The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. This paper demonstrates the procedure of an in situ TDDB experiment in the transmission electron microscope, which opens a possibility to study the failure mechanism in microelectronic products.
The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. The aggressive scaling of feature sizes, both on devices and interconnects, leads to serious challenges to ensure the required product reliability. Standard reliability tests and post-mortem failure analysis provide only limited information about the physics of failure mechanisms and degradation kinetics. Therefore it is necessary to develop new experimental approaches and procedures to study the TDDB failure mechanisms and degradation kinetics in particular. In this paper, an in situ experimental methodology in the transmission electron microscope (TEM) is demonstrated to investigate the TDDB degradation and failure mechanisms in Cu/ULK interconnect stacks. High quality imaging and chemical analysis are used to study the kinetic process. The in situ electrical test is integrated into the TEM to provide an elevated electrical field to the dielectrics. Electron tomography is utilized to characterize the directed Cu diffusion in the insulating dielectrics. This experimental procedure opens a possibility to study the failure mechanism in interconnect stacks of microelectronic products, and it could also be extended to other structures in active devices.
Siden Cu interconnects ble først introdusert i ultra-storskala integrasjon (ULSI) teknologi i 1997 1, low-k og ultra-low-k (ULK) dielectrics har blitt adoptert inn i back-end-of-line (BEoL) som isolasjonsmateriale mellom on-chip sammenkoblinger. Kombinasjonen av nye materialer, for eksempel, Cu for redusert motstand og lav-k / ULK dielectrics for lavere kapasitans, overvinner effekten av økt motstand-kapasitans (RC) forsinkelse forårsaket av interdimensjonal krymping 2, 3. Men denne fordelen tatt av fortsatt aggressiv skalering av mikroelektroniske enheter de siste årene. Anvendelse av lav-K / ULK materialer resulterer i ulike utfordringer i produksjonsprosessen og for produktet pålitelighet, særlig hvis sammenkoblings banen når ca. 100 nm eller mindre 4-6.
TDDB refererer til den fysiske feilmekanisme av et dielektrisk materiale som en funksjon av tideni henhold til et elektrisk felt. Den TDDB påliteligheten testen er vanligvis utført under akselererte betingelser (forhøyet elektrisk felt og / eller forhøyet temperatur).
Den TDDB i on-chip interconnect stabler er en av de mest kritiske mekanismer svikt for mikroelektroniske enheter, som allerede har reist intense bekymringer i pålitelighet samfunnet. Den vil fortsette å være i søkelyset av pålitelighets ingeniører siden ULK dielectrics med enda svakere elektriske og mekaniske egenskaper blir integrert i enhetene i avansert teknologi noder.
Dedikerte eksperimenter har blitt utført for å undersøke TDDB feilmekanisme 7-9, og en betydelig mengde innsats har blitt investert for å utvikle modeller som beskriver forholdet mellom elektrisk felt og levetid av enhetene 10-13. De eksisterende studier nytte for samfunnet av pålitelighets ingeniører i mikroelektronikk; Men mange ChallenGES fortsatt eksisterer og mange spørsmål fortsatt må besvares i detalj. For eksempel, for å påvist modeller beskrive den fysiske feilmekanisme og nedbrytningskinetikken i TDDB prosessen og den respektive eksperimentell verifikasjon fremdeles mangler. Som et særlig behov, er en mer passende modell for å erstatte den konservative √E-modell 14.
Som en svært viktig del av TDDB etterforskningen, er typisk feil analyse overfor en enestående utfordring, dvs. gir omfattende og vanskelig bevis for å forklare fysikken i feilmekanismer og nedbrytningskinetikk. Angivelig, inspeksjon millioner av vias og målere av nanoskala Cu linjer én etter én og ex situ imaging svikt nettstedet er ikke det riktige valget til hinder denne utfordringen, fordi det er svært tidkrevende, og kun begrenset informasjon om kinetikken av skaden mekanismen kan gis. Derfor har en presserende oppgave dukket opp for å utvikle ennd for å optimalisere eksperimenter og for å få en bedre fremgangsmåte for å studere TDDB feilmekanismer og nedbrytningskinetikk.
I denne artikkelen vil vi demonstrere en in situ eksperimentell metode for å undersøke TDDB feilmekanisme i Cu / ULK sammenkoblings stabler. En TEM med evne til bildekvalitet og høy kjemisk analyse benyttes for å studere kinetiske prosessen ved dedikerte teststrukturer. In situ-elektrisk test er integrert i TEM eksperimentet for å tilveiebringe en forhøyet elektrisk felt for å dielektrikum. En tilpasset "tip-to-tip" struktur, bestående av fullt innkapslet Cu sammenkoblinger og isolert av en ULK materiale, er utformet i 32 nm CMOS-teknologi node. Den eksperimentelle fremgangsmåte som er beskrevet her kan også bli utvidet til andre strukturer i aktive enheter.
Forutsetningen for suksess i TDDB forsøket er god prøvepreparering, spesielt i FIB maleprosessen i SEM. For det første, har en tykk Pt lag på toppen av "spiss-til-spiss" struktur som skal avsettes. Tykkelsen og størrelsen av Pt laget kan justeres av operatøren SEM, men må følge tre prinsipper: (1) tykkelse og størrelse er tilstrekkelig til å beskytte målområdet fra mulige ionestråle skader under hele maleprosessen; (2) Det er fortsatt et relativt tykt Pt lag (≥ 400 nm) på toppen av prøven igje…
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank Rüdiger Rosenkranz and Sven Niese (Fraunhofer IKTS-MD) for their assistance in sample preparation, and Ude Hangen, Douglas Stauffer, Ryan Major and Oden Warren (Hysitron Inc.) for their technical support on the PI95 TEM holder. The support of the Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) and the Dresden Center for Nanoanalysis (DCN) at Technische Universität Dresden is acknowledged as well.
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 |