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방법 논문

투과 전자 현미경에서 제자리 시간에 따른 절연 파괴에 : 가능성은 마이크로 전자 장치의 고장 메커니즘을 이해하기

8.2K 조회수

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DOI:

10.3791/52447

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2015년 6월 26일

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

이 논문에서

요약

온칩 인터커넥트 스택의 TDDB(Time-dependent Dielectric Breakdown)는 마이크로 전자 장치에서 가장 중요한 고장 메커니즘 중 하나입니다. 이 논문은 투과 전자 현미경에서 현장 TDDB 실험의 절차를 보여주며, 이를 통해 마이크로 전자 제품의 고장 메커니즘을 연구할 수 있는 가능성을 열어줍니다.

초록

온칩 인터커넥트 스택의 TDDB(Time-dependent Dielectric Breakdown)는 마이크로 전자 장치에서 가장 중요한 고장 메커니즘 중 하나입니다. 장치와 상호 연결 모두에서 기능 크기의 공격적인 확장은 필요한 제품 신뢰성을 보장하는 데 심각한 문제를 야기합니다. 표준 신뢰성 테스트 및 사후 고장 분석은 고장 메커니즘 및 성능 저하 역학의 물리학에 대한 제한된 정보만 제공합니다. 따라서 특히 TDDB 고장 메커니즘과 열화 역학을 연구하기 위한 새로운 실험적 접근 방식과 절차를 개발할 필요가 있습니다. 이 논문에서는 Cu/ULK 인터커넥트 스택에서 TDDB 성능 저하 및 고장 메커니즘을 조사하기 위해 투과 전자 현미경(TEM)의 현장 실험 방법론을 보여줍니다. 운동 과정을 연구하기 위해 고품질 이미징 및 화학 분석이 사용됩니다. 현장 전기 테스트는 TEM에 통합되어 유전체에 상승된 전기장을 제공합니다. 전자 단층 촬영은 절연 유전체에서 유도된 Cu 확산을 특성화하는 데 사용됩니다. 이 실험 절차는 마이크로 전자 제품의 상호 연결 스택에서 고장 메커니즘을 연구할 수 있는 가능성을 열어주며 활성 장치의 다른 구조로 확장될 수도 있습니다.

서론

구리 배선은 먼저 1997 1 초 대규모 집적 (ULSI) 기술에 도입 된 이후, 저 유전율과는 초저 K는 (ULK) 유전체가 백 엔드 오브 라인으로 (BEOL)를 채용 한 온 - 칩 상호 간의 절연 재료로서. 예를 들어, 새로운 재료의 조합은, Cu를 저감 저항 및 낮은 커패시턴스를위한 저 유전율은 / ULK 유전체는 차원 상호 수축 (2, 3) 지연에 의한 지연 증가의 저항 - 커패시턴스 (RC)의 영향을 극복 위해. 그러나,이 이점은 침식 된 최근 마이크로 전자 장치들의 지속적인 공격적인 스케일링. 제조 공정 및 제품의 신뢰성 문제에 대한 다양한 저 -k / ULK 재료 결과의 이용은, 배선 피치는 약 100㎚ 이하가 4-6에 도달 할 경우 특히.

TDDB는 시간의 함수로서 유전체 재료의 물리적 파괴 메카니즘을 말한다전기장 하에서. TDDB 신뢰성 테스트는 일반적으로 가속 조건 (상승 된 전기장 및 / 또는 고온) 하에서 수행된다.

상호는 스택에 칩의 TDDB 이미 신뢰성 지역 사회에 강한 우려를 제기 한 마이크로 전자 장치를위한 가장 중요한 고장 메커니즘 중 하나입니다. 심지어 약한 전기 및 기계적 특성이 첨단 기술 노드에있는 장치에 통합되고 함께 ULK 유전체 이후 신뢰성 엔지니어의 주목을 계속합니다.

전용 실험 TDDB 실패 메커니즘 7-9를 조사하기 위해 수행되었으며, 상당한 노력이 디바이스 (10-13)의 전기장과 수명과의 관계를 설명하는 모델을 개발하기 위해 투자하고있다. 기존의 연구는 마이크로 전자 공학의 신뢰성 엔지니어의 지역 사회에 도움이; 그러나, 많은 challenGES는 여전히 존재하고 많은 질문은 아직 구체적으로 대답 할 필요가있다. 예를 들어, 검증 모델은 TDDB 과정에서 물리적 실패 메커니즘 및 분해 동력학을 설명하고 각각의 실험적인 검증이 아직 부족하다. 특정 필요에 따라, 더 적합한 모델은 보수적 인 √E 모델 (14)를 대체하기 위해 필요합니다.

TDDB 조사의 매우 중요한 부분으로, 일반적인 고장 분석은 고장 메커니즘과 분해 반응 속도의 물리학을 설명하는 포괄적이고 확실한 증거를 제공, 즉, 전례없는 도전에 직면하고있다. 분명히, 그것이 손상 메카니즘의 동역학에 관한 제한된 정보는 매우 시간 소모적이며, 때문에 실패 사이트, 장애물이 챌린지에 대한 적절한 선택이 아니다 묘화 일대일 및 현지 외 의해 비아 및 나노 구리 라인 m 수백만 검사 제공 될 수있다. 따라서, 긴급 태스크를 개발 등장차 실험을 최적화하고 TDDB 실패 메커니즘과 분해 동역학을 연구하기 위해 더 나은 방법을 얻을 수 있습니다.

본 논문에서는 현장 실험 방법론은 구리 / ULK 상호 스택의 TDDB 실패 메커니즘을 조사하기 위해 시연 할 예정이다. 고품질 영상 및 화학 분석 능력 TEM 전용 테스트 구조에 운동 과정을 연구하기 위해 사용된다. 현장 전기 테스트는 유전체에 높은 전기장을 제공하기 위해 TEM 실험에 통합되어 있습니다. ULK 재료에 의해 완전히 봉입 구리 인터커넥트로 구성된 절연 맞춤형 "팁 투 팁"구조는, 32 nm의 CMOS 기술 노드에서 설계된다. 여기에 설명 된 실험 절차는 또한 능동 디바이스의 다른 구조로 확장 될 수있다.

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프로토콜

대한 샘플을 준비 1. 집중 이온 빔 (FIB) 대머리 (그림 1)

  1. (~ 10mm로 10mm) 다이아몬드 스크라이브와를 작은 칩에 전체 웨이퍼를 절단.
  2. 칩의 "팁 - 투 - 팁"구조의 위치를​​ 표시합니다.
  3. 2mm 크기가 60 ㎛ 인 바 얻기 싱 머신 칩을 보았다. 바는 중앙의 "팁 - 투 - 끝"구조를 포함한다.
  4. 강력 접착제를 사용하여 구리 반 반지의 대상 막대를 접착제. 다음으로, 또한 강력 접착제를 사용하여 구리 샘플 무대에서 막대를 접착제. 그런 다음, 사용 실버 반 링과 구리 샘플 단계 사이의 전도를 설정 붙여 넣습니다.
    참고 : 샘플을 취급 할 때, 항상 샘플에 민감한 구조가 손상 될 수 정전기 방전을 방지하기 위해 정전기 방지 손목 띠를 착용해야합니다.

스캐닝 전자 현미경 2. FIB 엷게 (그림 2)

  1. 1 단계에서 얻어진 샘플을 넣어N 현미경 샘플 단계 및 주사 전자 현미경으로 조심스럽게 무대를 배치합니다.
  2. 증착 모드를 선택하고, 필요한 백금 보호 층의 크기 (면적 및 두께)를 설정합니다. 항상 최고의 정밀도를 유지하기 위해 30 kV의 이온 빔을 사용한다. 조정 전류가 필요한 백금 층의 크기에 따라 만족 효율을 얻을 수 있습니다.
    1. 구리 단계 (접지 전위)에 하나의 패드 연락 백금 라인을 입금. 이어서, FIB 박화 공정 중에 이온 손상을 최소화하고 얇은 라멜라를 강화하는 것이 매우 중요하다 "팁 투 팁"구조 위에 두께의 Pt 층을 증착. 이 FIB의 제조에 사용되는 표준 절차이다.
    2. 백금 증착을 수행 할 때 백금 층을 통해 "팁 - 투 - 팁"구조의 상단에있는 두 개의 패드 사이의 도전을 소개 않도록주의하십시오. 상관 도전로 단락되어 전기 회로 (도 2A와 B).
  3. FIB 밀링
    1. 파이널 컷 10 Pa의 30 kV의 전압과 전류를 사용합니다. 150과 180 나노 미터의 두께와 H-바 TEM의 얇은 판에 얇은 목표 바.
    2. TEM의 트랜스 듀서 팁에 감동한다 패드 (브이 + 패드)에 가까운 노치를 잘라. TEM 올바른 패드를 식별하는 마커로 홈을 사용합니다.

TEM에 SEM 3. 샘플 전송

  1. 샘플을 만지기 전에 정전기 방지 손목 띠를 착용 할 것.
  2. SEM 단계에서 준비 H-바 샘플을 분리합니다. SEM에서 제거 할 때 구리 무대에 샘플을 보관하십시오.
  3. TEM 홀더에 구리 단계를 수정합니다. 테스트 구조에 가까운 TEM 홀더 광학 현미경 (멀리 테스트 구조에서 마이크로 미터의 수백)의 트랜스 듀서 팁을 이동합니다.
    1. 조심스럽게 TEM에 TEM 홀더를 삽입합니다. TR 중에 세정 처리 (예를 들어, 플라즈마 세정)를 사용하지 마십시오ansfer 프로세스는 달리 라멜라는 영향을받을 수있다.
  4. 주변 수분 및 산소에 너무 많은 노출을 피하기 위해 15 분 이하 내에 샘플 전송 시간을 유지.

4. 전기 연결 설정 (그림 3)

  1. 그것의 제어 시스템과 소스 미터에 TEM 홀더를 연결합니다. 이어서 제어 시스템 및 소스 미터에 전환.
  2. TEM 홀더에 손잡이를 조정하여 테스트 구조로 트랜스 듀서 팁의 거친 접근법을 수행 할 때의 TEM 듀서 팁을 모니터한다.
    1. (500 nm의 ≤) 브이 + 패드에 가까운 TEM 홀더의 트랜스 듀서 팁을 이동합니다. 패드로 : (높이 Z)와 동일한 수준으로 트랜스 듀서 팁을 가져와. 튠 팁의 위치와 끝 V + 패드의 중심에 직면하게.
  3. 브이 + 패드 변환기 팁을 문의하십시오. 패드에 접근하는 동안 (약 1 V 0.5 V) 끝에 매우 낮은 전압을 설정합니다. 현재 simultaneo 모니터usly 접촉이 설정되어 있는지 확인합니다.

원위치 TDDB 실험 5.

  1. TEM 200 kV로의 가속 전압을 사용합니다. 관심 영역에 전자 빔을 이동; 적절한 배율을 선택하고 이미지에 초점을 맞 춥니 다.
  2. 테스트 구조에 빔 피해를 줄이기 위해 낮은 조명 단계 (≤ 8)를 사용합니다. 만 H-바 샘플의 얇은 부분에서 조명 영역을 지역화하는 콘덴서 조리개를 사용합니다.
  3. 현장에서 TEM 이미지 (2-3 프레임 / 초)를 기록하는 동안 소스 미터를 사용하여 "팁 - 투 - 팁"구조에 일정한 전압 (≤ 40 V)를 적용합니다. DigitalMicrograph 소프트웨어를 사용하여, 예를 들면, 자기 스크립트 코드를 사용하여 자동으로 이미지를 기록.
  4. ULK 유전체로 금속의 확산을보고 알 때 실험 일시과 전자 분광 영상 (ESI) 화학적 분석을 수행.
    1. Omeg에 필터 슬릿 개구를 삽입TEM의 에너지 필터.
    2. 튠 필터 미사 개구의 폭은 전자 에너지 손실 스펙트럼 (EELS)에 적절한 에너지 폭 (10-20 eV의)를 얻는.
    3. 뱀장어의 구리 M-가장자리 흡착 피크 에너지 시프트.
    4. 구리 M-가장자리 흡수 피크 에너지 필터링 TEM 이미지를 얻기 위해 다시 촬영 모드로 이동합니다.
    5. 구리 M-가장자리의 사전 가장자리로 에너지를 이동 및 다른 에너지 필터링 TEM 이미지를 얻을.
    6. 두 이미지 사이의 샘플의 드리프트를 수정합니다.
    7. 구리의 점프 비율 이미지를 얻기 위해 두 번째로 첫 번째 이미지를 나눈다.
  5. TDDB 실험을 계속 : 소스 미터를 사용하여 "팁 - 투 - 팁"구조에 일정한 전압 (≤ 40 V)를 다시 적용 및 TEM 이미지를 기록합니다.

6. 컴퓨터 단층 촬영

  1. TDDB 실험이 완료 TEM 컴퓨터 단층 촬영을 수행, 디에 대한 3 차원 분포 정보를 얻을 수 있습니다ffused 입자.
  2. 샘플을 기울여 138 °의 틸트 시리즈를 녹화. 1 °의 경사 단계를 사용하여 시야 (BF) 줄기 모드의 모든 단계에서 이미지를 기록합니다.
  3. (이미지 정렬 틸트 축선을 결정하는, 3D 단층 볼륨을 형성하는 볼륨 및 세그먼트를 재구성하는 단계를 포함) 시리즈를 재구성.

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결과

그림 4는 현장 시험에서 시야 (BF)의 TEM 이미지를 보여줍니다. 부분적으로이 위배의 TaN / 때문에 주위에서 확장 된 저장 장치에 전기 테스트 (그림 4A) 전에 ULK 유전체에서 따 장벽과 기존의 구리 원자. 접지 측 15-16을 참조하여 양의 전위를 갖는, 40 V에서 단지 376 초 후, 절연 파괴가 시작 및 M1에서 금속 구리의 두 가지 주요 이동 통로에 수반 하였다. ULK 유전체에서의 Cu 확산 입자는 최종 항복 (도 4B) 후에 BF TEM 이미지를 나타내었다.

완벽한 샘플에서, 즉, FIB 준비와 TEM 영상 (그림 5A) 사이의 빠른 전송은 "팁 - 투 - 끝"구조 탄 / 따 장벽의 손상없이 그대로입니다. 동일한 전압 (40 V)이이 샘플에 적용 하였다. 이 샘플은...

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토론

TDDB 시험에서의 성공의 전제 조건은 특히 SEM에서 FIB 밀링 공정에서, 좋은 샘플 준비이다. 우선, "선단 투 팁"구조 위에 두꺼운 Pt 막 증착되어야한다. 두께의 Pt 층의 크기는 SEM 오퍼레이터에 의해 조정하지만, 세 가지 원칙을 따라야 할 수있다 : (1)의 두께 및 크기가 전체의 밀링 과정 가능한 이온빔 손상 대상 영역을 보호하기에 충분하다; (2) 분쇄 후 남은 시료의 위에 비교적 두꺼운 Pt 막 (≥ 400 nm의)이 여전히 존재한다, 이는 내부 및 외부 스트레스로부터 섬세 시료를 보호하고 옆 TDDB의 절연 파괴에 대한 응력의 기여를 최소화 실험; (3) 크기는 달리 도전성 경로가 테스트 구조에 전압을인가하기 위해 사용되는 2 개의 패드 사이에 형성 할 수 있고, 너무 큰 안된다. 파이널 컷의 이온빔을 중단 할 때 또한, 중요한 단계이다.중앙의 Cu 배선이 "팁 투 팁"구조로 구성 만 ~ 60 nm의 공간 사이에 존재하기 때문에 이온 밀링은, 구조가 사라 시험 앞에서 설...

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공개 사항

경쟁하는 금전적 이해관계가 없습니다.

감사의 글

저자는 시료 준비에 도움을 준 Rüdiger Rosenkranz와 Sven Niese(Fraunhofer IKTS-MD)와 PI95 TEM 홀더에 대한 기술 지원을 해준 Ude Hangen, Douglas Stauffer, Ryan Major 및 Oden Warren(Hysitron Inc.)에게 감사의 뜻을 전합니다. 드레스덴 공과대학(Technische Universität Dresden)의 드레스덴 전자발전센터(Center for Advancing Electronics Dresden, cfaed)와 드레스덴 나노분석 센터(Dresden Center for Nanoanalysis, DCN)의 지원도

인정받고 있습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
자동 다이싱 톱DISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies
주사 전자 현미경ZeissZeiss Nvision 40
PicoindentorHysitronHysitron Pi95
Keithley SourceMeterKeithleyKeithley 2602/237
투과 전자 현미경FEI FEI Tecnai F20
투과 전자 현미경ZeissZeiss Libra 200

참고문헌

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