Em ruptura dielétrica Situ dependentes do tempo no Microscópio Eletrônico de Transmissão: A possibilidade de compreender o mecanismo de falha em dispositivos microeletrônicos
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
Desde interconexões Cu foram primeiramente introduzido na tecnologia de integração ultra-large-scale (ULSI) em 1997 1, low-k e ultra-low-k (ULK) dielétricos foram adotadas no back-end-of-line (BEOL) como os materiais isolantes entre interconexões on-chip. A combinação de novos materiais, por exemplo, Cu para redução da resistência e de baixo k / ULK dielétricos de baixa capacitância, supera os efeitos do aumento da resistência-capacitância (RC) atraso causado por interconectam dimensional encolhimento 2, 3. No entanto, esse benefício foi invadido pela escala agressiva contínua de dispositivos microeletrônicos nos últimos anos. O uso de low-k / ULK materiais resulta em vários desafios no processo de fabricação e para a confiabilidade do produto, especialmente se o campo de interconexão atinge cerca de 100 nm ou menos 4-6.
TDDB refere-se ao mecanismo de um material dieléctrico falha física como uma função de temposob um campo eléctrico. O teste de fiabilidade TDDB é normalmente levada a cabo sob condições aceleradas (campo eléctrico elevada e / ou temperatura elevada).
O TDDB em on-chip stacks interconexão é um dos mecanismos de falha mais críticos para os dispositivos microeletrônicos, que já suscitou preocupações intensas na comunidade confiabilidade. Ele continuará a ser o centro das atenções de engenheiros de confiabilidade desde dielétricos ULK com propriedades elétricas e mecânicas mesmo mais fracos estão sendo integrados nos dispositivos nos nós de tecnologia avançada.
Dedicado experiências foram realizadas para investigar o mecanismo de falha TDDB 7-9, e uma quantidade significativa de esforço tem sido investido para desenvolver modelos que descrevem a relação entre o campo eléctrico e tempo de vida dos dispositivos 10-13. Os estudos existentes beneficiar a comunidade de engenheiros de confiabilidade em microeletrônica; no entanto, muitos challenges ainda existem e muitas questões ainda precisam ser respondidas em detalhes. Por exemplo, os modelos comprovados para descrever o mecanismo de falha e degradação física cinética no processo TDDB ea respectiva verificação experimental ainda estão faltando. Como uma necessidade particular, um modelo mais apropriado é necessário para substituir o modelo conservador √E-14.
Como uma parte muito importante da investigação TDDB, análise de falhas típico está enfrentando um desafio sem precedentes, ou seja, fornecendo evidências abrangente e difícil de explicar a física dos mecanismos de falha e cinética de degradação. Aparentemente, inspeccionando milhões de metros vias e de linhas de Cu nanoescala um por um e ex situ imagiologia do site de falha não é a escolha apropriada de obstáculo a este desafio, porque é muito demorado, e informação limitada sobre a cinética do mecanismo de dano pode ser fornecida. Por isso, uma tarefa urgente surgiu para desenvolver umnd para otimizar experiências e para obter uma melhor procedimento para estudar os mecanismos de falha TDDB e cinética de degradação.
Neste artigo, vamos demonstrar uma metodologia experimental em situ para investigar o mecanismo de falha TDDB em Cu / ULK pilhas de interconexão. Um TEM com a capacidade de imagem de alta qualidade e análise química é usado para estudar o processo de cinética em estruturas de teste dedicados. O teste em eléctrica situ é integrado no experimento MET para proporcionar um campo eléctrico elevado para os dieléctricos. A estrutura personalizado "ponta-a-ponta", consistindo de interconexões Cu totalmente encapsulados e isolados por um material ULK, é projetado no nó de 32 nm CMOS tecnologia. O procedimento experimental descrito aqui pode também ser estendido a outras estruturas em dispositivos activos.
Protocol
Representative Results
Discussion
O pré-requisito para o sucesso da experiência TDDB é boa preparação de amostras, especialmente no processo de moagem FIB no SEM. Em primeiro lugar, uma camada de Pt de espessura na parte superior da estrutura de "ponta-a-ponta" tem de ser depositada. A espessura e o tamanho da camada de Pt pode ser ajustada pelo operador de SEM, mas tem que seguir três princípios: (1) A espessura e o tamanho é suficiente para proteger a área alvo de possíveis danos do feixe de iões ao longo de todo o processo de moa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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 |
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