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 ....
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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. <....
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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., Pat....
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Reimpressões e permissões
