Introduction
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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Protocol
대한 샘플을 준비 1. 집중 이온 빔 (FIB) 대머리 (그림 1)
- (~ 10mm로 10mm) 다이아몬드 스크라이브와를 작은 칩에 전체 웨이퍼를 절단.
- 칩의 "팁 - 투 - 팁"구조의 위치를 표시합니다.
- 2mm 크기가 60 ㎛ 인 바 얻기 싱 머신 칩을 보았다. 바는 중앙의 "팁 - 투 - 끝"구조를 포함한다.
- 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 단계에서 얻어진 샘플을 넣어N 현미경 샘플 단계 및 주사 전자 현미경으로 조심스럽게 무대를 배치합니다.
- 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.
- 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.
- 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).
- FIB 밀링
- 파이널 컷 10 Pa의 30 kV의 전압과 전류를 사용합니다. 150과 180 나노 미터의 두께와 H-바 TEM의 얇은 판에 얇은 목표 바.
- TEM의 트랜스 듀서 팁에 감동한다 패드 (브이 + 패드)에 가까운 노치를 잘라. TEM 올바른 패드를 식별하는 마커로 홈을 사용합니다.
TEM에 SEM 3. 샘플 전송
- 샘플을 만지기 전에 정전기 방지 손목 띠를 착용 할 것.
- SEM 단계에서 준비 H-바 샘플을 분리합니다. SEM에서 제거 할 때 구리 무대에 샘플을 보관하십시오.
- TEM 홀더에 구리 단계를 수정합니다. 테스트 구조에 가까운 TEM 홀더 광학 현미경 (멀리 테스트 구조에서 마이크로 미터의 수백)의 트랜스 듀서 팁을 이동합니다.
- 조심스럽게 TEM에 TEM 홀더를 삽입합니다. TR 중에 세정 처리 (예를 들어, 플라즈마 세정)를 사용하지 마십시오ansfer 프로세스는 달리 라멜라는 영향을받을 수있다.
- 주변 수분 및 산소에 너무 많은 노출을 피하기 위해 15 분 이하 내에 샘플 전송 시간을 유지.
4. 전기 연결 설정 (그림 3)
- 그것의 제어 시스템과 소스 미터에 TEM 홀더를 연결합니다. 이어서 제어 시스템 및 소스 미터에 전환.
- TEM 홀더에 손잡이를 조정하여 테스트 구조로 트랜스 듀서 팁의 거친 접근법을 수행 할 때의 TEM 듀서 팁을 모니터한다.
- (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.
- 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.
- TEM 200 kV로의 가속 전압을 사용합니다. 관심 영역에 전자 빔을 이동; 적절한 배율을 선택하고 이미지에 초점을 맞 춥니 다.
- 테스트 구조에 빔 피해를 줄이기 위해 낮은 조명 단계 (≤ 8)를 사용합니다. 만 H-바 샘플의 얇은 부분에서 조명 영역을 지역화하는 콘덴서 조리개를 사용합니다.
- 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.
- ULK 유전체로 금속의 확산을보고 알 때 실험 일시과 전자 분광 영상 (ESI) 화학적 분석을 수행.
- Omeg에 필터 슬릿 개구를 삽입TEM의 에너지 필터.
- 튠 필터 미사 개구의 폭은 전자 에너지 손실 스펙트럼 (EELS)에 적절한 에너지 폭 (10-20 eV의)를 얻는.
- 뱀장어의 구리 M-가장자리 흡착 피크 에너지 시프트.
- 구리 M-가장자리 흡수 피크 에너지 필터링 TEM 이미지를 얻기 위해 다시 촬영 모드로 이동합니다.
- 구리 M-가장자리의 사전 가장자리로 에너지를 이동 및 다른 에너지 필터링 TEM 이미지를 얻을.
- 두 이미지 사이의 샘플의 드리프트를 수정합니다.
- 구리의 점프 비율 이미지를 얻기 위해 두 번째로 첫 번째 이미지를 나눈다.
- 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
- TDDB 실험이 완료 TEM 컴퓨터 단층 촬영을 수행, 디에 대한 3 차원 분포 정보를 얻을 수 있습니다ffused 입자.
- 샘플을 기울여 138 °의 틸트 시리즈를 녹화. 1 °의 경사 단계를 사용하여 시야 (BF) 줄기 모드의 모든 단계에서 이미지를 기록합니다.
- (이미지 정렬 틸트 축선을 결정하는, 3D 단층 볼륨을 형성하는 볼륨 및 세그먼트를 재구성하는 단계를 포함) 시리즈를 재구성.
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Representative Results
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 50 분까지 생존고장으로 인해 본래의 TaN / TA의 장벽 일어났다. 분해 후의 TEM 화상을도 5b에 도시된다. 명백하게, 금속 원자는 빨간 화살표 (17)로 나타낸 양의 전위를 갖는 금속 M1의 하단에서의 SiO2로 이주. ESI 화학 분석 (도 5C)이 SiCN으로 층 및도 5b에 BF TEM 화상의 콘트라스트로부터 검출 할 수없는 ULK 유전체 사이 파괴 계면에서의 Cu의 이동 경로가 있음을 증명한다. ESI 화학 분석 및 TEM 시츄 TDDB 시험에서의 조합이 더욱 직접적이고 포괄적 인 방법으로 TDDB 실패 메커니즘 및 분해 동력학 15-16의 조사를 가능하게한다.
단층은 "팁 투 팁"구조의 양극 측으로부터 확산 된 구리 입자의 3 차원 분포를 특성화하는 선택이다.도도 6b는 TEM에서 전산화 단층 촬영에 의해 취득 된 상기 샘플의 3D 렌더링 슬라이스를 나타낸다. 옐로우 입자는 SiO2로의 마이그레이션의 Cu 입자를 나타낸다.
도 샘플 전에 실험의 도식 이미지는 주 사형 전자 현미경 (SEM)에 투입된다. (A) 전체 웨이퍼. (B) 전체 웨이퍼에서 칩. (C) 샘플 무대에 접착 된 구리 반 반지에 "팁 - 투 - 끝"구조와 목표 바. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. SEM에서 집속 이온 빔 (FIB) 기술과 "팁 투 팁"구조의 개략적 인 화상에 의해 제조 H-바 샘플. (A) 및 SEM에 (B). (C) "팁 - 투 - 팁"구조의 개략도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
투과형 전자 현미경 (TEM) 그림 3. 실험 장치. 접촉 접근 방법의 (A) 도식 이미지. (나) 현장 TDDB 실험에 전에 설정의 이미지 줄기. 일의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오그림입니다.
현장 실험 전에 ULK 유전체로 확산 된 구리와 "팁 - 투 - 팁"구조 그림 4. 대표 TEM 이미지. (A) 전기 테스트하기 전에. (나) 전기 시험 후. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 완벽한 "팁 - 투 - 팁"구조 5. 대표 TEM 이미지. 전기 시험 전에 () 명 시야 (BF) TEM 이미지. (나) 전기 시험 후 BF TEM 이미지. (C) 엘ectron 구리 분포의 분광 이미지입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6. 줄기 이미지와 전기 시험 후 "팁 - 투 - 팁"구조의 3D 렌더링. (A) 줄기 이미지입니다. (B)에서 TEM 전산화 단층 촬영에 의해 취득 된 상기 샘플의 3D 렌더링 (블루 : 옐로우 "팁 투 팁"구조 : 구리 입자, 녹색 : 아래 트랜지스터 구조).
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Discussion
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 설계된 구리 "더미"상호 접속 구조되면 즉시 중단해야 그들. "팁 - 투 - 끝"구조가 라이브 SEM 이미지에 나타나는 경우 너무 늦게 될 것입니다. H-바 TEM 라멜라의 두께는 약 150-180 nm의 해 지도록하는 것을 목표로한다. 이 두께는 200 kV의 가속 전압에서 TEM에서 전자 투명성을 허용하고 또한 "팁 - 투 - 끝"구조를 캡슐화 측면에 비교적 두꺼운 유전체를 유지합니다. 한편, 150-180 nm 인 샘플 두께 따라서 이러한 효과뿐만 아니라 분석 결과에 고려 될 필요가, ESI 화학 분석에서 중요한 여러 비탄성 산란을 일으킬 것이다.
처리 또는 샘플을 전송하는 경우, 정전기 방지 손목 STRA를 착용P. 정전기 방지 손목 보호대를 착용하지 않은 경우 몇 가지 샘플에 정전기 방전 손상이 우리의 실험에서 관찰 된 이후이 매우 중요하다. 가장 중요한 전사 공정은 TEM에 SEM에서 전송된다. 전송 시간은 엄격하게 15 분 이하 내로 제한되어야한다. 주변 공기에 시료의 장시간 노광이 수분을 흡수 "팁 투 팁"구조에 손상을 줄 수, 예는도 4a에 도시된다. 이 샘플은 시험 전에 2 주 동안 대기에서 보관 하였다. 위반의 TaN / TA의 장벽 극한 실패 메커니즘 영향 및 테스트 구조의 수명을 단축시킨다. 대규모 구리 확산은 사용할 수 있습니다.
TEM의 현장에서 TDDB 연구에 대한 하나의 관심사는 ULK 유전체에 빔 손상이다. 따라서, 실험 18에 빔의 영향을 최소화하는 것이 매우 중요하다. 몇 가지 전략은 이러한 영향을 줄이기 위해 선택 될 수 있지만, 수완전히 제거 될 수 없다. 옵션은 세 가지 방법으로 분류 할 수있다. 하나의 가능성은 H 바형 샘플 (18)에 증착 된 에너지의 총량을 감소시키기 위해 작은 구멍 콘덴서를 사용한다. 다른 옵션은 낮은 전압 (≤ 80 kV의) 19 ~ 21 및 / 또는 낮은 전자 선량 22-25에서 TEM을 운영하고 있습니다. 이 옵션은 직접 시료에 광 손상을 감소시킬 것으로 예상된다. 실험적인 매개 변수가 올바르게 선택되어 있으면 또한, 주사 TEM (STEM) 모드뿐만 저용량 현미경 기법 일 수있다. 그것이 사용 TEM에서 가능한 옵션 인 경우, 즉, STEM 모드가 우선되어야한다. 낮은 조명의 밝기를 선택하고, 선택, 적절한 시간 간격 (저용량)과 TEM 이미지를 기록 또한 더 감소 빔 손상 18을 권장합니다.
그렇다 극한 TDDB에서 TEM 시료 준비 및 TEM 관찰 이론적 최종 BR에 영향을 미칠 수eakdown. (1) 더 적은 TEM 빔 조사 (저용량 STEM 이미징, 저조도 단계 및 녹화 영상 매 30 분 / 1 시간)으로, 시험 샘플은 유사한 실패 하였다 : 때문에 그럼에도 여겨진다 관찰 TDDB 손상 메커니즘은 유효한 것으로 이전 TEM 관찰에서 같은 메커니즘 (연속 이미지를 기록, 상대적으로 고용량 TEM 모드) 16 ~ 18; (2) 전기 필드는 구동력과 전기 접속을 반대로하여, 금속 입자 (17) (도 5b 및도 6a)의 이동의 원점으로 확인 하였다; 팁 투 팁 간격이 상대적으로 작고, 타행 / 탄 장벽 TEM 빔의 조명 영역 내부 어디에나, 비교적 얇은 여기서 금속 입자와 절연 파괴 (3) 이동은 양의 특정 위치에서 관찰되었다; (4) 시료의 상부에 증착 된 Pt의 두꺼운 층의 Ga 이온 주입 수직으로부터의 오염을 최대한 방지 - TE세인트 구조의 Ga 이온의 측면 손상으로부터 측벽 (약 60 ㎚)의 표면의 오염이 미량이더라도 주로 오염이없는 것으로 여겨진다. 따라서, 샘플 준비 및 TEM 관찰은 상당한 양 극한 실패 메커니즘의 해석에 영향을주지해야한다.
샘플 준비 및 실험 설정을위한 정교한 절차의 필요성은 아마도 가장 큰 단점이다. 이 방법론은 특별히 설계된 테스트 구조에 대해서만 적용 가능하다. 종래의 테스트 방법에 비해 따라서 설계 및 전용 테스트 구조의 복잡한 제조 공정은 상당히 더 많은 노력을 이끌어. 마지막으로, 전자 빔이 아주 긴 시간 동안 섬세 샘플을 조명하는 경우 TEM에 빔 조사에 의한 시료의 수정이 불가피하다 지적 가치가있다. 그럼에도 불구하고, 우리는 믿는이 방법론 캔 ENATDDB 실패 메커니즘과 분해 동력학 연구 BLE.
실험에 추가 개발은인가 전압 및 / 또는 시간의 함수로서 유전체에서 구리 마이그레이션 정량적 데이터를 제공하고 구리 / ULK 온 - 칩 상호 접속 스택에 대한보다 적절한 모델을 개발하기 위해 도움을 줄 수있다. 우리의 연구에서,도 5c에 도시 된 바와 같이, SiCN으로 층의 아래쪽에 구리 다리 ESI 신호는 분명히 대부분의 Cu가 메인 유전체 / SiCN으로 인터페이스를 따라 확산 된 사실을 지적한다. 메인 유전체의 상면이 평탄화 공정에 의해 영향을받는 후 SiCN으로 층이 상대적으로 약한 인터페이스로 이어지는 결함 / 결함의 가장 높은 금액을 가질 것으로 기대된다. 상당한 구리 이동을 가능하게 확산 공정은,이 발생한다. 전자 전도 메커니즘, 구리 확산을 앞과 유전체의 손상으로 이어지는은 theref, 풀-Frenkel 동작을 수행해야광석은 √E 모델을 선호. 이 모델로부터의 편차로 인해 적당한 테스트 시간을 가능하게하기 위해 필요한 큰 바이어스 아직 여기에 제시된 실험 방법으로 추론 될 수 없다. 유의할 비록 그인가 전압을 낮추고 여기서 설명한 실험 방법을 다듬는 미래 작업 중 하나이어야 전기장을 생성. 실제 칩 운영 바이어스 1 여기에인가되는 전압이 상당히 높다 V. 3의 순서이며, 따라서 다른 효과는 높은 전압에서 더 지배적 인 역할을 할 수있다. 이를 위해, 새로운 테스트 구조는 20 내지 50 nm 정도의 상당히 감소 된 간격을 갖는 설계되었다. 그리고, 작은 전압이인가 될 수 있고, 실험 데이터는 여전히 적절한 시간에 획득 될 수있다. 때문인 유전체 손상이 발생하기위한 문턱 값의 존재에 낮은 바이어스 탈락의 Cu 이동은, 다음과 바이어스인가 시간의 함수로서 특징 지어 질 수있다. 이러한 노력은 줘야L은 후속 연구의 일부 및 증명 또는 물리적 손상 메카니즘의 관점에서 현재 낮은 바이어스에서 10 TDDB 효과를 설명하는 가능성 모델 충격 손상 모델을 반증 있었다.
공간 해상도는 10 나노 미터보다 훨씬 이하로 개선 될 수 있다면 전송 X- 선 현미경 (TXM은)뿐만 아니라이 실험을 위해 채택 될 수있다. 더 중요한 것은, 더 나은 전송 능력과 TEM에 비해 낮은 방사선 량은 다른 활성 마이크로 전자 장치의 응용 프로그램을 높일 수 있습니다.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Automatic Dicing Saw | DISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies | ||
| Scanning Electron Microscope | Zeiss | Zeiss Nvision 40 | |
| Picoindentor | Hysitron | Hysitron Pi95 | |
| Keithley SourceMeter | Keithley | Keithley 2602/237 | |
| Transmission Electron Microscope | FEI | FEI Tecnai F20 | |
| Transmission Electron Microscope | Zeiss | Zeiss Libra 200 |
References
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