Introduction
Desde interconecta Cu se introdujeron en primer lugar a la tecnología de integración a gran escala de ultra (ULSI) en 1997 1, low-k y ultra-low-k (ULK) dieléctricos se han adoptado en el back-end-of-line (BEOL) como los materiales aislantes entre las interconexiones en el chip. La combinación de nuevos materiales, por ejemplo, Cu para la reducción de la resistencia y de bajo k dieléctricos / ULK de baja capacitancia, supera los efectos del aumento de la resistencia-capacitancia (RC) demorado por causas interconexión dimensiones de contracción 2, 3. Sin embargo, este beneficio fue invadido por la continua escalado agresiva de dispositivos microelectrónicos en los últimos años. El uso de bajo k / ULK materiales da lugar a diversos desafíos en el proceso de fabricación y de la fiabilidad del producto, sobre todo si el terreno de juego interconexión alcanza alrededor de 100 nm o menos 4-6.
TDDB se refiere al mecanismo de falla física de un material dieléctrico como una función del tiempobajo un campo eléctrico. La prueba de fiabilidad TDDB se lleva a cabo generalmente bajo condiciones aceleradas (campo eléctrico elevado y / o temperatura elevada).
El TDDB en el chip pilas interconexión es uno de los mecanismos de falla más críticos para los dispositivos microelectrónicos, que ya ha planteado intensas preocupaciones de la comunidad fiabilidad. Se seguirá siendo el centro de atención de los ingenieros de fiabilidad desde dieléctricos ULK con propiedades eléctricas y mecánicas, incluso más débiles se están integrando en los dispositivos en los nodos de tecnología avanzada.
Se han realizado experimentos dedicados a investigar el mecanismo de fallo TDDB 7-9, y una cantidad significativa de esfuerzo se ha invertido para desarrollar modelos que describen la relación entre campo eléctrico y la vida útil de los dispositivos 10-13. Los estudios existentes benefician a la comunidad de ingenieros de fiabilidad en la microelectrónica; sin embargo, muchos challentodavía existen ges y muchas preguntas aún deben ser respondidas en detalle. Por ejemplo, los modelos probados para describir el mecanismo de fracaso y de degradación cinética físicos en el proceso TDDB y la respectiva verificación experimental todavía se carece. Como una necesidad particular, se necesita un modelo más apropiado para sustituir el conservador √e-modelo 14.
Como una parte muy importante de la investigación TDDB, análisis típico fracaso se enfrenta a un desafío sin precedentes, es decir, proporcionando evidencia integral y difícil de explicar la física de los mecanismos de falla y la cinética de degradación. Al parecer, la inspección de millones de vias y metros de nanoescala Cu líneas una por una y ex situ de imágenes del sitio fracaso no es la opción adecuada para cañizo este desafío, porque es mucho tiempo, y la información limitada sobre la cinética del mecanismo de daño puede ser proporcionada. Por lo tanto, una tarea urgente ha surgido para desarrollar unnd para optimizar los experimentos y para obtener un mejor procedimiento para estudiar los mecanismos de fallo TDDB y la cinética de degradación.
En este artículo, vamos a demostrar in situ metodología experimental para investigar el mecanismo de falla TDDB en pilas de interconexión Cu / ULK. A TEM con la capacidad de formación de imágenes de alta calidad y análisis químico se utiliza para estudiar el proceso de cinética en estructuras de prueba dedicados. La prueba eléctrica en situ está integrado en el experimento TEM para proporcionar un campo eléctrico elevado para los dieléctricos. Una estructura de diseño "de punta a punta", que consiste en Cu interconecta totalmente encapsulados y aislados por un material ULK, está diseñado en el nodo de la tecnología CMOS de 32 nm. El procedimiento experimental descrito aquí también se puede extender a otras estructuras en dispositivos activos.
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Protocol
1. Preparación de la muestra para el Focused Ion Beam (FIB) Adelgazamiento (Figura 1)
- Cleave la oblea completa en pequeños chips (~ 10 mm por 10 mm) con un escriba diamante.
- Marque las posiciones de la estructura "de punta a punta" en los chips.
- Vio el chip con una máquina de cortar en cubitos para obtener barras de 60 micras de tamaño de 2 mm. La barra incluye la estructura "de punta a punta" en el centro.
- Pegue la barra de destino en un medio anillo Cu usando el pegamento. A continuación, pegue la barra en un escenario de ejemplo Cu también utilizando el pegamento. A continuación, utilice pasta de plata para ajustar la conducción entre el anillo y la etapa media de la muestra de cobre.
Nota: Al manipular la muestra, asegúrese de llevar siempre una pulsera antiestática para evitar descargas electrostáticas, los cuales pueden dañar la estructura sensible en la muestra.
2. FIB Adelgazamiento en el microscopio electrónico de barrido (Figura 2)
- Ponga la muestra obtenida en el paso 1 en unn SEM etapa de la muestra y coloque el escenario con cuidado en el SEM.
- Elija el modo de deposición, y establecer las dimensiones (área y espesor) de la capa de protección Pt necesario. Siempre use un haz de iones de 30 kV para mantener la más alta precisión. Tune la corriente para obtener la eficiencia satisfecho, depende de las dimensiones de la capa de Pt necesario.
- Deposita una línea Pt ponerse en contacto con una toalla a la etapa de Cu (potencial de tierra). Posteriormente, depositar una capa gruesa de Pt en la parte superior de la estructura "de punta a punta", lo cual es muy importante para minimizar el daño de iones durante el proceso de adelgazamiento FIB y reforzar la lámina delgada. Este es un procedimiento estándar utilizado en la preparación FIB.
- Tenga cuidado de no introducir ningún trayectorias conductoras entre las dos almohadillas en la parte superior de la estructura "de punta a punta" a través de la capa de Pt al realizar la deposición de Pt. Cualquier camino conductor hará corto circuito eléctrico (Figura 2 A y B).
- Fresado FIB
- Utilice una tensión de 30 kV y corriente de 10 pA para el corte final. Delgado la barra de destino en una laminilla TEM H-bar con un espesor entre 150 y 180 nm.
- Corte una muesca cerca de la almohadilla (+ pad V), que será tocado por una punta del transductor en el TEM. Utilice la muesca como un marcador para identificar la almohadilla correcta en el TEM.
3. Transferencia de la muestra de la SEM a la TEM
- Poner en la pulsera antiestática antes de tocar la muestra.
- Desmontar la muestra H-bar preparado a partir de la etapa de SEM. Mantenga la muestra en el escenario Cu desenchufarlo de la SEM.
- Fijar la etapa de Cu en el soporte TEM. Mueva la punta del transductor del titular TEM cerca de la estructura de la prueba (unos pocos cientos de micrómetros de distancia de la estructura de la prueba) bajo el microscopio óptico.
- Inserte el soporte en el TEM TEM con cuidado. No utilizar ningún tratamiento de limpieza (por ejemplo, la limpieza de plasma) durante el transfer proceso, de lo contrario la lámina puede estar influenciada.
- Mantenga el tiempo para la transferencia de la muestra en los 15 minutos o más corto para evitar demasiada exposición a la humedad ambiental y el oxígeno.
4. Establecimiento de la conexión eléctrica (Figura 3)
- Conecte el soporte TEM a su sistema de control y el SourceMeter. Luego encienda el sistema de control y la SourceMeter.
- Supervisar la punta del transductor en el TEM al hacer el enfoque grueso de la punta del transductor a la estructura de la prueba sintonizando las perillas en el soporte TEM.
- Mueva la punta del transductor del titular TEM cerca de la almohadilla de V + (≤ 500 nm). Traiga la punta del transductor al mismo nivel (Z: altura) como la plataforma. Sintonice la posición de la punta y hacer frente a la punta el centro de la V + pad.
- Póngase en contacto con la punta del transductor a la plataforma de V +. Establecer un voltaje muy bajo en la punta (0,5 V a 1 V) mientras se aproximaba a la almohadilla. Supervisar el simultaneo actualusly para asegurarse de que se establece el contacto.
5. En el Experimento Situ TDDB
- Utilice un voltaje acelerado de 200 kV en el TEM. Mover el haz de electrones a la zona de interés; elegir un aumento adecuado y enfocar la imagen.
- Utilice los pasos bajos de iluminación (≤ 8) para reducir el daño del haz en la estructura de la prueba. Utilizar una apertura de condensador para localizar el área de iluminación sólo dentro de la parte delgada de la muestra H-bar.
- Aplicar una tensión constante (≤ 40 V) en la estructura de "punta a punta" con el SourceMeter durante la grabación de las imágenes de TEM in situ (2-3 cuadros / seg). Grabe las imágenes de forma automática mediante el uso de un código de auto-guión, por ejemplo, utilizando el software DigitalMicrograph.
- Pausa el experimento al ver una aparente difusión de metal en los dieléctricos ULK y hacer el análisis químico Electron espectroscópico Imaging (ESI).
- Inserte la abertura de hendidura filtro en el Omegun filtro de energía en el TEM.
- Tune la anchura de la abertura del filtro de sedimentos para conseguir un ancho adecuado de la energía (10-20 eV) en el espectro de la pérdida de energía de electrones (EELS).
- Cambie la energía para el pico de adsorción de cobre M-ventaja en las anguilas.
- Vuelve al modo de imagen para adquirir una imagen TEM energía filtrada en el pico de absorción M-borde Cu.
- Cambie la energía para el pre-borde de la M-borde de cobre y obtener otra imagen TEM energía filtrada.
- Corregir la deriva de la muestra entre las dos imágenes.
- Divida la primera imagen de la segunda para obtener la imagen relación salto de Cu.
- Continuar el experimento TDDB: volver a aplicar una tensión constante (≤ 40 V) en la estructura de "punta a punta" con el SourceMeter y registrar las imágenes de TEM.
6. Tomografía Computarizada
- Realizar TEM tomografía computarizada cuando se termina el experimento TDDB, para obtener información acerca de la distribución 3D dipartículas ffused.
- Incline la muestra y grabar una serie de inclinación de 138 °. Use un paso de inclinación de 1 ° y grabar la imagen en cada paso en el modo STEM campo claro (BF).
- Reconstruir la serie (incluye la alineación de las imágenes, la determinación del eje de inclinación, la reconstrucción de volumen y segmentación para formar el volumen tomografía 3D).
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Representative Results
La figura 4 muestra brillantes campo (BF) TEM imágenes de una en la prueba in situ. Hay incumplió parcialmente Tostado / barreras Ta y átomos Cu preexistentes en los dieléctricos ULK antes de la prueba eléctrica (Figura 4), debido a un almacenamiento prolongado en ambiente. Después de sólo 376 seg a 40 V, la ruptura dieléctrica se inició y fue acompañado con dos vías principales de migración de cobre desde el metal M1, que tiene un potencial positivo con referencia al lado de tierra 15-16. Las partículas de Cu difundidas en los dieléctricos ULK se muestran en la imagen BF TEM después de la ruptura final (Figura 4B).
En una muestra impecable, es decir, una rápida transferencia entre la preparación FIB y TEM de imágenes (Figura 5A), la estructura de "punta a punta" está intacto y sin daños en la barrera Tostado / Ta. La misma tensión (40 V) se aplicó a esta muestra. Esta muestra sobrevivió durante más de 50 minutos hastala ruptura se produjo debido a la barrera Tostado / Ta intacta. La imagen de TEM después de desglose se muestra en la Figura 5B. Al parecer, los átomos metálicos emigraron en el SiO2 desde la esquina inferior del metal M1, que tiene un potencial positivo indicado por una flecha roja 17. El análisis químico ESI (Figura 5C) demuestra que hay una ruta de migración de Cu en la interfaz de fractura entre la capa SICN y los dieléctricos ULK, que no podían ser detectados desde el contraste de la imagen BF TEM en la Figura 5B. La combinación de los análisis químicos y ESI in situ experimento TDDB en el TEM permite una investigación del mecanismo de fallo TDDB y cinética de degradación 15-16 de una manera más directa y completa.
La tomografía es una opción para caracterizar la distribución 3D de partículas de Cu que difunden desde el lado positivo de la estructura "de punta a punta". Figura6B representa una rebanada de un 3D-la prestación de la muestra adquirida por tomografía computarizada en el TEM. Las partículas amarillas representan las partículas de Cu migrado en el SiO2.
Figura 1. Imágenes esquemática del experimento antes de la muestra se pone en el microscopio electrónico de barrido (SEM). (A) Una oblea completa. (B) Un chip de la oblea completa. (C) Una barra de destino con una estructura de "punta a punta" en un anillo medio Cu que se pega en un escenario de la muestra. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Una muestra de H-barra fabricada por la técnica de haz de iones focalizado (FIB) en el SEM y una imagen esquemática de la estructura "de punta a punta". (A) y (B) en el SEM. (C) Los esquemas de una estructura "de punta a punta". Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Montaje experimental en el microscopio electrónico de transmisión (TEM). (A) Imagen esquemática del proceso acercarse contacto. (B) STEM imagen de la instalación antes de que el experimento en TDDB situ. Haga clic aquí para ver una versión más grande de les figura.
Figura 4. Representante imágenes TEM de una estructura "de punta a punta" con difusa Cu en los dieléctricos ULK antes del experimento in situ. (A) Antes de la prueba eléctrica. (B) Después de la prueba eléctrica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. Representante imágenes TEM de una estructura impecable "de punta a punta". Imagen (A) Campo claro (BF) TEM antes de la prueba eléctrica. (B) Imagen BF TEM después de la prueba eléctrica. (C) Electron imagen espectroscópica de la distribución de Cu. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6. Imagen STEM y 3D-la prestación de una estructura "de punta a punta", después de la prueba eléctrica. (A) Imagen STEM. (B) 3D-la prestación de la muestra adquirida por tomografía computarizada en el TEM (azul: la estructura "de punta a punta", Amarillo: partículas de Cu, Verde: estructura de transistor debajo).
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Discussion
El requisito previo del éxito en el experimento TDDB es una buena preparación de la muestra, especialmente en el proceso de molienda FIB en el SEM. En primer lugar, una capa gruesa de Pt en la parte superior de la estructura "de punta a punta" tiene que ser depositado. El grosor y el tamaño de la capa de Pt pueden ser ajustados por el operador SEM, pero tienen que seguir tres principios: (1) El grosor y el tamaño son suficientes para proteger la zona de destino de posibles daños haz de iones durante todo el proceso de molienda; (2) Todavía hay una capa relativamente gruesa Pt (≥ 400 nm) en la parte superior de la muestra de la izquierda después de la molienda, que protege la delicada muestra de tensiones internas y externas y minimiza la contribución de la tensión a la ruptura dieléctrica en la próxima TDDB experimento; (3) El tamaño no debe ser demasiado grande, de lo contrario una trayectoria conductora puede formar entre las dos almohadillas que se utilizan para aplicar el voltaje a la estructura de la prueba. Además, el paso clave es cuando parar el haz de iones del corte final.La molienda de iones debe interrumpirse de inmediato una vez a la "ficticia" estructura de interconexión Cu diseñado específicamente frente a la prueba de la estructura desaparece, porque las interconexiones centrales Cu consisten en la estructura "de punta a punta" y sólo hay ~ 60 nm espacio entre ellos. Será demasiado tarde si la estructura "de punta a punta" aparece en la imagen SEM en vivo. El espesor de la H-bar TEM lamela está dirigido a ser aproximadamente 150 a 180 nm. Este espesor permite la transparencia de electrones en el TEM al voltaje de aceleración de 200 kV y también mantiene un dieléctrico relativamente gruesa en los lados que encapsulan la estructura "de punta a punta". Por otro lado, los espesores de muestra de 150-180 nm causarán significativa dispersión inelástica múltiple durante el análisis químico ESI, por lo tanto, estos efectos deben ser considerados en el análisis de los resultados también.
Al manipular o transferir la muestra, use un stra antiestáticop. Esto es muy importante, ya que se observó daños por descargas electrostáticas en varias muestras en nuestro experimento si la pulsera antiestática no fue usado. La etapa de transferencia más importante es la transferencia de la SEM a la TEM. El tiempo de traslado tiene que ser estrictamente restringido dentro de los 15 minutos o menos. Un largo tiempo de exposición de la muestra en el aire ambiente puede absorber la humedad y dañar la estructura "de punta a punta", un ejemplo se muestra en la Figura 4A. Esta muestra se almacena en el aire ambiente durante dos semanas antes de la prueba. La barrera TaN / Ta violado influye en el mecanismo de fallo intrínseco y acorta la vida útil de la estructura de la prueba. Difusión masiva Cu es entonces activado.
Una preocupación para el estudio TDDB in situ en la TEM es el daño haz sobre los dieléctricos ULK. Por lo tanto, es muy crucial para minimizar la influencia de la viga en el experimento 18. Varias estrategias se pueden elegir para reducir esta influencia, pero puedeno ser eliminado completamente. Las opciones pueden ser categorizados en tres enfoques. Una posibilidad es usar una pequeña apertura del condensador para reducir la cantidad total de energía depositada en el tipo de muestra H-18 bar. La otra opción está operando el TEM en baja tensión (≤ 80 kV) 19-21 y / o de electrones de baja dosis 22-25. Se espera que esta opción para reducir directamente el daño haz sobre la muestra. Por otra parte, el modo TEM barrido (STEM) puede ser una técnica de microscopía de baja dosis, así, si los parámetros experimentales se eligen correctamente. Por lo tanto, el modo de STEM debe priorizar si es una posible opción en el TEM utilizado. La elección de bajo brillo de la iluminación y la grabación de las imágenes de TEM con un intervalo de tiempo razonable (dosis baja) elegido también se recomiendan de 18 a dañar haz más reducida.
Aparte de la TDDB intrínseca, la preparación de muestras TEM y la observación TEM podrían afectar teóricamente el ancho definitivoeakdown. Sin embargo, el mecanismo de daño TDDB observado se cree que es válida porque: (1) con mucho menos irradiación de haz TEM (imágenes STEM en dosis bajas, bajo el paso iluminación y la grabación de imágenes cada 30 min / 1 h), la muestra de ensayo mostró fracaso similares mecanismos como en nuestra observación TEM anterior (grabación de imágenes de forma continua, relativamente altas dosis de modo TEM) 16-18; (2) el campo eléctrico se confirmó como la fuerza impulsora y el origen de la migración de las partículas de metal 17 (Figura 5B y 6A) mediante la inversión de la conexión eléctrica; (3) la migración de partículas metálicas y ruptura dieléctrica se observó tanto en los lugares específicos en los que la distancia de punta a punta es relativamente pequeño y la barrera de Ta / bronceado es relativamente delgada, no en todas partes dentro de la zona de la iluminación del haz TEM; (4) una capa gruesa de Pt deposición en la parte superior de la muestra impide que la mayoría de la contaminación de la implantación vertical de iones Ga - el TEestructura st se cree que es principalmente libre de contaminación, incluso si hay una ligera cantidad de contaminación en la superficie de las paredes laterales (aproximadamente 60 nm) desde el daño lateral de los iones Ga. Por lo tanto, la preparación de la muestra y la observación TEM no deben afectar a la interpretación del mecanismo de la insuficiencia intrínseca a una cantidad significativa.
La necesidad de procedimientos sofisticados para la preparación de muestras y la configuración experimental es probablemente la principal desventaja. Esta metodología es aplicable sólo para la estructura de la prueba diseñada específicamente. Por lo tanto, el diseño y el proceso de fabricación complicado para la estructura de prueba dedicado conducen a bastante más esfuerzos en comparación con metodologías de ensayo convencionales. Finalmente, vale la pena señalar que la modificación de la muestra por la irradiación del haz en la TEM es inevitable si el haz de electrones ilumina la delicada muestra para un tiempo muy largo. Sin embargo, creemos que esta metodología puede enable el estudio de los mecanismos de falla TDDB y la cinética de degradación.
El desarrollo adicional en el experimento puede ser capaz de proporcionar datos cuantitativos para la migración Cu en los dieléctricos como una función de la tensión y / o el tiempo aplicada y ayudar a desarrollar un modelo más apropiado para las pilas de interconexión de Cu / ULK on-chip. En nuestro estudio, la señal de ESI de un puente de Cu en la parte inferior de la capa de SICN como se muestra en la Figura 5C claramente apunta al hecho de que el Cu más probable es difundida a lo largo de la interfaz principal / SICN dieléctrico. Esta superficie superior del dieléctrico principal se ve afectado por el proceso de aplanado y se espera que tenga la más alta cantidad de imperfecciones / defectos, a continuación, que conduce a una interfaz relativamente débil con la capa de SICN. Procesos de difusión, lo que permite el movimiento significativo Cu, deben producirse allí. El mecanismo de conducción electrónica, antes de la difusión de Cu y que conduce a daños dieléctrica, debe seguir el comportamiento Poole-Frenkel, therefmineral que favorece al modelo √e. Una desviación de este modelo no se puede deducir con el método experimental aquí propuesto todavía debido a las grandes sesgos necesarios para permitir tiempos de prueba razonables. Cabe señalar sin embargo, que la reducción de las tensiones aplicadas y resultando campos eléctricos debe ser una de las futuras tareas en el perfeccionamiento de la metodología experimental que aquí se describe. Sesgos de funcionamiento real de chips son del orden de 1 a 3 V. Las tensiones aplicadas aquí son bastante más alto, por lo tanto, otros efectos pueden jugar un papel más dominante en las tensiones elevadas. Para este fin, las nuevas estructuras de prueba fueron diseñados que tienen un espaciamiento reducido significativamente en el orden de 20 a 50 nm. Entonces, voltajes más pequeños se pueden aplicar y los datos experimentales aún se pueden adquirir en un plazo razonable de tiempo. El movimiento de Cu, posiblemente eliminado en sesgos bajos debido a la existencia de un umbral para el daño que se produzca dieléctrico, podría entonces ser caracterizada como una función de sesgo y el tiempo aplicada. Estos esfuerzos will ser parte de un próximo estudio y podría probar o refutar el modelo de daños por impacto, que a partir de un mecanismo de daño perspectiva física es actualmente el modelo más probable para describir efectos TDDB a bajas sesgos 10.
Transmisión X-Ray Microscopía (TXM) podría adoptarse para este experimento también si la resolución espacial se podría mejorar mucho menos de 10 nm. Más importante aún, mejor capacidad de transmisión y la dosis de radiación menor que en el TEM pueden impulsar su aplicación en otros dispositivos microelectrónicos activos.
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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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