Introduction
Cu配線は、まず1997年1において、超大規模集積回路（ULSI）技術を導入したので、低誘電率及び超低k（ULK）誘電体は、バックエンド·オブ·ライン（BEOL）に採用されていますオンチップ配線間の絶縁材料として。新しい材料の組み合わせ、 例えば、より低い静電容量のための低抵抗化と低k / ULK誘電体のためのCuは、増加した抵抗-容量（RC）の効果は、配線寸法収縮2,3による遅延克服する。しかし、この利点は、侵食されました近年のマイクロ電子デバイスの継続的な積極的なスケーリングによる。製造プロセス及び製品の信頼性のために様々な課題で低k / ULK材料の結果を使用することは、配線ピッチが約100nm 4-6以下になる場合は特に。
TDDBは、時間の関数としての誘電体材料の物理的な故障メカニズムを指し電界下。 TDDB信頼性試験は、通常、加速条件（昇電界および/または高温）下で行われます。
オンチップの相互接続スタックにおけるTDDBは既に信頼性のコミュニティに強い懸念を表明したマイクロ電子デバイスのための最も重要な故障メカニズムの一つです。でも、弱い電気的および機械的特性を有するULK誘電体は、高度な技術ノードにあるデバイスに統合されているので、それは信頼性技術者のスポットライトであり続けるでしょう。
専用の実験は、TDDBの故障メカニズム7-9を調査するために行われており、労力のかなりの量は、デバイス10〜13の電界と寿命との関係を説明するモデルを開発するために投資されています。既存の研究では、マイクロエレクトロニクスにおける信頼性技術者のコミュニティに利益をもたらします。しかし、多くのチャレンジVol。GESは依然として存在し、多くの疑問がまだ詳細に回答する必要があります。たとえば、実績のあるモデルは、TDDB法で物理的な障害のメカニズムと劣化速度を説明し、それぞれの実験的な検証がまだ不足しています。特に必要として、より適切なモデルが保守的√Eモデル14を代入するために必要とされます。
TDDB調査の非常に重要な部分として、典型的な故障解析は故障メカニズムと分解速度の物理学を説明するための包括的かつ確かな証拠を提供する、 すなわち 、前例のない課題に直面しています。それは非常に時間がかかるので、明らかに、一つ一つのナノスケールのCu配線のビア及びメートルの何百万人を検査し、 元が障害部位を画像インサイチュするには 、この課題のハードルに適切な選択ではなく、損傷機構の動力学についての限られた情報しか提供することができます。このため、緊急の課題は開発に浮上していますND実験を最適化し、TDDBの故障メカニズムと分解速度を研究するために、より良い手順を取得します。
本稿では、 その場実験方法における Cu / ULK配線スタック内のTDDBの故障メカニズムを調査するためにデモンストレーションを行います。高品質イメージングおよび化学分析の能力を持つTEMは、専用のテスト構造における動プロセスを研究するために使用されます。 その場で電気試験における誘電体に高められた電界を提供するために、TEM実験に統合されています。カスタマイズされた「先端間」構造、完全にカプセル化されたCu配線からなり、ULK材料で絶縁、32 nmのCMOS技術ノードに設計されています。ここに記載の実験手順は、能動素子の他の構造体に拡張することができます。
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Protocol
1.集束イオンビーム（FIB）間伐（図1）のためのサンプルの準備
- （〜10ミリメートルで10 mm）のダイヤモンドスクライブとを小さなチップに完全なウェハを切断します。
- チップ上の「チップ·ツー·チップ」構造の位置をマークします。
- 2mmの大きさで60μmのバーを得るために、ダイシング装置でチップを見ました。バーでは、中心部にある「先端間」構造を含みます。
- スーパー接着剤を使用して銅の半分リング上のターゲットバーを接着。次に、スーパー接着剤を使用しても銅試料ステージ上のバーを接着。そして、銀はハーフリングと銅試料ステージとの導通を設定するために貼り付けて使用します。
注：サンプルを取り扱う際は、常にサンプルに敏感な構造に損傷を与える可能性が静電放電を防ぐために、静電気防止用リストストラップを着用してください。
走査型電子顕微鏡で2 FIB間伐（図2）
- 上のステップ1で得られた試料を入れてnは、SEM試料台とSEMに慎重に段階を置きます。
- 堆積モードを選び、必要な白金保護層の寸法（面積や厚さ）を設定。常に最高の精度を維持するために、30 kVのイオンビームを使用しています。必要なPt層の寸法に依存チューン満足効率を得るために、現在、。
- 銅ステージ（接地電位）に一つのパッドに接触するように白金線を堆積。次に、FIBの間引き処理中のイオンダメージを最小限に抑えるために、薄型ラメラを強化することが非常に重要である「チップ·ツー·チップ」構造の上に厚さのPt層を堆積させます。これは、FIBの調製に使用される標準的な手順です。
- Ptの堆積を行う際にPt層を介して「先端間」構造の上部にある2つのパッド間の任意の導電性パスを導入しない注意してください。任意の導電性パスが短い電気回路（ 図2AおよびB）になります。
- FIBミリング
- 最終的なカットのための10のPA 30キロボルトの電圧と電流を使用してください。 150と180 nmの厚さのHバーTEMラメラに薄いターゲットバー。
- TEMでトランスデューサ先端が触れるますパッド（V +パッド）の近くにノッチをカット。 TEMで正しいパッドを識別するためのマーカーとしてのノッチを使用してください。
TEMのSEMから3.サンプルトランスファー
- サンプルに触れる前に、静電気防止用リストストラップを着ました。
- SEM段階から準備されたH-バーサンプルのマウントを解除します。 SEMからそれを除去する際のCuステージ上にサンプルを保管してください。
- TEMホルダーにCuの段階を修正しました。光学顕微鏡で試験構造に近いTEMホルダー（離れたテスト構造からマイクロメートルの数百）の変換器先端を移動します。
- 慎重にTEMにTEMホルダーを挿入します。 TR中の任意の洗浄処理（ 例えば 、プラズマ洗浄）を利用しないでくださいansferプロセス、そうでない場合はラメラが影響を受ける可能性があります。
- 周囲の水分や酸素にあまりにも多くの露出を避けるために、15分またはより短い内にサンプル移送のための時間をおいてください。
4.電気的に接続する（図3）
- その制御システムおよびソースメータにTEMホルダーを接続します。そして、制御システムとソースメータをオンにします。
- TEMホルダにノブを調整することによって、テスト構造にトランスデューサ先端の粗いアプローチをしているときに、TEMトランスデューサチップを監視します。
- （500nmの≤）のV +パッドに近いTEMホルダーのトランスデューサ先端を移動します。パッドとして：同じレベル（高さZ）への変換器チップを持参してください。曲先端の位置と先端がV +パッドの中心に直面します。
- V +パッドにトランスデューサチップにお問い合わせください。パッドに近づいている間（約1 Vまで0.5 V）先端に非常に低い電圧を設定します。現在simultaneoを監視usly接触が確立されることを確認します。
その場 TDDB実験5.
- TEMで200キロボルトの加速電圧を使用してください。関心のある領域に電子ビームを移動します。適切な倍率を選択し、画像の焦点を合わせます。
- 低照度の手順を実行します（≤8）試験構造上のビームダメージを低減します。のみH-バーサンプルの薄い部分内の照明領域をローカライズするためにコンデンサー絞りを使用してください。
- その場での TEM画像（2-3フレーム/秒）を記録しながら、ソースメータを使用して「先端間」構造に一定の電圧（≤40 V）を適用します。 DigitalMicrographソフトウェアを使用して、例えば 、自己のスクリプトコードを使用して自動的に画像を記録します。
- ULK誘電体への金属の見かけの拡散を見ると、実験を一時停止し、電子分光イメージング（ESI）、化学分析を行います。
- OMEGにフィルタスリット開口を挿入TEMでのエネルギーフィルタ。
- チューニングフィルタシルト開口の幅は、電子エネルギー損失スペクトル（EELS）で適切なエネルギー幅（10~20 eVの）を取得します。
- EELSにおける銅M-エッジ吸着ピークにエネルギーをシフトします。
- 銅M-エッジ吸収ピークのエネルギーフィルタ処理TEM画像を取得するために戻って撮影モードに戻ります。
- 銅Mエッジの前縁部にエネルギーをシフトし、別のエネルギーフィルタ処理TEM像を得ます。
- 二つの画像間の試料のドリフトを修正してください。
- 銅のジャンプ比画像を取得するために、第2のいずれかで最初の画像を分割します。
- TDDB実験を続行：ソースメータを使用して「先端間」構造に一定の電圧（≤40 V）を再適用し、TEM像を記録します。
6.コンピュータ断層撮影
- TDDB実験が終了したTEMコンピュータ断層撮影を行い、ディ約3次元分布情報を取得しますffused粒子。
- サンプルを傾けて、138°のチルトシリーズを記録します。 1°の傾斜ステップを使用し、明視野（BF）STEMモードでのすべてのステップの間に画像を記録。
- （画像を整列させる傾斜軸を決定し、3次元断層ボリュームを形成するために、ボリュームとセグメンテーションを再構成含む）のシリーズを再構築します。
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Representative Results
図4は、 その場での試験での明視野（BF）のTEM像を示します。部分的に起因する雰囲気で、拡張ストレージに電気試験（ 図4A）の前にULK誘電体中でのTaN / Taの障壁と、既存のCu原子に違反があります。 40 Vでの唯一の376秒後に、絶縁破壊が開始され、M1金属からの銅の二つの主要な移行経路を伴った、グランド側15-16を参照して、正の電位を有します。 ULK誘電体中に拡散したCu粒子は、最終的な内訳（ 図4B）の後にBF TEM像に示されています。
完璧なサンプルでは、 すなわち、FIBの準備とTEM画像（ 図5A）との間の高速転送は、「先端間」構造は、TaNの/ Taバリアの任意の損傷を与えることなくそのままです。同じ電圧（V 40）は、このサンプルに適用しました。このサンプルでは、50以上の分まで生存しました内訳は、ため、無傷のTaN / Taバリアの発生しました。故障後のTEM像を図5Bに示されています。明らかに、金属原子は、赤い矢印17によって示される正の電位を有し、M1金属の下隅からのSiO 2に移行しました。 ESI化学分析（ 図5C）は、銅の移動経路は、 図5BのBF TEM像のコントラストから検出することができなかったSiCN膜とULK誘電体との間の界面破壊、であることを証明しています。 ESI化学分析およびTEMでその場 TDDB実験における組み合わせは、より直接的かつ包括的な方法でTDDBの故障メカニズムと分解速度15-16の調査を可能にします。
断層撮影法は、「先端間」構造の正極側から拡散するCu粒子の3次元分布を特徴付けるための選択である。 図図6（b）は、TEMでコンピュータ断層撮影により取得されたサンプルの3Dレンダリングのスライスを示しています。黄色粒子は、SiO 2に移行したCu粒子を表します。
図サンプルを走査型電子顕微鏡（SEM）に入れられる前に、実験1の概略画像である。（A）フルウェハ。 （B）フルウエハからチップ。 （C）試料ステージ上に接着されたCuのハーフリングの「先端間」構造を有する標的バー。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
図2。 SEMで集束イオンビーム（FIB）技術と「チップ·ツー·チップ」構造の概略画像によって作製Hバーサンプル（A）とSEMで（B）。 （C）「先端間」構造の概略図。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
透過型電子顕微鏡（TEM）図3.実験装置。接触接近プロセスの（A）は概略イメージ。 （B） その場で TDDB実験前にセットアップのイメージをSTEM。 目の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください図です。
その場実験で前ULK誘電体中に拡散Cuと「先端間」構造については、図4の代表的なTEM像。（A）電気的試験の前に。 （B）電気試験後。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
完璧な「先端間」構造については、図5の代表的なTEM画像を。（A）明視野（BF）TEM像の電気試験前。電気試験後（B）BF TEM像。 （C）エルectron銅分布の分光画像。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
図6. STEM像及び電気的試験後の「チップ·ツー·チップ」構造の3Dレンダリング。（A）STEM像。 （B）、TEM（青：「チップ·ツー·チップ」構造、黄色：Cu粒子、緑：下のトランジスタ構造）で、コンピュータ断層撮影により取得されたサンプルの3Dレンダリング。
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Discussion
TDDB実験の成功の前提条件は、特にSEMでFIBミリングプロセスにおいて、良好なサンプル調製です。まず、「チップ·ツー·チップ」構造の上に厚さのPt層を堆積する必要があります。厚さ及びPt層のサイズは、SEMオペレータによって調整が、3つの原則に従わなければならないことができる：（1）厚さや大きさは、全体の微粉砕処理中に可能なイオンビームダメージから対象領域を保護するのに十分です。 （2）フライス加工後に残った試料の上に比較的厚いPt層（≥400 nm）はまだありますが、それは、内部と外部のストレスからデリケートなサンプルを保護し、次のTDDBにおける絶縁破壊による応力の寄与を最小限に抑えます実験; （3）のサイズは、他の導電性経路は、テスト構造体に電圧を印加するために使用される2つのパッド間に形成してもよく、大きすぎてはなりません。さらに、重要なステップは、最終的なカットのイオンビームを停止するときです。中央のCu配線は、「先端間」構造からなり、間の唯一の〜60nmのスペースがあるため、イオンミリングは、テスト構造が消滅の前に特別に設計されたCuの「ダミー」の相互接続構造たら、すぐに中断されなければなりませんそれら。 「チップ·ツー·チップ」構造がライブSEM画像に表示されている場合、それは手遅れになります。 H-バーTEMラメラの厚さは約150から180 nmであることが目標とされます。この厚さは200 kVの加速電圧でTEMにおける電子の透過性を可能にし、また、「先端間」構造をカプセル化する側の比較的厚い誘電体を保持します。一方、150〜180 nmでのサンプルの厚さは、したがって、これらの効果は、同様の結果を解析に考慮される必要がある、ESI化学分析の間に有意な複数の非弾性散乱を引き起こします。
サンプルの取り扱いまたは転送する場合は、静電気防止用リストストラを着用P。静電気防止用リストストラップを着用していなかった場合、いくつかのサンプルの静電破壊は、我々の実験で観察されたので、これは非常に重要です。最も重要な転写工程は、TEMにSEMからの転送です。転送時間は、厳密には15分以下に制限する必要があります。周囲空気中のサンプルの長時間露光が水分を吸収し、「チップ·ツー·チップ」構造を損傷することがあり、例えば、 図4Aに示されています。このサンプルは、試験前の2週間、周囲空気中で保管しました。違反したTaN / Taバリアは、固有の故障メカニズムに影響を与え、テスト構造の寿命を短くします。大規模なCuの拡散は、その後、有効になっています。
TEMでその場で TDDB研究のための一つの懸念は、ULK誘電体上でのビームの損傷です。したがって、実験18でのビームの影響を最小限にするために非常に重要です。いくつかの戦略が、この影響を低減するように選択することができるが、それができ完全に排除することはありません。オプションは3つのアプローチに分類することができました。一つの可能性は、Hバー形試料18に蓄積されるエネルギーの総量を減少させるために、小さなコンデンサ絞りを使用しています。他のオプションは、低電圧（≤80キロボルト）19〜21および/ または低電子線量22〜25でTEMを操作しています。このオプションは、直接サンプル上のビームのダメージを軽減することが期待されます。実験パラメータが正しく選択された場合さらに、走査TEM（STEM）モード、ならびに低用量の顕微鏡技術であることができます。それが使用され、TEMで可能なオプションがある場合はこのように、STEMモードが優先されるべきです。低照度の明るさを選択し、選択された、合理的な時間間隔（低用量）とのTEM画像を記録するも、さらに減少し、ビームの損傷をもたらすことが18をお勧めします。
別に固有のTDDBから、TEM試料作製とTEM観察は、理論的には、最終的なBRに影響を与える可能性がありますeakdown。 （1）非常に少ないTEMビーム照射（低用量STEM画像、低照度のステップと、記録画像毎に30分/ 1時間）を用いて、試験試料は、同様の障害を示した。ためにもかかわらず、観察されたTDDB損傷メカニズムは、有効であると考えられています私たちの前のTEM観察のようなメカニズム（連続画像を記録する、比較的高用量のTEMモード）16-18。 （2）電界は、駆動力と電気的接続を反転させることにより金属粒子17（ 図5Bおよび6A）の移動の起点であることが確認されました。 ;（3）金属粒子と絶縁破壊の移動が両方先端間の間隔が比較的小さく、及びTa / TaNバリアはTEMビームの照射領域内にどこでも、比較的薄くていない特定の位置で観察されましたテ - （4）サンプルの上にPtを蒸着の厚い層は、Gaイオンの垂直注入からの汚染のほとんどを防止します目の構造は、Gaイオンの横方向の損傷からサイドウォール（約60nm）の表面上の汚染物質のわずかな量があっても、主に汚染がないことと考えられています。したがって、試料調製及びTEM観察は、かなりの量に固有の故障メカニズムの解釈に影響を与えるべきではありません。
試料調製及び実験のための洗練された手順の必要性は、おそらく主な欠点です。この方法は、特別に設計されたテスト構造にのみ適用されます。従来の試験方法と比較した場合、したがって、設計と専用のテスト構造のための複雑な製造プロセスは非常によく、より努力をリードしています。最後に、電子ビームは、非常に長い時間のために繊細なサンプルを照明する場合、TEMのビーム照射による試料の変形が避けられないことを指摘する価値があります。それにもかかわらず、我々はこの方法論は、ENAことができると信じていますTDDBの故障メカニズムと分解速度の研究をBLE。
実験上のさらなる開発は、印加電圧および/または時間の関数としての誘電体中のCuのマイグレーションについての定量的データを提供するとCu / ULKオンチップ相互接続スタックのためのより適切なモデルを開発するために助けることができるかもしれません。我々の研究では、 図5（c）に示すようにSiCN層の底部の銅ブリッジのESI信号は明らかにCuが最も可能性の高いメイン誘電体/ SiCN膜の界面に沿って拡散しているという事実を指します。メイン誘電体のこの上面は平坦化工程に影響され、その後のSiCN層と比較的弱い界面をもたらす、欠陥/欠陥の最大量を有することが期待されます。重要な銅の動きを可能にする拡散プロセスが、そこに発生する必要があります。電子伝導機構、Cuの拡散を先行し、誘電体の損傷につながるが、theref、プール·フレンケル行動に従ってください鉱石は√Eモデルを好みます。このモデルからのずれが妥当なテスト時間を有効にするために必要な大規模なバイアスに起因まだここで提案されている実験的な方法を用いて推定することはできません。なお、しかし、その印加される電圧を低下させ、ここで説明する実験方法を精緻化における今後の課題の一つであるべきである電界を生じました。実際のチップの動作バイアスが1ここで印加する電圧が非常に高くなっているV. 3のオーダーであるので、他の効果は、上昇した電圧で、より支配的な役割を果たしている可能性があります。この目的のために、新しいテスト構造は、20〜50ナノメートルのオーダーで有意に減少間隔を有するように設計しました。そして、より小さな電圧を印加することができ、実験データは依然として妥当な時間で取得することができます。おそらく誘電破壊が発生するための閾値が存在することにより、低バイアスで除去銅の移動は、次に適用されたバイアス及び時間の関数として特徴づけることができます。これらの努力は、WILlは今後の研究の一部であるとの物理的な損傷機構の観点から、現在、低バイアス10にTDDBの効果を説明するための最も可能性の高いモデルである衝撃損傷モデルを、証明または反証可能性があります。
空間分解能が10nmよりもはるかに少ないに向上させることができれば、透過X線顕微鏡（TXM）は、同様に、この実験のために採用することができます。さらに重要なことは、より良好な伝送能力とTEMより低い放射線量は、他の能動マイクロエレクトロニクスデバイスへの応用を高めることができます。
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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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