A ruptura dielétrica dependente do tempo (TDDB) em pilhas de interconexão no chip é um dos mecanismos de falha mais críticos para dispositivos microeletrônicos. Este trabalho demonstra o procedimento de um experimento TDDB in situ no microscópio eletrônico de transmissão, que abre a possibilidade de estudar o mecanismo de falha em produtos microeletrônicos.
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Artigo de método
Em ruptura dielétrica Situ dependentes do tempo no Microscópio Eletrônico de Transmissão: A possibilidade de compreender o mecanismo de falha em dispositivos microeletrônicos
Neste artigo
Resumo
Resumo
A ruptura dielétrica dependente do tempo (TDDB) em pilhas de interconexão no chip é um dos mecanismos de falha mais críticos para dispositivos microeletrônicos. O dimensionamento agressivo dos tamanhos dos recursos, tanto em dispositivos quanto em interconexões, leva a sérios desafios para garantir a confiabilidade necessária do produto. Os testes de confiabilidade padrão e a análise de falha post-mortem fornecem apenas informações limitadas sobre a física dos mecanismos de falha e cinética de degradação. Portanto, é necessário desenvolver novas abordagens e procedimentos experimentais para estudar os mecanismos de falha do TDDB e a cinética de degradação em particular. Neste trabalho, uma metodologia experimental in situ no microscópio eletrônico de transmissão (MET) é demonstrada para investigar os mecanismos de degradação e falha de TDDB em pilhas de interconexão/ULK. Imagens de alta qualidade e análises químicas são usadas para estudar o processo cinético. O teste elétrico in situ é integrado ao MET para fornecer um campo elétrico elevado aos dielétricos. A tomografia eletrônica é utilizada para caracterizar a difusão de direcionada nos dielétricos isolantes. Este procedimento experimental abre a possibilidade de estudar o mecanismo de falha em pilhas de interconexão de produtos microeletrônicos, podendo também ser estendido a outras estruturas em dispositivos ativos.
Introdução
Desde interconexões Cu foram primeiramente introduzido na tecnologia de integração ultra-large-scale (ULSI) em 1997 1, low-k e ultra-low-k (ULK) dielétricos foram adotadas no back-end-of-line (BEOL) como os materiais isolantes entre interconexões on-chip. A combinação de novos materiais, por exemplo, Cu para redução da resistência e de baixo k / ULK dielétricos de baixa capacitância, supera os efeitos do aumento da resistência-capacitância (RC) atraso causado por interconectam dimensional encolhimento 2, 3. No entanto, esse benefício foi invadido pela escala agressiva contínua de dispositivos microeletrônicos nos últimos anos. O uso de low-k / ULK materiais resulta em vários desafios no processo de fabricação e para a confiabilidade do produto, especialmente se o campo de interconexão atinge cerca de 100 nm ou menos 4-6.
TDDB refere-se ao mecanismo de um material dieléctrico falha física como uma função de temposob um campo eléctrico. O teste de fiabilidade TDDB é normalmente levada a cabo sob condições aceleradas (campo eléctrico elevada e / ou temperatura elevada).
O TDDB em on-chip stacks interconexão é um dos mecanismos de falha mais críticos para os dispositivos microeletrônicos, que já suscitou preocupações intensas na comunidade confiabilidade. Ele continuará a ser o centro das atenções de engenheiros de confiabilidade desde dielétricos ULK com propriedades elétricas e mecânicas mesmo mais fracos estão sendo integrados nos dispositivos nos nós de tecnologia avançada.
Dedicado experiências foram realizadas para investigar o mecanismo de falha TDDB 7-9, e uma quantidade significativa de esforço tem sido investido para desenvolver modelos que descrevem a relação entre o campo eléctrico e tempo de vida dos dispositivos 10-13. Os estudos existentes beneficiar a comunidade de engenheiros de confiabilidade em microeletrônica; no entanto, muitos challenges ainda existem e muitas questões ainda precisam ser respondidas em detalhes. Por exemplo, os modelos comprovados para descrever o mecanismo de falha e degradação física cinética no processo TDDB ea respectiva verificação experimental ainda estão faltando. Como uma necessidade particular, um modelo mais apropriado é necessário para substituir o modelo conservador √E-14.
Como uma parte muito importante da investigação TDDB, análise de falhas típico está enfrentando um desafio sem precedentes, ou seja, fornecendo evidências abrangente e difícil de explicar a física dos mecanismos de falha e cinética de degradação. Aparentemente, inspeccionando milhões de metros vias e de linhas de Cu nanoescala um por um e ex situ imagiologia do site de falha não é a escolha apropriada de obstáculo a este desafio, porque é muito demorado, e informação limitada sobre a cinética do mecanismo de dano pode ser fornecida. Por isso, uma tarefa urgente surgiu para desenvolver umnd para otimizar experiências e para obter uma melhor procedimento para estudar os mecanismos de falha TDDB e cinética de degradação.
Neste artigo, vamos demonstrar uma metodologia experimental em situ para investigar o mecanismo de falha TDDB em Cu / ULK pilhas de interconexão. Um TEM com a capacidade de imagem de alta qualidade e análise química é usado para estudar o processo de cinética em estruturas de teste dedicados. O teste em eléctrica situ é integrado no experimento MET para proporcionar um campo eléctrico elevado para os dieléctricos. A estrutura personalizado "ponta-a-ponta", consistindo de interconexões Cu totalmente encapsulados e isolados por um material ULK, é projetado no nó de 32 nm CMOS tecnologia. O procedimento experimental descrito aqui pode também ser estendido a outras estruturas em dispositivos activos.
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Protocolo
1. Preparação da amostra para a Focused Ion Beam (FIB) Emagrecimento (Figura 1)
- Clivar o wafer completo em pequenos chips (~ 10 milímetros por 10 milímetros) com um escriba diamante.
- Marque a posição da estrutura de "ponta-a-ponta" sobre os chips.
- Viu o chip com uma máquina de corte em cubos para obter barras de 60 mm por 2 mm de tamanho. O bar inclui a estrutura "ponta-a-ponta" no centro.
- Cole o bar alvo em um meio anel Cu usando o super-cola. Em seguida, cole o bar em um estágio da amostra Cu também usando o super-cola. Então, o uso de prata colar para definir a condução entre a metade e o anel de fase de amostra de cobre.
Nota: Ao manusear a amostra, certifique-se de usar sempre uma pulseira antiestática para evitar descargas eletrostáticas, que podem danificar a estrutura sensível na amostra.
2. FIB Emagrecimento no Microscópio Eletrônico de Varredura (Figura 2)
- Colocar a amostra obtida no passo 1 numan SEM estágio da amostra e colocar o palco com cuidado no SEM.
- Escolheu o modo de deposição, e configurar as dimensões (área e espessura) da camada precisava de proteção Pt. Sempre use um feixe de íons de 30 kV para manter a mais alta precisão. Ajustar a corrente para obter a eficiência satisfeito, dependente das dimensões da camada de Pt necessário.
- Depositar uma linha Pt entrar em contato com um bloco para a fase de Cu (potencial de terra). Subsequentemente, depositar uma camada de Pt de espessura na parte superior da estrutura de "ponta-a-ponta", o que é muito importante para minimizar os danos iónica durante o processo de desbaste FIB e para reforçar a lamela fina. Este é um procedimento padrão utilizado na preparação de FIB.
- Tome cuidado para não introduzir quaisquer caminhos condutores entre os dois blocos no topo da estrutura de "ponta-a-ponta" através da camada de Pt ao realizar a deposição de Pt. Qualquer caminho condutor será curto circuito elétrico (Figura 2 A e B).
- FIB moagem
- Use uma tensão de 30 kV e corrente de 10 pA para o corte final. Diluir o alvo em um bar TEM lamela H-bar com uma espessura entre 150 e 180 nm.
- Corte um entalhe perto da almofada (V + pad) que será tocado por um transdutor na ponta TEM. Utilizar o entalhe como um marcador para identificar a almofada correcta no MET.
3. Amostra de transferência do SEM ao TEM
- Coloque a pulseira anti-estática antes de tocar na amostra.
- Desmontar a amostra H-bar preparado a partir da fase de SEM. Manter a amostra no palco Cu quando removê-lo do SEM.
- Fixe a fase Cu no suporte do TEM. Mover a ponta do transdutor do suporte de MET perto da estrutura de teste (algumas centenas de micrómetros de distância a partir da estrutura de teste) sob o microscópio óptico.
- Insira o suporte da TEM na TEM cuidadosamente. Não utilizar qualquer tratamento de limpeza (por exemplo, limpeza de plasma) durante o transfer processo, caso contrário, a lamela pode ser influenciado.
- Mantenha o tempo para a transferência da amostra em 15 minutos ou menos para evitar o excesso de exposição à humidade ambiente e oxigênio.
4. Estabelecer a ligação eléctrica (Figura 3)
- Conecte o suporte do TEM para seu sistema de controle eo SourceMeter. Em seguida, ligar o sistema de controle eo SourceMeter.
- Monitorar a ponta do transdutor na TEM ao fazer a abordagem grosseira da ponta do transdutor para a estrutura de teste por meio do ajuste dos botões no suporte do TEM.
- Mova a ponta do transdutor do titular do TEM perto do bloco V + (≤ 500 nm). Coloque a extremidade do transdutor para o mesmo nível (Z: altura) como o pad. Ajustar a posição da ponta e fazer a ponta voltado para o centro da almofada de V +.
- Contacte a ponta do transdutor para o bloco V +. Definir uma tensão muito baixa na ponta (0,5 V a cerca de 1 V) quando se aproxima o pad. Monitorar o simultáneo atualusly para garantir que o contato é estabelecido.
5. Experimento In Situ TDDB
- Utilize uma tensão de aceleração de 200 kV no MET. Mova o feixe de elétrons para a área de interesse; escolher uma ampliação adequada e focar a imagem.
- Use passos de iluminação baixos (≤ 8) para reduzir os danos na estrutura de feixe de teste. Use uma abertura do condensador para localizar a área de iluminação apenas dentro da parte fina da amostra H-bar.
- Aplicar uma tensão constante (≤ 40 V) sobre a estrutura "ponta-a-ponta" usando o SourceMeter enquanto grava as imagens em MET in situ (2-3 frames / seg). Grave as imagens automaticamente, utilizando um código de auto-scripted, por exemplo, utilizando o software DigitalMicrograph.
- Pause o experimento ao ver uma difusão aparente de metal em os dielétricos ULK e fazer a análise química Electron espectroscópica Imagem (ESI).
- Insira a abertura de fenda filtro no Omegum filtro de energia no MET.
- Ajustar a largura da abertura de lama do filtro para obter uma largura adequada da energia (20/10 eV) no espectro de perda de energia dos electrões (EELS).
- Deslocar a energia para o pico de adsorção de cobre M-borda nas EELS.
- Volte para o modo de imagem para adquirir uma imagem TEM energia filtrada no Cu M-borda de absorção de pico.
- Deslocar a energia para o pré-borda do M-borda de cobre e obter uma outra imagem TEM energia filtrada.
- Corrigir a deriva da amostra entre as duas imagens.
- Divida a primeira imagem por um segundo para obter a imagem relação salto de Cu.
- Continuar o experimento TDDB: reaplicar uma tensão constante (≤ 40 V) sobre a estrutura "ponta-a-ponta" usando o SourceMeter e gravar as imagens em MET.
6. Tomografia Computadorizada
- Execute TEM tomografia computadorizada quando o experimento TDDB for concluída, para obter informações sobre a distribuição 3D diffused partículas.
- Incline a amostra e gravar uma série de inclinação de 138 °. Use um passo de inclinação de 1 °, e gravar a imagem em cada passo no modo STEM campo claro (BF).
- Reconstruir a série (inclui o alinhamento de imagens, determinando eixo de inclinação, reconstruindo volume e segmentação para formar o volume tomografia 3D).
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Resultados
A Figura 4 mostra brilhante campo (BF) imagens de TEM de um teste em situ. Não são parcialmente violado TaN / barreiras Ta e átomos Cu pré-existentes nos dielétricos ULK antes do teste elétrico (Figura 4A), devido a armazenamento prolongado no ambiente. Depois de apenas 376 segundos a 40 V, a ruptura dielétrica começou e foi acompanhada de duas grandes vias migratórias de cobre de metal M1, com um potencial positivo com referência a lado no chão 15-16. As partículas ...
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Discussão
O pré-requisito para o sucesso da experiência TDDB é boa preparação de amostras, especialmente no processo de moagem FIB no SEM. Em primeiro lugar, uma camada de Pt de espessura na parte superior da estrutura de "ponta-a-ponta" tem de ser depositada. A espessura e o tamanho da camada de Pt pode ser ajustada pelo operador de SEM, mas tem que seguir três princípios: (1) A espessura e o tamanho é suficiente para proteger a área alvo de possíveis danos do feixe de iões ao longo de todo o processo de moagem; (2) Há...
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Divulgações
Sem interesses financeiros concorrentes.
Agradecimentos
Os autores gostariam de agradecer a Rüdiger Rosenkranz e Sven Niese (Fraunhofer IKTS-MD) por sua assistência na preparação da amostra, e Ude Hangen, Douglas Stauffer, Ryan Major e Oden Warren (Hysitron Inc.) por seu suporte técnico no suporte PI95 TEM. O apoio do Centro de Eletrônica Avançada de Dresden (cfaed) e do Centro de Nanoanálise de Dresden (DCN) da Technische Universität Dresden também é reconhecido.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Serra de Corte Automática | DISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies | ||
| Microscópio Eletrônico de Varredura | Zeiss | Zeiss Nvision 40 | |
| Picoindentor | Hysitron | Hysitron Pi95 | |
| Keithley SourceMeter | Keithley | Keithley 2602/237 | |
| Microscópio Eletrônico de Transmissão | FEI FEI | Tecnai F20 | |
| Microscópio Eletrônico de Transmissão | Zeiss | Zeiss Libra 200 |
Referências
- 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).
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Reimpressões e permissões
