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方法論記事

その場での透過型電子顕微鏡での時間依存絶縁破壊：マイクロエレクトロニクスデバイスの故障メカニズムを理解することが可能

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DOI：

10.3791/52447

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2015年6月26日

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

この記事について

サマリー

オンチップインターコネクトスタックの時間依存型絶縁破壊(TDDB)は、マイクロエレクトロニクスデバイスにとって最も重要な故障メカニズムの一つです。この論文では、透過型電子顕微鏡でのin situ TDDB実験の手順を示しており、マイクロエレクトロニクス製品の故障メカニズムを研究する可能性が開かれます。

要約

オンチップインターコネクトスタックの時間依存型絶縁破壊(TDDB)は、マイクロエレクトロニクスデバイスにとって最も重要な故障メカニズムの一つです。デバイスとインターコネクトの両方で機能サイズを積極的にスケーリングすると、必要な製品の信頼性を確保するための深刻な課題が発生します。標準的な信頼性試験と事後故障解析では、故障メカニズムと劣化動力学の物理学に関する限られた情報しか提供されません。したがって、TDDBの破壊メカニズム、特に劣化速度論を研究するための新しい実験的アプローチと手順を開発する必要があります。本論文では、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いたin situ実験手法を用いて、Cu/ULKインターコネクトスタックのTDDB劣化と破壊メカニズムを調査します。高品質のイメージングと化学分析を使用して、速度論的プロセスを研究します。in situ電気試験はTEMに統合されており、誘電体に高い電界を提供します。電子線トモグラフィーは、絶縁誘電体における指向性Cu拡散を特徴付けるために利用されます。この実験手順は、マイクロエレクトロニクス製品の相互接続スタックの故障メカニズムを研究する可能性を開き、アクティブデバイスの他の構造にも拡張できる可能性があります。

概要

Cu配線は、まず1997年1において、超大規模集積回路（ULSI）技術を導入したので、低誘電率及び超低k（ULK）誘電体は、バックエンド·オブ·ライン（BEOL）に採用されていますオンチップ配線間の絶縁材料として。新しい材料の組み合わせ、 例えば、より低い静電容量のための低抵抗化と低k / ULK誘電体のためのCuは、増加した抵抗-容量（RC）の効果は、配線寸法収縮2,3による遅延克服する。しかし、この利点は、侵食されました近年のマイクロ電子デバイスの継続的な積極的なスケーリングによる。製造プロセス及び製品の信頼性のために様々な課題で低k / ULK材料の結果を使用することは、配線ピッチが約100nm 4-6以下になる場合は特に。

TDDBは、時間の関数としての誘電体材料の物理的な故障メカニズムを指し電界下。 TDDB信頼性試験は、通常、加速条件（昇電界および/または高温）下で行われます。

オンチップの相互接続スタックにおけるTDDBは既に信頼性のコミュニティに強い懸念を表明したマイクロ電子デバイスのための最も重要な故障メカニズムの一つです。でも、弱い電気的および機械的特性を有するULK誘電体は、高度な技術ノードにあるデバイスに統合されているので、それは信頼性技術者のスポットライトであり続けるでしょう。

専用の実験は、TDDBの故障メカニズム7-9を調査するために行われており、労力のかなりの量は、デバイス10〜13の電界と寿命との関係を説明するモデルを開発するために投資されています。既存の研究では、マイクロエレクト​​ロニクスにおける信頼性技術者のコミュニティに利益をもたらします。しかし、多くのチャレンジVol。GESは依然として存在し、多くの疑問がまだ詳細に回答する必要があります。たとえば、実績のあるモデルは、TDDB法で物理的な障害のメカニズムと劣化速度を説明し、それぞれの実験的な検証がまだ不足しています。特に必要として、より適切なモデルが保守的√Eモデル14を代入するために必要とされます。

TDDB調査の非常に重要な部分として、典型的な故障解析は故障メカニズムと分解速度の物理学を説明するための包括的かつ確かな証拠を提供する、 すなわち 、前例のない課題に直面しています。それは非常に時間がかかるので、明らかに、一つ一つのナノスケールのCu配線のビア及びメートルの何百万人を検査し、 元が障害部位を画像インサイチュするには 、この課題のハードルに適切な選択ではなく、損傷機構の動力学についての限られた情報しか提供することができます。このため、緊急の課題は開発に浮上していますND実験を最適化し、TDDBの故障メカニズムと分解速度を研究するために、より良い手順を取得します。

本稿では、 その場実験方法における Cu / ULK配線スタック内のTDDBの故障メカニズムを調査するためにデモンストレーションを行います。高品質イメージングおよび化学分析の能力を持つTEMは、専用のテスト構造における動プロセスを研究するために使用されます。 その場で電気試験における誘電体に高められた電界を提供するために、TEM実験に統合されています。カスタマイズされた「先端間」構造、完全にカプセル化されたCu配線からなり、ULK材料で絶縁、32 nmのCMOS技術ノードに設計されています。ここに記載の実験手順は、能動素子の他の構造体に拡張することができます。

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プロトコル

1.集束イオンビーム（FIB）間伐（図1）のためのサンプルの準備

  1. （〜10ミリメートルで10 mm）のダイヤモンドスクライブとを小さなチップに完全なウェハを切断します。
  2. チップ上の「チップ·ツー·チップ」構造の位置をマークします。
  3. 2mmの大きさで60μmのバーを得るために、ダイシング装置でチップを見ました。バーでは、中心部にある「先端間」構造を含みます。
  4. スーパー接着剤を使用して銅の半分リング上のターゲットバーを接着。次に、スーパー接着剤を使用しても銅試料ステージ上のバーを接着。そして、銀はハーフリングと銅試料ステージとの導通を設定するために貼り付けて使用します。
    注：サンプルを取り扱う際は、常にサンプルに敏感な構造に損傷を与える可能性が静電放電を防ぐために、静電気防止用リストストラップを着用してください。

走査型電子顕微鏡で2 FIB間伐（図2）

  1. 上のステップ1で得られた試​​料を入れてnは、SEM試料台とSEMに慎重に段階を置きます。
  2. 堆積モードを選び、必要な白金保護層の寸法（面積や厚さ）を設定。常に最高の精度を維持するために、30 kVのイオンビームを使用しています。必要なPt層の寸法に依存チューン満足効率を得るために、現在、。
    1. 銅ステージ（接地電位）に一つのパッドに接触するように白金線を堆積。次に、FIBの間引き処理中のイオンダメージを最小限に抑えるために、薄型ラメラを強化することが非常に重要である「チップ·ツー·チップ」構造の上に厚さのPt層を堆積させます。これは、FIBの調製に使用される標準的な手順です。
    2. Ptの堆積を行う際にPt層を介して「先端間」構造の上部にある2つのパッド間の任意の導電性パスを導入しない注意してください。任意の導電性パスが短い電気回路（ 図2AおよびB）になります。
  3. FIBミリング
    1. 最終的なカットのための10のPA 30キロボルトの電圧と電流を使用してください。 150と180 nmの厚さのHバーTEMラメラに薄いターゲットバー。
    2. TEMでトランスデューサ先端が触れるますパッド（V +パッド）の近くにノッチをカット。 TEMで正しいパッドを識別するためのマーカーとしてのノッチを使用してください。

TEMのSEMから3.サンプルトランスファー

  1. サンプルに触れる前に、静電気防止用リストストラップを着ました。
  2. SEM段階から準備されたH-バーサンプルのマウントを解除します。 SEMからそれを除去する際のCuステージ上にサンプルを保管してください。
  3. TEMホルダーにCuの段階を修正しました。光学顕微鏡で試験構造に近いTEMホルダー（離れたテスト構造からマイクロメートルの数百）の変換器先端を移動します。
    1. 慎重にTEMにTEMホルダーを挿入します。 TR中の任意の洗浄処理（ 例えば 、プラズマ洗浄）を利用しないでくださいansferプロセス、そうでない場合はラメラが影響を受ける可能性があります。
  4. 周囲の水分や酸素にあまりにも多くの露出を避けるために、15分またはより短い内にサンプル移送のための時間をおいてください。

4.電気的に接続する（図3）

  1. その制御システムおよびソースメータにTEMホルダーを接続します。そして、制御システムとソースメータをオンにします。
  2. TEMホルダにノブを調整することによって、テスト構造にトランスデューサ先端の粗いアプローチをしているときに、TEMトランスデューサチップを監視します。
    1. （500nmの≤）のV +パッドに近いTEMホルダーのトランスデューサ先端を移動します。パッドとして：同じレベル（高さZ）への変換器チップを持参してください。曲先端の位置と先端がV +パッドの中心に直面します。
  3. V +パッドにトランスデューサチップにお問い合わせください。パッドに近づいている間（約1 Vまで0.5 V）先端に非常に低い電圧を設定します。現在simultaneoを監視usly接触が確立されることを確認します。

その場 TDDB実験5.

  1. TEMで200キロボルトの加速電圧を使用してください。関心のある領域に電子ビームを移動します。適切な倍率を選択し、画像の焦点を合わせます。
  2. 低照度の手順を実行します（≤8）試験構造上のビームダメージを低減します。のみH-バーサンプルの薄い部分内の照明領域をローカライズするためにコンデンサー絞りを使用してください。
  3. その場での TEM画像（2-3フレーム/秒）を記録しながら、ソースメータを使用して「先端間」構造に一定の電圧（≤40 V）を適用します。 DigitalMicrographソフトウェアを使用して、例えば 、自己のスクリプトコードを使用して自動的に画像を記録します。
  4. ULK誘電体への金属の見かけの拡散を見ると、実験を一時停止し、電子分光イメージング（ESI）、化学分析を行います。
    1. OMEGにフィルタスリット開口を挿入TEMでのエネルギーフィルタ。
    2. チューニングフィルタシルト開口の幅は、電子エネルギー損失スペクトル（EELS）で適切なエネルギー幅（10~20 eVの）を取得します。
    3. EELSにおける銅M-エッジ吸着ピークにエネルギーをシフトします。
    4. 銅M-エッジ吸収ピークのエネルギーフィルタ処理TEM画像を取得するために戻って撮影モードに戻ります。
    5. 銅Mエッジの前縁部にエネルギーをシフトし、別のエネルギーフィルタ処理TEM像を得ます。
    6. 二つの画像間の試料のドリフトを修正してください。
    7. 銅のジャンプ比画像を取得するために、第2のいずれかで最初の画像を分割します。
  5. TDDB実験を続行：ソースメータを使用して「先端間」構造に一定の電圧（≤40 V）を再適用し、TEM像を記録します。

6.コンピュータ断層撮影

  1. TDDB実験が終了したTEMコンピュータ断層撮影を行い、ディ約3次元分布情報を取得しますffused粒子。
  2. サンプルを傾けて、138°のチルトシリーズを記録します。 1°の傾斜ステップを使用し、明視野（BF）STEMモードでのすべてのステップの間に画像を記録。
  3. （画像を整列させる傾斜軸を決定し、3次元断層ボリュームを形成するために、ボリュームとセグメンテーションを再構成含む）のシリーズを再構築します。

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結果

図4は、 その場での試験での明視野（BF）のTEM像を示します。部分的に起因する雰囲気で、拡張ストレージに電気試験（ 図4A）の前にULK誘電体中でのTaN / Taの障壁と、既存のCu原子に違反があります。 40 Vでの唯一の376秒後に、絶縁破壊が開始され、M1金属からの銅の二つの主要な移行経路を伴った、グランド側15-16を参照して、正の電位を有します。 ULK誘電体中に拡散したCu粒子は、最終的な内訳（ 図4B）の後にBF TEM像に示されています。

完璧なサンプルでは、 すなわち、FIBの準備とTEM画像（ 図5A）との間の高速転送は、「先端間」構造は、TaNの/ Taバリアの任意の損傷を与えることなくそのままです。同じ電圧（V 40）は、このサンプルに適用しました。このサンプルでは、​​50以上の分まで生存しました内訳は、ため、無傷のTaN / Taバリアの発...

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ディスカッション

TDDB実験の成功の前提条件は、特にSEMでFIBミリングプロセスにおいて、良好なサンプル調製です。まず、「チップ·ツー·チップ」構造の上に厚さのPt層を堆積する必要があります。厚さ及びPt層のサイズは、SEMオペレータによって調整が、3つの原則に従わなければならないことができる：（1）厚さや大きさは、全体の微粉砕処理中に可能なイオンビームダメージから対象領域を保護するのに十分です。 （2）フライス加工後に残った試料の上に比較的厚いPt層（≥400 nm）はまだありますが、それは、内部​​と外部のストレスからデリケートなサンプルを保護し、次のTDDBにおける絶縁破壊による応力の寄与を最小限に抑えます実験; （3）のサイズは、他の導電性経路は、テスト構造体に電圧を印加するために使用される2つのパッド間に形成してもよく、大きすぎてはなりません。さらに、重要なステップは、最終的なカットのイオンビームを停止するときです。中央のCu配線は、「先端間」構造からなり、間の唯一の〜60nmのスペースがあるため、イオンミリングは、テスト構造が消滅の前に特別に設計されたCuの「ダミー」の相互接続構造たら、すぐに中断されなければなりませんそれら。 「チップ...

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開示事項

競合する金銭的利益はありません。

謝辞

著者は、サンプル調製の支援をしてくれたRüdiger Rosenkranz氏とSven Niese氏(Fraunhofer IKTS-MD)、PI95 TEMホルダーの技術サポートを提供してくれたUde Hangen氏、Douglas Stauffer氏、Ryan Major氏、Oden Warren氏(Hysitron Inc.)に感謝します。また、ドレスデン工科大学のCenter for Advancing Electronics Dresden(cfaed)およびDresden Center for Nanoanalysis(DCN)の支援も認められています。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
自動ダイシングソーDISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies
走査型電子顕微鏡ZeissZeiss Nvision 40
PicoindentorHysitronHysitron Pi95
Keithley SourceMeterKeithleyKeithley 2602/237
透過型電子顕微鏡FEIFEI Tecnai F20
透過型電子顕微鏡ZeissZeiss Libra 200

参考文献

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