDDB dans la puce d'interconnexion empile est l'un des mécanismes de défaillance les plus critiques pour les dispositifs microélectroniques, qui a déjà soulevé des préoccupations intenses de la communauté de fiabilité. Il continuera d'être à l'honneur des ingénieurs en fiabilité depuis diélectriques ULK avec des propriétés électriques et mécaniques encore plus faibles sont intégrés dans les appareils dans les nœuds technologiques avancés.

Expériences dédiées ont été réalisées pour étudier le mécanisme de défaillance de TDDB 7-9, et une quantité importante d'efforts ont été investis pour développer des modèles qui décrivent la relation entre le champ électrique et durée de vie des dispositifs 10-13. Les études existantes bénéficient de la communauté des ingénieurs en fiabilité en microélectronique; cependant, beaucoup challenges existent encore et de nombreuses questions doivent encore être répondu en détail. Par exemple, des modèles éprouvés de décrire le mécanisme de l'échec et de la dégradation cinétique physiques dans le processus de TDDB et la vérification expérimentale respective font encore défaut. Comme un besoin particulier, un modèle plus approprié est nécessaire pour remplacer le modèle conservateur √E-14.

Comme une partie très importante de l'enquête de TDDB, analyse typique d'échec est confrontée à un défi sans précédent, à savoir, fournir la preuve complète et difficile à expliquer la physique des mécanismes de défaillance et de la cinétique de dégradation. Apparemment, l'inspection des millions de vias et des mètres de nanométriques lignes Cu un par un et ex situ imagerie le site de l'échec est pas le choix approprié à franchir ce défi, car il est très chronophage, et que peu d'informations à propos de la cinétique du mécanisme de dommages peuvent être fournis. Par conséquent, une tâche urgente est apparue de développer unee pour optimiser les expériences et d'obtenir une meilleure procédure pour étudier les mécanismes de défaillance de TDDB et cinétique de dégradation.

Dans cet article, nous allons démontrer une méthodologie expérimentale in situ pour étudier le mécanisme d'échec TDDB en Cu / ULK piles d'interconnexion. Une TEM avec la capacité de l'imagerie de haute qualité et l'analyse chimique est utilisée pour étudier le processus cinétique à des structures de test dédiés. Le test électrique in situ est intégré dans l'expérience de TEM de fournir un champ électrique élevée pour les diélectriques. Une structure personnalisée "pointe-pointe", constitué d'interconnexions cuivre entièrement encapsulés et isolés par un matériau ULK, est conçu dans le nœud de la technologie CMOS 32 nm. La procédure expérimentale décrite ici peut également être étendu à d'autres structures de dispositifs actifs.

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Protocole

1. Préparation de l'échantillon pour le Focused Ion Beam (FIB) Dilution (Figure 1)

  1. Cliver la plaquette complète en petits copeaux (~ 10 mm par 10 mm) avec une pointe en diamant.
  2. Marquez les positions de la structure "pointe-pointe" sur les puces.
  3. Vu la puce avec une machine de découpe pour obtenir des barres de 60 um de 2 mm de taille. Le bar comprend la structure "pointe-pointe" dans le centre.
  4. Collez la barre de cible sur un demi-anneau Cu en utilisant la super glue. Ensuite, collez la barre sur une scène de l'échantillon Cu en utilisant également la super glue. Ensuite, l'utilisation pâte d'argent pour régler la conduction entre l'anneau de la moitié et le stade de l'échantillon de cuivre.
    Remarque: Lors de la manipulation de l'échantillon, assurez-vous de toujours porter un bracelet antistatique pour éviter les décharges électrostatiques, ce qui peut endommager la structure sensible dans l'échantillon.

2. FIB éclaircie dans le microscope électronique à balayage (Figure 2)

  1. Mettre l'échantillon obtenu à l'étape 1 sur unn SEM de la phase de l'échantillon et placer soigneusement la scène dans la SEM.
  2. Choisissez le mode de dépôt, et mettre en place les dimensions (superficie et l'épaisseur) de la couche de protection Pt nécessaire. Toujours utiliser un faisceau d'ions de 30 kV pour maintenir la plus grande précision. Réglez le courant pour obtenir l'efficacité satisfait, en fonction des dimensions de la couche de Pt est nécessaire.
    1. Déposer une ligne Pt à communiquer avec un pad à l'étape Cu (potentiel de terre). Par la suite, déposer une couche épaisse sur le dessus Pt de la structure "pointe-pointe", qui est très important pour minimiser les dégâts d'ions pendant le processus d'amincissement de la FIB et de renforcer la lamelle mince. Ceci est une procédure standard utilisé dans la préparation FIB.
    2. Prenez garde à ne pas introduire des chemins conducteurs entre les deux coussins sur le haut de la structure "pointe-pointe" à travers la couche de Pt lorsque vous effectuez le dépôt Pt. Tout chemin conducteur va court circuit électrique (figure 2A et B).
  3. FIB fraisage
    1. Utilisez une tension de 30 kV et un courant de 10 pA pour le montage final. Thin la barre de cible dans un H-bar TEM lamelles avec une épaisseur comprise entre 150 et 180 nm.
    2. Une entaille près de la plaquette (V + pad) qui sera touché par une pointe de transducteur dans le TEM. Utilisez l'encoche comme un marqueur pour identifier le bon pad dans le TEM.

3. Exemple de transfert de la SEM à la TEM

  1. Mettez le bracelet antistatique avant de toucher l'échantillon.
  2. Démonter préparé l'échantillon H-bar de la scène SEM. Conserver l'échantillon sur la scène Cu lors du débranchement de la SEM.
  3. Fixer la scène Cu sur le support de TEM. Déplacez la pointe de transducteur du support à proximité de la structure de test de TEM (quelques centaines de micromètres à l'extérieur de la structure de test) sous le microscope optique.
    1. Insérez le support de TEM dans le TEM attentivement. Ne pas utiliser un traitement de nettoyage (par exemple, le nettoyage au plasma) au cours de la transfert processus, sinon la lamelle peut être influencée.
  4. Gardez du temps pour le transfert de l'échantillon dans les 15 minutes ou moins pour éviter une trop grande exposition à l'humidité ambiante et de l'oxygène.

4. Établissement de la connexion électrique (Figure 3)

  1. Connectez le support de TEM à son système de contrôle et le SourceMeter. Allumez ensuite le système de commande et le SourceMeter.
  2. Surveiller la pointe de la sonde dans le TEM lorsque vous faites l'approche grossière de la pointe de la sonde à la structure de test en réglant les boutons sur le support de TEM.
    1. Déplacez la pointe de transducteur du support de TEM à proximité de la pad V + (≤ 500 nm). Apportez la pointe du transducteur au même niveau (Z: hauteur) que le pad. Ajuster la position de la pointe et de faire face à la pointe du centre de la V + pad.
  3. Contactez la pointe du transducteur au pad V +. Régler une tension très faible sur la pointe (0,5 V à environ 1 V) à l'approche de la plaquette. Surveiller la simultaneo actuelleisa nt pour vous assurer que le contact est établi.

5. In Situ TDDB Experiment

  1. Utiliser une tension de 200 kV accéléré dans le TEM. Déplacer le faisceau d'électrons à la zone d'intérêt; choisissez un grossissement approprié et focaliser l'image.
  2. Utilisez étapes de faible éclairage (≤ 8) pour réduire les dommages du faisceau sur la structure de test. Utiliser une ouverture du condenseur à localiser la zone d'éclairage que dans la partie mince de l'échantillon H-bar.
  3. Appliquer une tension constante (≤ 40 V) sur la structure "pointe-pointe" en utilisant le SourceMeter tout en enregistrant les images TEM in situ (2-3 images / sec). Enregistrer automatiquement les images en utilisant un code d'auto-scénarisé, par exemple, en utilisant le logiciel DigitalMicrograph.
  4. Mettre en pause l'expérience en voyant une diffusion apparente de métal dans les diélectriques ULK et faire le Electron imagerie spectroscopique (ESI) analyse chimique.
    1. Insérez l'ouverture filtre à fente dans le Omegun filtre d'énergie dans le TEM.
    2. Tune la largeur de l'ouverture de limon filtre pour obtenir une largeur d'énergie propre (10 à 20 eV) dans le spectre électronique de la perte d'énergie (EELS).
    3. Maj l'énergie au cuivre M-bord adsorption pic dans les anguilles.
    4. Retour à la mode d'imagerie pour acquérir une image filtrée en énergie de TEM au Cu M-bord pic d'absorption.
    5. Maj l'énergie à la pré-bord de la M-bord de cuivre et d'obtenir une autre image de TEM d'énergie filtrée.
    6. Corriger la dérive de l'échantillon entre les deux images.
    7. Divisez la première image par la seconde pour obtenir le rapport d'image de saut de Cu.
  5. Poursuivre l'expérience TDDB: réappliquer une tension constante (≤ 40 V) sur la structure "pointe-pointe" en utilisant le SourceMeter et enregistrer les images TEM.

6. tomodensitométrie

  1. Effectuer TEM tomographie lorsque l'expérience TDDB est terminé, pour obtenir des informations de distribution 3D sur le diffused particules.
  2. Inclinez l'échantillon et enregistrer une série d'inclinaison de 138 °. Utilisez une étape d'inclinaison de 1 °, et d'enregistrer l'image au cours de chaque étape dans le mode STEM champ clair (BF).
  3. Reconstruire la série (comprend l'alignement des images, déterminer l'axe d'inclinaison, la reconstruction de volume et de segmentation pour former le volume tomographique 3D).

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Résultats

La figure 4 montre lumineux champ (BF) images TEM provenant d'un essai in situ. Il sont partiellement violé TaN / Ta barrières et les atomes de Cu pré-existantes dans les diélectriques ULK avant le test électrique (figure 4A) en raison d'un stockage prolongé dans l'air ambiant. Après seulement 376 secondes à 40 V, la rupture diélectrique a commencé et a été accompagnée de deux grandes voies de migration de cuivre du métal M1, ayant un potentiel positif par rapport à...

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Discussion

La condition préalable de la réussite dans l'expérience TDDB est une bonne préparation de l'échantillon, en particulier dans le processus de fraisage de FIB dans la SEM. Tout d'abord, une épaisse couche de Pt sur le dessus de la structure "pointe-pointe" doit être déposé. L'épaisseur et la taille de la couche Pt peut être ajustée par l'opérateur SEM, mais doivent suivre trois principes: (1) L'épaisseur et la taille sont assez pour protéger la zone cible de possibles dommages faisceau d&...

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Déclarations de divulgation

Pas d’intérêts financiers concurrents.

Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier Rüdiger Rosenkranz et Sven Niese (Fraunhofer IKTS-MD) pour leur aide dans la préparation des échantillons, ainsi que Ude Hangen, Douglas Stauffer, Ryan Major et Oden Warren (Hysitron Inc.) pour leur soutien technique sur le support TEM PI95. Le soutien du Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) et du Dresden Center for Nanoanalysis (DCN) de la Technische Universität Dresden est également reconnu.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Scie à dés automatiqueDISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies
Microscope électronique à balayageZeiss ZeissNvision 40
PicoindentorHysitronHysitron Pi95
Keithley SourceMeterKeithleyKeithley 2602/237
Microscope électroniqueà transmission FEIFEI Tecnai F20
Microscope électronique à transmissionZeiss ZeissLibra 200

Références

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