Introduction
Depuis interconnexions Cu ont d'abord été introduits dans l'intégration des technologies ultra-grande échelle (ULSI) en 1997 1, low-k et ultra-low-k (ULK) diélectriques ont été adoptées dans le back-end-of-line (beol) que les matériaux isolants entre les interconnexions sur puce. La combinaison de nouveaux matériaux, par exemple, Cu pour la résistance réduite et diélectriques low-k / ULK pour capacité inférieure, surmonte les effets de l'augmentation de résistance-condensateur (RC) retard causé par interconnexion dimensions retrait 2, 3. Toutefois, cet avantage a été empiété par la mise à l'échelle dynamique continue des dispositifs microélectroniques au cours des dernières années. L'utilisation de low-k / ULK résultats des matériaux dans divers défis dans le processus de fabrication et de la fiabilité des produits, en particulier si le terrain d'interconnexion atteint environ 100 nm ou moins 4-6.
TDDB se réfère au mécanisme de rupture physique d'un matériau diélectrique en fonction du tempssous un champ électrique. Le test de fiabilité TDDB est habituellement effectuée dans des conditions accélérées (champ électrique élevé et / ou température élevée).
Le TDDB dans la puce d'interconnexion empile est l'un des mécanismes de défaillance les plus critiques pour les dispositifs microélectroniques, qui a déjà soulevé des préoccupations intenses de la communauté de fiabilité. Il continuera d'être à l'honneur des ingénieurs en fiabilité depuis diélectriques ULK avec des propriétés électriques et mécaniques encore plus faibles sont intégrés dans les appareils dans les nœuds technologiques avancés.
Expériences dédiées ont été réalisées pour étudier le mécanisme de défaillance de TDDB 7-9, et une quantité importante d'efforts ont été investis pour développer des modèles qui décrivent la relation entre le champ électrique et durée de vie des dispositifs 10-13. Les études existantes bénéficient de la communauté des ingénieurs en fiabilité en microélectronique; cependant, beaucoup challenges existent encore et de nombreuses questions doivent encore être répondu en détail. Par exemple, des modèles éprouvés de décrire le mécanisme de l'échec et de la dégradation cinétique physiques dans le processus de TDDB et la vérification expérimentale respective font encore défaut. Comme un besoin particulier, un modèle plus approprié est nécessaire pour remplacer le modèle conservateur √E-14.
Comme une partie très importante de l'enquête de TDDB, analyse typique d'échec est confrontée à un défi sans précédent, à savoir, fournir la preuve complète et difficile à expliquer la physique des mécanismes de défaillance et de la cinétique de dégradation. Apparemment, l'inspection des millions de vias et des mètres de nanométriques lignes Cu un par un et ex situ imagerie le site de l'échec est pas le choix approprié à franchir ce défi, car il est très chronophage, et que peu d'informations à propos de la cinétique du mécanisme de dommages peuvent être fournis. Par conséquent, une tâche urgente est apparue de développer unee pour optimiser les expériences et d'obtenir une meilleure procédure pour étudier les mécanismes de défaillance de TDDB et cinétique de dégradation.
Dans cet article, nous allons démontrer une méthodologie expérimentale in situ pour étudier le mécanisme d'échec TDDB en Cu / ULK piles d'interconnexion. Une TEM avec la capacité de l'imagerie de haute qualité et l'analyse chimique est utilisée pour étudier le processus cinétique à des structures de test dédiés. Le test électrique in situ est intégré dans l'expérience de TEM de fournir un champ électrique élevée pour les diélectriques. Une structure personnalisée "pointe-pointe", constitué d'interconnexions cuivre entièrement encapsulés et isolés par un matériau ULK, est conçu dans le nœud de la technologie CMOS 32 nm. La procédure expérimentale décrite ici peut également être étendu à d'autres structures de dispositifs actifs.
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Protocol
1. Préparation de l'échantillon pour le Focused Ion Beam (FIB) Dilution (Figure 1)
- Cliver la plaquette complète en petits copeaux (~ 10 mm par 10 mm) avec une pointe en diamant.
- Marquez les positions de la structure "pointe-pointe" sur les puces.
- Vu la puce avec une machine de découpe pour obtenir des barres de 60 um de 2 mm de taille. Le bar comprend la structure "pointe-pointe" dans le centre.
- Collez la barre de cible sur un demi-anneau Cu en utilisant la super glue. Ensuite, collez la barre sur une scène de l'échantillon Cu en utilisant également la super glue. Ensuite, l'utilisation pâte d'argent pour régler la conduction entre l'anneau de la moitié et le stade de l'échantillon de cuivre.
Remarque: Lors de la manipulation de l'échantillon, assurez-vous de toujours porter un bracelet antistatique pour éviter les décharges électrostatiques, ce qui peut endommager la structure sensible dans l'échantillon.
2. FIB éclaircie dans le microscope électronique à balayage (Figure 2)
- Mettre l'échantillon obtenu à l'étape 1 sur unn SEM de la phase de l'échantillon et placer soigneusement la scène dans la SEM.
- Choisissez le mode de dépôt, et mettre en place les dimensions (superficie et l'épaisseur) de la couche de protection Pt nécessaire. Toujours utiliser un faisceau d'ions de 30 kV pour maintenir la plus grande précision. Réglez le courant pour obtenir l'efficacité satisfait, en fonction des dimensions de la couche de Pt est nécessaire.
- Déposer une ligne Pt à communiquer avec un pad à l'étape Cu (potentiel de terre). Par la suite, déposer une couche épaisse sur le dessus Pt de la structure "pointe-pointe", qui est très important pour minimiser les dégâts d'ions pendant le processus d'amincissement de la FIB et de renforcer la lamelle mince. Ceci est une procédure standard utilisé dans la préparation FIB.
- Prenez garde à ne pas introduire des chemins conducteurs entre les deux coussins sur le haut de la structure "pointe-pointe" à travers la couche de Pt lorsque vous effectuez le dépôt Pt. Tout chemin conducteur va court circuit électrique (figure 2A et B).
- FIB fraisage
- Utilisez une tension de 30 kV et un courant de 10 pA pour le montage final. Thin la barre de cible dans un H-bar TEM lamelles avec une épaisseur comprise entre 150 et 180 nm.
- Une entaille près de la plaquette (V + pad) qui sera touché par une pointe de transducteur dans le TEM. Utilisez l'encoche comme un marqueur pour identifier le bon pad dans le TEM.
3. Exemple de transfert de la SEM à la TEM
- Mettez le bracelet antistatique avant de toucher l'échantillon.
- Démonter préparé l'échantillon H-bar de la scène SEM. Conserver l'échantillon sur la scène Cu lors du débranchement de la SEM.
- Fixer la scène Cu sur le support de TEM. Déplacez la pointe de transducteur du support à proximité de la structure de test de TEM (quelques centaines de micromètres à l'extérieur de la structure de test) sous le microscope optique.
- Insérez le support de TEM dans le TEM attentivement. Ne pas utiliser un traitement de nettoyage (par exemple, le nettoyage au plasma) au cours de la transfert processus, sinon la lamelle peut être influencée.
- Gardez du temps pour le transfert de l'échantillon dans les 15 minutes ou moins pour éviter une trop grande exposition à l'humidité ambiante et de l'oxygène.
4. Établissement de la connexion électrique (Figure 3)
- Connectez le support de TEM à son système de contrôle et le SourceMeter. Allumez ensuite le système de commande et le SourceMeter.
- Surveiller la pointe de la sonde dans le TEM lorsque vous faites l'approche grossière de la pointe de la sonde à la structure de test en réglant les boutons sur le support de TEM.
- Déplacez la pointe de transducteur du support de TEM à proximité de la pad V + (≤ 500 nm). Apportez la pointe du transducteur au même niveau (Z: hauteur) que le pad. Ajuster la position de la pointe et de faire face à la pointe du centre de la V + pad.
- Contactez la pointe du transducteur au pad V +. Régler une tension très faible sur la pointe (0,5 V à environ 1 V) à l'approche de la plaquette. Surveiller la simultaneo actuelleisa nt pour vous assurer que le contact est établi.
5. In Situ TDDB Experiment
- Utiliser une tension de 200 kV accéléré dans le TEM. Déplacer le faisceau d'électrons à la zone d'intérêt; choisissez un grossissement approprié et focaliser l'image.
- Utilisez étapes de faible éclairage (≤ 8) pour réduire les dommages du faisceau sur la structure de test. Utiliser une ouverture du condenseur à localiser la zone d'éclairage que dans la partie mince de l'échantillon H-bar.
- Appliquer une tension constante (≤ 40 V) sur la structure "pointe-pointe" en utilisant le SourceMeter tout en enregistrant les images TEM in situ (2-3 images / sec). Enregistrer automatiquement les images en utilisant un code d'auto-scénarisé, par exemple, en utilisant le logiciel DigitalMicrograph.
- Mettre en pause l'expérience en voyant une diffusion apparente de métal dans les diélectriques ULK et faire le Electron imagerie spectroscopique (ESI) analyse chimique.
- Insérez l'ouverture filtre à fente dans le Omegun filtre d'énergie dans le TEM.
- Tune la largeur de l'ouverture de limon filtre pour obtenir une largeur d'énergie propre (10 à 20 eV) dans le spectre électronique de la perte d'énergie (EELS).
- Maj l'énergie au cuivre M-bord adsorption pic dans les anguilles.
- Retour à la mode d'imagerie pour acquérir une image filtrée en énergie de TEM au Cu M-bord pic d'absorption.
- Maj l'énergie à la pré-bord de la M-bord de cuivre et d'obtenir une autre image de TEM d'énergie filtrée.
- Corriger la dérive de l'échantillon entre les deux images.
- Divisez la première image par la seconde pour obtenir le rapport d'image de saut de Cu.
- Poursuivre l'expérience TDDB: réappliquer une tension constante (≤ 40 V) sur la structure "pointe-pointe" en utilisant le SourceMeter et enregistrer les images TEM.
6. tomodensitométrie
- Effectuer TEM tomographie lorsque l'expérience TDDB est terminé, pour obtenir des informations de distribution 3D sur le diffused particules.
- Inclinez l'échantillon et enregistrer une série d'inclinaison de 138 °. Utilisez une étape d'inclinaison de 1 °, et d'enregistrer l'image au cours de chaque étape dans le mode STEM champ clair (BF).
- Reconstruire la série (comprend l'alignement des images, déterminer l'axe d'inclinaison, la reconstruction de volume et de segmentation pour former le volume tomographique 3D).
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Representative Results
La figure 4 montre lumineux champ (BF) images TEM provenant d'un essai in situ. Il sont partiellement violé TaN / Ta barrières et les atomes de Cu pré-existantes dans les diélectriques ULK avant le test électrique (figure 4A) en raison d'un stockage prolongé dans l'air ambiant. Après seulement 376 secondes à 40 V, la rupture diélectrique a commencé et a été accompagnée de deux grandes voies de migration de cuivre du métal M1, ayant un potentiel positif par rapport à la partie de terrain 15-16. Les particules de Cu diffusés dans les diélectriques ULK sont présentés dans l'image BF TEM après l'effondrement final (figure 4B).
Dans un échantillon sans faille, à savoir, le transfert rapide entre FIB préparation et l'imagerie TEM (figure 5A), la structure "pointe-pointe" est intacte sans aucun dommage dans la barrière TaN / Ta. La même tension (40 V) a été appliqué à cet exemple. Cet échantillon a survécu pendant plus de 50 min jusqu'à ce quela rupture a eu lieu à cause de la barrière intacte TaN / Ta. L'image de TEM après rupture est représentée sur la Figure 5B. Apparemment, les atomes métalliques migré dans le SiO 2 à partir de l'angle inférieur du métal M1, ayant un potentiel positif indiqué par une flèche rouge 17. L'ESI analyse chimique (figure 5C) prouve qu'il ya un chemin de migration de Cu à l'interface de fracture entre la couche SiCN et les diélectriques ULK, qui ne pouvaient pas être détectés par le contraste de l'image BF TEM à la figure 5B. La combinaison de l'analyse chimique ESI et situ expérience TDDB dans le TEM permet une enquête sur le mécanisme de rupture de TDDB et la cinétique de dégradation 15-16 d'une manière plus directe et plus complète.
Tomographie est un choix pour caractériser la distribution 3D de particules de Cu qui diffusent à partir du côté positif de la structure "pointe-pointe". Figure6B représente une tranche d'un rendu 3D de l'échantillon acquis par tomodensitométrie dans le TEM. Les particules jaunes représentent les particules de Cu migré dans le SiO 2.
Figure 1. Les images schématiques de l'expérience avant que l'échantillon est placé dans le microscope électronique à balayage (SEM). (A) Une tranche entière. (B) Une puce de la plaquette complète. (C) Une barre de cible avec une structure sur un demi-anneau Cu qui est collée sur une scène de l'échantillon "pointe-pointe". S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2. Un échantillon H-bar fabriqué par la technique faisceau ionique focalisé (FIB) dans le SEM et une image schématique de la structure "pointe-pointe". (A) et (B) dans la SEM. (C) Les schémas d'une structure "pointe-pointe". S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3. Montage expérimental dans le microscope électronique à transmission (MET). (A) de l'image schématique du processus approchant de contact. (B) STEM image de la configuration avant l'expérience de TDDB in situ. S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de eest la figure.
Figure 4. Représentant images TEM pour une structure "pointe-pointe" avec diffuse Cu dans les diélectriques ULK avant l'expérience in situ. (A) avant le test électrique. (B) Après le test électrique. S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 5. images représentant TEM pour une structure impeccable "pointe-pointe". Image (A) Fond clair (BF) de TEM avant le test électrique. (B) de l'image BF TEM après le test électrique. (C) Ell'image spectroscopique de la distribution Cu ECTRON. S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 6. image STEM et 3D-rendu d'une structure "pointe-pointe" après le test électrique. (A) image STEM. (B) 3D-rendu de l'échantillon acquis par tomodensitométrie dans le TEM (bleu: la structure "Tip-pointe", Jaune: des particules de Cu, Vert: structure de transistor en dessous).
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Discussion
La condition préalable de la réussite dans l'expérience TDDB est une bonne préparation de l'échantillon, en particulier dans le processus de fraisage de FIB dans la SEM. Tout d'abord, une épaisse couche de Pt sur le dessus de la structure "pointe-pointe" doit être déposé. L'épaisseur et la taille de la couche Pt peut être ajustée par l'opérateur SEM, mais doivent suivre trois principes: (1) L'épaisseur et la taille sont assez pour protéger la zone cible de possibles dommages faisceau d'ions pendant l'ensemble du processus de broyage; (2) Il ya encore une couche relativement épaisse Pt (≥ 400 nm) sur le dessus de l'échantillon à gauche après le fraisage, il protège l'échantillon délicate des contraintes internes et externes et minimise la contribution du stress à la rupture diélectrique dans le prochain TDDB expérience; (3) La taille ne devrait pas être trop grande, sinon un trajet conducteur peut se former entre les deux plots qui sont utilisés pour appliquer la tension à la structure de test. En outre, l'étape clé est quand arrêter le faisceau d'ions de la coupe finale.La gravure ionique doit être immédiatement interrompue une fois par "factice" structure d'interconnexion Cu spécifiquement conçu en face de l'essai la structure disparaît, parce que les interconnexions centrales Cu se composent de la structure "pointe-pointe" et il ya seulement ~ 60 nm espace entre leur. Il sera trop tard si la structure "pointe-pointe" apparaît dans l'image en direct SEM. L'épaisseur de la H-bar TEM lamelle est ciblé pour être environ 150 à 180 nm. Cette épaisseur permet la transparence des électrons dans le TEM à 200 kV tension d'accélération et maintient également un diélectrique relativement épaisse sur les côtés qui encapsulent la structure "pointe-pointe". D'autre part, les échantillons épaisseurs de 150-180 nm vont provoquer importante diffusion inélastique multiples lors de l'analyse chimique ESI, par conséquent, ces effets doivent être considérés dans l'analyse des résultats ainsi.
Lors de la manipulation ou de transfert de l'échantillon, porter un stra antistatiquep. Ceci est très important, puisque les dommages de décharge électrostatique sur plusieurs échantillons a été observée dans notre expérience si le bracelet antistatique n'a pas été porté. L'étape de transfert le plus important est le transfert de la SEM au TEM. Le temps de transfert doit être strictement limité à l'intérieur de 15 min ou moins. Une exposition de l'échantillon dans l'air ambiant de longue date peut absorber l'humidité et endommager la structure "pointe-pointe", un exemple est montré dans la figure 4A. Cet échantillon a été stocké à l'air ambiant pendant deux semaines avant l'essai. La barrière TaN / Ta enfreint influence le mécanisme de défaillance intrinsèque et raccourcit la durée de vie de la structure de test. Massive diffusion Cu est alors activé.
Une préoccupation pour l'étude de TDDB in situ dans le TEM est le dommage de faisceau sur les diélectriques ULK. Par conséquent, il est très important de minimiser l'influence de la poutre 18 sur l'expérience. Plusieurs stratégies peuvent être choisies pour réduire cette influence, mais il peutpas être éliminé complètement. Les options peuvent être classés en trois approches. Une possibilité est d'utiliser une petite ouverture du condenseur afin de réduire la quantité totale d'énergie déposée dans le type H-bar échantillon 18. L'autre option fonctionne TEM à basse tension (≤ 80 kV) 19-21 et / ou à faible dose électrons 22-25. Cette option devrait permettre de réduire directement les dégâts du faisceau sur l'échantillon. En outre, le mode de balayage de TEM (STEM) peut être une technique de microscopie à faible dose, ainsi, si les paramètres expérimentaux sont choisis correctement. Ainsi, le mode STEM devrait être une priorité si elle est une option possible dans le TEM utilisé. Choisir faible luminosité de l'affichage et l'enregistrement des images TEM avec un, intervalle de temps raisonnable (à faible dose) choisie sont également recommandés 18 à entraîner des dommages faisceau encore réduite.
En dehors de la TDDB intrinsèque, la préparation de l'échantillon de TEM et l'observation de TEM pourraient théoriquement affecter la br finaleeakdown. Néanmoins, le mécanisme de dommages de TDDB observé est considéré comme valide parce que: (1) avec beaucoup moins d'irradiation par faisceau TEM (STEM imagerie à faible dose, à faible étape d'éclairage et l'enregistrement d'images toutes les 30 min / 1 h), l'échantillon d'essai a montré l'échec similaire mécanismes comme dans notre observation TEM précédente (enregistrement d'images en continu, relativement mode TEM à haute dose) 16-18; (2) le champ électrique a été confirmé en tant que moteur et l'origine de la migration de particules métalliques 17 (figure 5B et 6A) en inversant la connexion électrique; (3) la migration de particules métalliques et rupture diélectrique ont tous deux été observée à des endroits spécifiques où la distance pointe-pointe est relativement faible et la barrière Ta / TaN est relativement mince, pas partout à l'intérieur de la zone d'illumination du faisceau TEM; (4) une couche épaisse de dépôt de Pt sur le dessus de l'échantillon empêche la majeure partie de la contamination à partir de l'implantation verticale des ions Ga - la test structure est considéré comme essentiellement exempt de contamination, même si il ya une légère quantité de contamination sur la surface des parois latérales (environ 60 nm) de dommages latérale des ions Ga. Par conséquent, la préparation de l'échantillon et l'observation de TEM ne devraient pas affecter l'interprétation du mécanisme de défaillance intrinsèque à un montant significatif.
La nécessité de procédures sophistiquées pour la préparation de l'échantillon et le dispositif expérimental est probablement le principal inconvénient. Cette méthodologie est applicable uniquement pour la structure d'essai spécialement conçue. Par conséquent, la conception et le processus de fabrication compliqué pour la structure de test dédiée mènent à bien plus d'efforts par rapport aux méthodes de test conventionnelles. Enfin, il est intéressant de souligner que la modification de l'échantillon par irradiation du faisceau dans le TEM est inévitable si le faisceau d'électrons éclaire l'échantillon délicat pour un temps très long. Néanmoins, nous croyons que cette méthodologie peut enable l'étude de TDDB mécanismes de défaillance et de la cinétique de dégradation.
Poursuite du développement sur l'expérience peut être en mesure de fournir des données quantitatives pour la migration Cu dans les diélectriques en fonction de la tension et / ou de temps appliquée et aider à développer un modèle plus approprié pour les Cu / ULK sur puce piles d'interconnexion. Dans notre étude, le signal d'un pont ESI Cu au bas de la couche SiCN comme représenté sur la figure 5C indique clairement le fait que la plus probable Cu diffusé le long de l'interface principale de diélectrique / SiCN. Cette surface supérieure du diélectrique principale est affectée par le processus d'aplanissement et devrait avoir la plus grande quantité d'imperfections / défauts, conduisant alors à une interface relativement faible avec la couche SiCN. Diffusionnels processus, permettant le mouvement Cu importante, il devrait se produire. Le mécanisme de conduction électronique, précédant la diffusion Cu et entraînant des dommages diélectrique, devrait suivre le comportement Poole-Frenkel, therefminerai favorisant la √E-modèle. Un écart par rapport à ce modèle ne peut pas être déduit encore avec la méthode expérimentale proposé ici en raison des biais importants nécessaires pour permettre des temps de test raisonnables. Il convient cependant de noter que l'abaissement des tensions appliquées et résultant des champs électriques devrait être l'une des futures tâches à affiner la méthodologie expérimentale décrite ici. Biais d'exploitation de puces réelles sont de l'ordre de 1 à 3 V. Les tensions appliquées ici sont assez élevé, donc d'autres effets peuvent jouer un rôle plus dominant à des tensions élevées. A cet effet, de nouvelles structures d'essai ont été conçus qui ont un espacement sensiblement réduite de l'ordre de 20 à 50 nm. Ensuite, les petites tensions peuvent être appliquées et les données expérimentales peuvent encore être acquis dans un laps de temps raisonnable. Le mouvement de Cu, éventuellement éliminé à basse préjugés en raison de l'existence d'un seuil de dommages diélectrique de se produire, pourrait alors être considérée comme une fonction de polarisation appliquée et le temps. Ces efforts will faire partie d'une étude à venir et pourrait prouver ou de réfuter le modèle de dégâts d'impact, ce qui d'un point de vue physique mécanisme d'endommagement est actuellement le modèle le plus susceptibles de décrire les effets TDDB à basse biais 10.
Transmission X-Ray Microscopy (TXM) pourrait être adoptée pour cette expérience ainsi que la résolution spatiale pourrait être amélioré pour beaucoup moins que 10 nm. Plus important encore, une meilleure capacité de transmission et de la dose de rayonnement inférieure à celle du TEM peuvent stimuler son application sur d'autres dispositifs microélectroniques actifs.
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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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