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Articolo metodologico

In Situ in funzione del tempo di rottura dielettrico nel Transmission Electron Microscope: A Con possibilità di capire il meccanismo Fallimento in dispositivi microelettronici

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DOI:

10.3791/52447

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26 giugno 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 questo articolo

Sommario

Il guasto dielettrico dipendente dal tempo (TDDB) negli stack di interconnessione su chip è uno dei meccanismi di guasto più critici per i dispositivi microelettronici. Questo articolo dimostra la procedura di un esperimento TDDB in situ nel microscopio elettronico a trasmissione, che apre la possibilità di studiare il meccanismo di guasto nei prodotti microelettronici.

Abstract

Il guasto dielettrico dipendente dal tempo (TDDB) negli stack di interconnessione su chip è uno dei meccanismi di guasto più critici per i dispositivi microelettronici. La scalabilità aggressiva delle dimensioni delle funzionalità, sia sui dispositivi che sulle interconnessioni, comporta serie sfide per garantire l'affidabilità del prodotto richiesta. I test di affidabilità standard e l'analisi dei guasti post-mortem forniscono solo informazioni limitate sulla fisica dei meccanismi di guasto e sulla cinetica di degradazione. Pertanto è necessario sviluppare nuovi approcci e procedure sperimentali per studiare in particolare i meccanismi di guasto del TDDB e la cinetica di degradazione. In questo articolo, viene dimostrata una metodologia sperimentale in situ nel microscopio elettronico a trasmissione (TEM) per studiare i meccanismi di degradazione e guasto del TDDB negli stack di interconnessione Cu/ULK. L'imaging di alta qualità e l'analisi chimica vengono utilizzate per studiare il processo cinetico. Il test elettrico in situ è integrato nel TEM per fornire un campo elettrico elevato ai dielettrici. La tomografia elettronica viene utilizzata per caratterizzare la diffusione diretta del Cu nei dielettrici isolanti. Questa procedura sperimentale apre la possibilità di studiare il meccanismo di guasto in pile di interconnessione di prodotti microelettronici, e potrebbe anche essere estesa ad altre strutture in dispositivi attivi.

Introduzione

Poiché interconnessioni Cu sono stati dapprima introdotti nella tecnologia di integrazione ultra-larga scala (ULSI) nel 1997 1, low-k e ultra-low-k (Ulk) dielettrici sono stati adottati nel back-end-of-line (beol) come i materiali isolanti tra interconnessioni su chip. La combinazione di nuovi materiali, ad esempio, Cu per minore resistenza e basso-k dielettrici / Ulk per minori capacità, supera gli effetti di aumento della resistenza-capacità (RC) ritardo causato dalla interconnessione dimensionale restringimento 2, 3. Tuttavia, questo beneficio è stato invaso dalla scala aggressiva continuo di dispositivi microelettronici negli ultimi anni. L'uso di basso k / Ulk materiali comporta varie sfide nel processo di fabbricazione e di affidabilità del prodotto, in particolare se il campo di interconnessione raggiunge circa 100 nm o meno 4-6.

TDDB riferisce al meccanismo di rottura fisica di un materiale dielettrico in funzione del temposotto un campo elettrico. Il test di affidabilità TDDB viene solitamente eseguita in condizioni accelerate (campo elettrico elevato e / o temperatura elevata).

La TDDB in on-chip stacks interconnessione è uno dei meccanismi di guasto più critici per i dispositivi microelettronici, che ha già sollevato preoccupazioni intensi nella comunità affidabilità. Si continuerà ad essere al centro dell'attenzione degli ingegneri di affidabilità da dielettrici Ulk con ancora più deboli proprietà elettriche e meccaniche vengono integrati nei dispositivi di nodi tecnologici avanzati.

Esperimenti dedicati sono stati condotti per indagare il meccanismo di rottura TDDB 7-9, ed una notevole quantità di sforzo è stato investito per sviluppare modelli che descrivono la relazione tra campo elettrico e la durata dei dispositivi 10-13. Gli studi esistenti beneficio della comunità degli ingegneri di affidabilità in microelettronica; tuttavia, molti Challenesistono ancora GES e molte domande ancora devono essere risolte in dettaglio. Ad esempio, i modelli collaudati per descrivere il meccanismo di fallimento e di degradazione cinetica fisici nel processo TDDB e la rispettiva verifica sperimentale sono ancora carenti. Di particolare esigenza, è necessario un modello più opportuno sostituire la √E modello conservatore 14.

Come una parte molto importante delle indagini TDDB, analisi tipico fallimento si trova ad affrontare una sfida senza precedenti, cioè, fornire la prova completa e difficile da spiegare la fisica del meccanismi di guasto e di cinetica di degradazione. A quanto pare, il controllo di milioni di vias e metri di scala nanometrica linee Cu uno per uno ed ex situ esponendo il sito fallimento non è la scelta appropriata di ostacolo a questa sfida, perché richiede molto tempo, e solo informazioni limitate sui cinetica del meccanismo di danno può essere fornito. Pertanto, un compito urgente è emersa per sviluppare unnd per ottimizzare gli esperimenti e per ottenere una procedura migliore per studiare i meccanismi di rottura TDDB e cinetica di degradazione.

In questo lavoro, dimostreremo in situ metodologia sperimentale per indagare il meccanismo di fallimento TDDB in Cu / Ulk stack di interconnessione. Un TEM con la capacità di immagini di alta qualità e dell'analisi chimica viene utilizzata per studiare il processo cinetica in strutture di test dedicati. Il test elettrico in situ è integrato nella esperimento TEM per fornire un campo elettrico elevato al dielettrici. Una struttura su misura "da punta a punta", costituita da interconnessioni Cu completamente incapsulato e isolato da un materiale ULK, è stato progettato nel nodo tecnologia CMOS a 32 nm. La procedura sperimentale qui descritto può essere esteso anche ad altre strutture di dispositivi attivi.

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Protocollo

1. Preparazione del campione per la Focused Ion Beam (FIB) assottigliamento (Figura 1)

  1. Cleave l'intero wafer in piccoli chip (circa 10 mm x 10 mm) con uno scriba diamante.
  2. Segnare le posizioni della struttura "da punta a punta" sui chip.
  3. Visto il chip con una macchina a dadi per ottenere barre di 60 micron per 2 dimensioni mm. Il bar comprende la struttura "punta-punta" al centro.
  4. Incollare la barra bersaglio su un mezzo anello Cu utilizzando la colla super. Avanti, incollare la barra su un palco campione Cu anche utilizzando la colla super. Quindi, l'uso d'argento pasta per impostare la conduzione tra il mezzo anello e la fase di campionamento di rame.
    Nota: Quando si maneggia il campione, assicurarsi di indossare sempre un braccialetto antistatico per evitare scariche elettrostatiche, che possono danneggiare la struttura sensibile nel campione.

2. FIB assottigliamento nel microscopio elettronico a scansione (Figura 2)

  1. Mettere il campione ottenuto nel passaggio 1 su unn SEM fase del campione e inserire il palco con cautela nel SEM.
  2. Scegliere la modalità di deposizione, e impostare le dimensioni (area e spessore) dello strato di protezione Pt necessario. Utilizzare sempre un fascio di ioni 30 kV per mantenere la massima precisione. Tune la corrente per ottenere l'efficienza soddisfatto, dipendente dalle dimensioni del livello Pt necessario.
    1. Depositare una linea Pt a contattare uno pad allo stadio Cu (potenziale di terra). Successivamente, depositare uno spesso strato di Pt in cima alla struttura "punta-punta", che è molto importante per ridurre al minimo il danno litio durante il processo di assottigliamento FIB e rafforzare il sottile lamelle. Si tratta di una procedura standard utilizzata in preparazione FIB.
    2. Fare attenzione a non introdurre percorsi conduttivi tra i due pad sulla parte superiore della struttura "da punta a punta", attraverso lo strato di Pt quando si esegue la deposizione Pt. Qualsiasi percorso conduttivo si corto circuito elettrico (Figura 2A e B).
  3. FIB fresatura
    1. Utilizzare una tensione di 30 kV e corrente di 10 pA per il taglio finale. Thin barra di destinazione in un TEM lamella H-bar con uno spessore compreso tra 150 e 180 nm.
    2. Tagliare una tacca vicino al pad (V + pad), che sarà toccato da una punta del trasduttore nel TEM. Utilizzare la tacca come un indicatore per identificare il pad corretta nel TEM.

3. Il campione di trasferimento dal SEM al TEM

  1. Indossare il braccialetto antistatico prima di toccare il campione.
  2. Smontare il campione H-bar preparata dal palco SEM. Mantenere il campione sul palco Cu durante la rimozione dal SEM.
  3. Fissare la fase Cu sul supporto TEM. Spostare la punta del trasduttore del titolare TEM vicino alla struttura di test (alcune centinaia di micrometri distanza dalla struttura di test) al microscopio ottico.
    1. Inserire il supporto TEM nel TEM attenzione. Non utilizzare alcun trattamento di pulizia (es pulizia plasma) durante il trprocesso ansfer, altrimenti le lamelle può essere influenzato.
  4. Mantenere il tempo per il trasferimento del campione entro 15 minuti o più breve per evitare troppa esposizione all'umidità ambientale e ossigeno.

4. Stabilire il collegamento elettrico (Figura 3)

  1. Collegare il titolare TEM al sistema di controllo e il SourceMeter. Poi accendere il sistema di controllo e il SourceMeter.
  2. Monitorare la punta del trasduttore nel TEM quando si fa l'approccio grossolano della punta del trasduttore alla struttura di prova sintonizzando le manopole sul supporto TEM.
    1. Spostare la punta del trasduttore del titolare TEM vicino al pad V + (≤ 500 nm). Portare la punta del trasduttore allo stesso livello (Z: altezza) come pad. Tune la posizione della punta e rendere la punta rivolto verso il centro della V + pad.
  3. Contattare la punta del trasduttore al pad V +. Impostare una bassissima tensione sulla punta (0,5 V a circa 1 V) mentre si avvicina il pad. Monitorare il simultaneo di correnteusly per assicurarsi che si stabilisce il contatto.

5. In Situ TDDB Experiment

  1. Utilizzare una tensione di 200 kV di accelerato nel TEM. Spostare il fascio di elettroni per l'area di interesse; scegliere un ingrandimento adeguato e fuoco l'immagine.
  2. Utilizzare bassa illuminazione passaggi (≤ 8) per ridurre i danni del fascio sulla struttura di prova. Utilizzare una apertura del condensatore di localizzare la zona di illuminazione solo all'interno della parte sottile del campione H-bar.
  3. Applicare una tensione costante (≤ 40 V) sulla struttura "da punta a punta" con il SourceMeter durante la registrazione delle immagini TEM in situ (2-3 fotogrammi / sec). Registrare automaticamente le immagini utilizzando un codice di autoregolamentazione script, ad esempio, utilizzando il software DigitalMicrograph.
  4. Pausa l'esperimento vedendo una diffusione apparente di metallo nei dielettrici Ulk e fare il Electron Spectroscopic Imaging (ESI) analisi chimica.
    1. Inserire l'apertura del filtro a fessura nel Omegun filtro di energia nel TEM.
    2. Tune la larghezza dell'apertura filtro limo per ottenere una larghezza di energia adeguata (10-20 eV) nello spettro degli elettroni perdita di energia (EELS).
    3. Spostare l'energia per il picco di assorbimento di rame M-edge nei EELS.
    4. Torna alla modalità di imaging per acquisire un'immagine TEM energia filtrata alla M-edge picco di assorbimento Cu.
    5. Spostare l'energia per la pre-bordo del M-bordo di rame e ricevere un'altra immagine TEM energia filtrata.
    6. Correggere la deriva del campione tra le due immagini.
    7. Dividete la prima immagine dalla seconda per ottenere l'immagine rapporto tra salto di Cu.
  5. Continua l'esperimento TDDB: riapplicare una tensione costante (≤ 40 V) sulla struttura "da punta a punta" con il SourceMeter e registrare le immagini TEM.

6. Tomografia Computerizzata

  1. Eseguire TEM tomografia computerizzata quando l'esperimento TDDB è finito, per ottenere informazioni sulla distribuzione 3D sulla diparticelle ffused.
  2. Inclinare il campione e registrare una serie di inclinazione di 138 °. Utilizzare un passo inclinazione di 1 °, e registrare l'immagine in ogni fase in modalità STEM in campo chiaro (BF).
  3. Ricostruire la serie (include allineamento immagini, determinando asse di ribaltamento, ricostruendo volume e segmentazione per formare il volume tomografica 3D).

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Risultati

La figura 4 mostra in campo chiaro (BF) immagini TEM da una prova in situ. Ci sono parzialmente violato TaN / Ta barriere e gli atomi di Cu preesistenti nei dielettrici Ulk prima del test elettrico (Figura 4A) a causa di rimessaggio prolungato in ambiente. Dopo soli 376 sec a 40 V, la ripartizione dielettrica iniziato ed era accompagnata da due principali vie di migrazione di rame dal metallo M1, avente un potenziale positivo con riferimento al lato terra 15-16. Le p...

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Discussione

Il prerequisito del successo nell'esperimento TDDB è buona preparazione del campione, in particolare nel processo di fresatura FIB nel SEM. In primo luogo, uno spesso strato di Pt in cima alla struttura "punta-punta" deve essere depositato. Lo spessore e la dimensione dello strato Pt può essere regolata dall'operatore SEM, ma devono seguire tre principi: (1) lo spessore e la dimensione sono sufficienti a proteggere la zona di destinazione da possibili danni fascio di ioni durante l'intero processo ...

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Dichiarazioni

Nessun interesse finanziario in competizione.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano Rüdiger Rosenkranz e Sven Niese (Fraunhofer IKTS-MD) per la loro assistenza nella preparazione dei campioni, e Ude Hangen, Douglas Stauffer, Ryan Major e Oden Warren (Hysitron Inc.) per il loro supporto tecnico sul supporto TEM PI95. È riconosciuto anche il supporto del Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) e del Dresden Center for Nanoanalysis (DCN) presso la Technische Universität Dresden.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Sega automatica per cubettiDISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies
Microscopio elettronico a scansioneZeissZeiss Nvision 40
PicoindentorHysitronHysitron Pi95
Keithley SourceMeterKeithleyKeithley 2602/237
Microscopio elettronico a trasmissioneFEIFEI Tecnai F20
microscopio elettronico a trasmissioneZeissZeiss Libra 200

Riferimenti

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