Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

В Ситу Время-зависимой пробой диэлектрика в просвечивающий электронный микроскоп: возможность понять механизм Отказ в микроэлектронных устройств

8.3K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/52447

⸱

26 июня 2015 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Нестационарный пробой диэлектрика (TDDB) в стеках межсоединений на кристалле является одним из наиболее критичных механизмов отказа для микроэлектронных устройств. В данной работе показана методика проведения эксперимента in situ TDDB в просвечивающем электронном микроскопе, который открывает возможность изучения механизма отказа в микроэлектронных изделиях.

Аннотация

Нестационарный пробой диэлектрика (TDDB) в стеках межсоединений на кристалле является одним из наиболее критичных механизмов отказа для микроэлектронных устройств. Агрессивное масштабирование размеров функций, как на устройствах, так и на межсоединениях, приводит к серьезным проблемам в обеспечении требуемой надежности продукта. Стандартные испытания на надежность и анализ после заморочных отказов предоставляют лишь ограниченную информацию о физике механизмов отказа и кинетике деградации. В связи с этим необходимо разработать новые экспериментальные подходы и процедуры для изучения механизмов отказа TDDB и, в частности, кинетики деградации. В данной работе продемонстрирована экспериментальная методология in situ в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) для исследования механизмов деградации и отказа TDDB в стеках межсоединений Cu/ULK. Для изучения кинетического процесса используется высококачественная визуализация и химический анализ. Электрическое испытание in situ интегрировано в ПЭМ для создания повышенного электрического поля для диэлектриков. Электронная томография используется для определения характеристик направленной диффузии Cu в изолирующих диэлектриках. Эта экспериментальная процедура открывает возможность изучения механизма отказа в межсвязных стеках микроэлектронных изделий, а также может быть распространена на другие структуры в активных устройствах.

Введение

С Cu соединяет были, во-первых представила на технологии ультра-крупномасштабные интеграции (ULSI) в 1997 году 1, низкая-к и ультра-низким К (УЛК) диэлектриков были приняты в бэк-конец-строки (BEoL) как изоляционных материалов между встроенными межсоединений. Сочетание новых материалов, например, Cu для снижается сопротивление и низкое-K / УЛК диэлектриков для нижней емкости, преодолевает последствия повышенного сопротивления, емкости (RC) задержки, вызванной интерконнект мерной усадки 2, 3. Тем не менее, это преимущество было посягнули продолжающимся агрессивной масштабирования микроэлектронных устройств в последние годы. Использование низкого K / УЛК материалов результатов в различных проблем в производственном процессе, и для надежности продукции, особенно если шаг межсоединений достигает около 100 нм или меньше 4-6.

TDDB относится к физическому механизма разрушения из диэлектрического материала, как функцию временипод действием электрического поля. Тест надежности TDDB обычно проводят в ускоренных условиях (повышенная электрического поля и / или при повышенной температуре).

TDDB в на-чипе межсоединений стеки является одним из наиболее важных механизмов отказа для микроэлектронных устройств, которые уже поднятых проблем интенсивные в сообществе надежности. Это будет по-прежнему в центре внимания инженеров надежности, начиная с УЛК диэлектриков с еще более слабые электрические и механические свойства были интегрированы в устройства в передовых технологий узлов.

Выделенные эксперименты были выполнены, чтобы исследовать механизм разрушения TDDB 7-9, и значительное количество усилий было вложено в разработке моделей, которые описывают отношения между электрическим полем и срока службы устройств 10-13. Существующие исследования пользу сообществу инженеров надежности в микроэлектронике; однако, многие ChallenГЭС до сих пор существуют, и многие вопросы все еще необходимо ответить в деталях. Например, проверенные модели для описания физического механизма и деградации отказ кинетики в процессе TDDB и соответствующая экспериментальная проверка еще не хватает. В частности, необходимо, более подходящей моделью необходимо заменить консервативную √E-модель 14.

Как очень важная часть TDDB расследования, типичным анализ отказов сталкивается с беспрецедентным вызовом, т.е., обеспечивая комплексный и убедительных доказательств, чтобы объяснить физику механизмов отказов и кинетики разложения. По-видимому, осматривая миллионы отверстий и метров наноразмерных Cu линий по одной и экс месте визуализации сайт неудача не подходящим выбором для преодоления этого вызова, потому что это очень много времени, и лишь ограниченная информация о кинетики механизма повреждения может быть предоставлена. Таким образом, актуальной задачей стала разработкай оптимизировать эксперименты и получить лучшую процедуру для изучения механизмов отказа TDDB и кинетика разложения.

В этой статье мы покажем, на месте экспериментального методологии исследовать механизм разрушения TDDB в Cu / УЛК интерконнекта стеков. ТЕМ с возможностью высококачественного изображения и химического анализа используется для изучения кинетической процесс на специальных тестовых структур. На месте электрического теста интегрирован в эксперименте ТЕМ, чтобы обеспечить повышенный электрическое поле в диэлектриках. Настроить структуру "от носа до кончика", состоящий из полностью герметизированных Cu межсоединений и изолированы от материала УЛК, предназначен в 32 нм КМОП технологии узла. Экспериментальная процедура описана здесь также можно распространить и на другие структуры в активных устройств.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Подготовка пробы для сфокусированного ионного пучка (FIB) Разведение (Рисунок 1)

  1. Сколите полный пластины в небольших чипов (~ 10 мм от 10 мм) с алмазным писца.
  2. Отметьте позиции "кончик к кончику» структуры на чипы.
  3. Видел чип с резки полупроводниковых пластин для получения слитков 60 мкм на 2 мм размер. Бар включает в себя "кончик к кончику» структуру в центре.
  4. Клей целевой бар на полукольца Cu, используя супер клей. Далее, клей бар на стадии образца Cu также с помощью супер клея. Затем используйте серебряной пасты, чтобы установить проведение между полукольца и стадии меди образца.
    Примечание: При обращении образец, убедитесь, что всегда надевайте антистатический браслет для предотвращения электростатических разрядов, которые могут повредить чувствительную структуру в образце.

2. FIB Разведение в сканирующем электронном микроскопе (рис 2)

  1. Поместите образец, полученный на шаге 1 нап СЭМ этап образец и поместите на сцену тщательно в SEM.
  2. Выберите режим осаждения и настроить размеры (площадь и толщина) необходимой защиты слоя Pt. Всегда используйте ионного пучка 30 кВ для поддержания высочайшей точности. Настройтесь тока, чтобы получить удовлетворенный эффективности, в зависимости от размеров необходимого слоя Pt.
    1. Депозит линию Pt связаться одну площадку на сцену Cu (потенциал земли). Впоследствии, хранение толстый слой Pt на вершине структуры "кончик к кончику», что очень важно, чтобы свести к минимуму ущерб ионов в процессе прореживания FIB и укрепить тонкую пластинку. Это стандартная процедура, применяемая при подготовке FIB.
    2. Будьте осторожны, чтобы не вводить каких-либо проводящих путей между двух площадок на вершине "кончик к кончику» структуры через слой Pt при выполнении осаждения Pt. Любой проводящий путь будет коротким электрическая цепь (2А и В).
  3. FIB фрезерные
    1. Используйте напряжение 30 кВ и ток 10 мкА для окончательного монтажа. Тонкий целевой бар в Н-бар ТЕМ ламели толщиной между 150 и 180 нм.
    2. Вырезать ступеньку ближе к клавиатуре (V +) площадки, которые будут затронуты на кончике датчика в ПЭМ. Используйте выемку в качестве маркера для определения правильного площадку в ПЭМ.

3. Образец Трансфер из SEM ТЕА

  1. Положите на антистатический браслет, прежде чем прикасаться образца.
  2. Отключите подготовленный Н-бар образец со сцены SEM. Держите образец на этапе, когда Cu удаляя его из SEM.
  3. Закрепите этап Cu на держатель ТЕМ. Перемещение наконечник датчика держателя ПЭМ близко к тестовой структуры (несколько сотен микрометров вдали от испытательной конструкции) под оптическим микроскопом.
    1. Вставьте держатель ТЕМ в ТЕА тщательно. Не использовать любой чистящий лечение (например, плазменная очистка) в течение трПроцесс ansfer, в противном случае ламели могут влиять.
  4. Держите время для передачи образца в течение 15 мин или короткий, чтобы избежать слишком много воздействия окружающей среды влаги и кислорода.

4. Установление Электрическое подключение (рисунок 3)

  1. Подключите держатель ТЕМ его системы управления и SourceMeter. Затем включите систему управления и SourceMeter.
  2. Монитор наконечник датчика в ТЕА, делая грубый подход наконечника преобразователя к тестовой структуры путем настройки регуляторов на держателе ТЕМ.
    1. Перемещение кончик датчика держателя ПЭМ близко к V + Pad (≤ 500 нм). Принесите наконечник датчика в одном уровне (Z: высота) в качестве подушки. Настройтесь положение кончика и сделать кончик сталкиваются центр V + колодки.
  3. Контакты кончик датчика в V + колодки. Установите очень низкое напряжение на кончике (0,5 В до приблизительно 1 В) при приближении к панели. Мониторинг текущего simultaneously чтобы убедиться, что контакт установлен.

5. В Ситу TDDB эксперимента

  1. Используйте ускоренный напряжение 200 кВ в ПЭМ. Перемещение электронного пучка в интересующей области; выбрать правильное увеличение и фокус изображения.
  2. Используйте низкие шаги освещения (≤ 8), чтобы уменьшить ущерб луча на тестовой структуры. Использование конденсатора отверстие для локализации области освещения, только в тонкой части образца Н-бар.
  3. Применить постоянное напряжение (≤ 40 В) на структуре «кончик к кончику», используя SourceMeter время записи ПЭМ-изображения на месте (2-3 кадров / сек). Автоматически записывать изображения с помощью собственного сценарию код, например, с помощью программного обеспечения DigitalMicrograph.
  4. Пауза эксперимент, видя явное распространение металла в диэлектриках УЛК и сделать Электрон Спектроскопический изображений (ESI) химический анализ.
    1. Вставьте фильтр щелевой диафрагмы в Omegэнергия фильтр в ПЭМ.
    2. Настройтесь ширина фильтра ила отверстие, чтобы получить надлежащую ширину энергии (10-20 эВ) в потерь энергии электронов спектра (угри).
    3. Сдвиг энергии в меди М-края пика адсорбции в угрей.
    4. Вернуться в режим изображения, чтобы приобрести фильтруется энергии ТЕМ изображение в пику поглощения М-края Cu.
    5. Сдвиг энергии к предварительно краю меди М-краю, и получить другую энергетическую фильтруют ТЕМ изображение.
    6. Исправьте дрейф образца между двумя изображениями.
    7. Разделите первое изображение по второй, чтобы получить соотношение скачок образ Си.
  5. Продолжить эксперимент TDDB: повторно постоянное напряжение (≤ 40 В) на "кончик к кончику» структуры с помощью SourceMeter и записывать ПЭМ-изображения.

6. Компьютерная томография

  1. Выполните ТЕМ компьютерной томографии, когда эксперимент TDDB закончена, чтобы получить 3D информацию о дистрибуции диffused частицы.
  2. Наклоните образец и записать наклона серии 138 °. Используйте наклона шагом 1 °, и записывать изображения во время каждого шага в светлое поле (BF) режиме STEM.
  3. Реконструировать ряд (включает приведение изображения, определения оси наклона, реконструкции объем и сегментации для формирования 3D томографической объем).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Рисунок 4 показывает яркие поля (BF) ПЭМ-изображения из теста в месте. Там частично нарушено TaN / Ta барьеры и уже существующие атомы Cu в диэлектриках УЛК до электрического теста (рис 4а) из-за длительном хранении в окружающей. После всего лишь 376 сек при 40 V, пробой диэлектрика начала и сопровождалась двух основных путей миграции меди из металла М1, имеющий положительный потенциал со ссылкой на первом стороне 15-16. Рассеянный частицы меди в диэлектриках УЛК пок...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Предпосылкой успеха в эксперименте TDDB хорошо пробоподготовка, особенно в процессе фрезерования FIB в РЭМ. Во-первых, толстый слой Pt на вершине "кончик к кончику» структуры должен быть сдан на хранение. Толщина и размер слоя Pt может быть отрегулирована оператором SEM, но должны следовать трем принципам: (1) Толщина и размер, достаточно, чтобы защитить целевую область от возможных повреждений ионного пучка в течение всего процесса фрезерования; (2) Существует еще относительно толстый слой Pt (≥ 400 нм) в верхней ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Отсутствие конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Рюдигера Розенкранца и Свена Низе (Fraunhofer IKTS-MD) за их помощь в подготовке образцов, а также Уде Хангена, Дугласа Стауффера, Райана Мейджора и Одена Уоррена (Hysitron Inc.) за их техническую поддержку на держателе PI95 TEM. Также следует отметить поддержку Центра развития электроники Дрездена (cfaed) и Дрезденского центра наноанализа (DCN) при Техническом университете Дрездена.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Автоматическая пила для нарезкикубиков DISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies
Сканирующий электронный микроскопZeissZeiss Nvision 40
PicoindentorHysitronHysitron Pi95
Источник-метр Keithley KeithleyKeithley 2602/237
Просвечивающий электронный микроскопFEIFEI Tecnai F20
Просвечивающий электронный микроскопZeissZeiss Libra 200

Ссылки

  1. Edelstein, D., et al. Full Copper Wiring in a Sub-0.25 µm CMOS ULSI Technology. IEDM Tech. Dig. , 773-776 (1997).
  2. List, S., Bamal, M., Stucchi, M., Maex, K. A global view of interconnects. Microelectron. Eng. 83 (11/12), 2200-2207 (2006).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Yeap, K. B., et al. In situ study on low-k interconnect time-dependent-dielectric-breakdown mechanisms). J. Appl. Phys. 115 (12), 124101(2014).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Bell, D. C., Russo, C. J., Kolmykov, D. V. 40 keV atomic resolution TEM. Ultramicroscopy. 114, 31-37 (2012).
  21. Kaiser, U., et al. Transmission electron microscopy at 20 kV for imaging and spectroscopy. Ultramicroscopy. 111 (8), 1239-1246 (2011).
  22. Egerton, R. F. Control of radiation damage in the TEM. Ultramicroscopy. 127, 100-108 (2013).
  23. Jiang, N. Damage mechanisms in electron microscopy of insulating materials. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 305502(2013).
  24. 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).
  25. Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. Radiation damage in the TEM and SEM. Micron. 35 (6), 399-409 (2004).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Электрические испытания in situэлектронная томографияистончение с помощью фокусированного ионного пучкамедные межсоединения с ультранизкой диэлектрической проницаемостьюмеханизм отказа диэлектрикаанализ кинетики деградацииэлектронная спектроскопическая визуализацияструктура «кончик к кончику»
В Ситу Время-зависимой пробой диэлектрика в просвечивающий электронный микроскоп: возможность понять механизм Отказ в микроэлектронных устройств
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.