In Situ Zeitabhängige Dielectric Breakdown im Transmissionselektronenmikroskop: eine Möglichkeit, die Fehlermechanismus in mikroelektronischen Bauelementen Verstehen
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
Da Cu-Leiterbahnen wurden zunächst in den ultra-Großintegration (ULSI) Technologie im Jahr 1997 1 eingeführt, low-k- und Ultra-low-k (ULK) Dielektrika sind in die Back-End-of-line verabschiedet (BEoL) als Dämmstoffe zwischen on-Chip-Verbindungen. Die Kombination aus neuen Materialien, zB Cu für reduzierten Widerstand und Low-k / ULK Dielektrika für niedrigere Kapazität, überwindet die Effekte der erhöhten Widerstands-Kapazitäts (RC) Verzögerung durch Verbindungs Maßschrumpfung 2, 3 entstehen. Jedoch wurde dieser Vorteil griffen durch die anhaltende aggressive Skalierung der Mikroelektronik in den letzten Jahren. Die Verwendung von Low-k / ULK Materialien führt in verschiedenen Herausforderungen in das Herstellungsverfahren und für die Zuverlässigkeit des Produkts, insbesondere wenn die Verbindungs Tonhöhe ungefähr 100 nm oder weniger beträgt 4-6.
TDDB bezieht sich auf die physikalischen Versagensmechanismus eines dielektrischen Materials als eine Funktion der Zeit,unter einem elektrischen Feld. Die TDDB Zuverlässigkeitstest wird gewöhnlich unter beschleunigten Bedingungen (erhöhte elektrische Feld und / oder erhöhter Temperatur) durchgeführt.
Die TDDB in On-Chip-Verbindungsstapel ist einer der kritischsten Ausfallmechanismen für die mikroelektronischen Vorrichtungen, die bereits intensive Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit Gemeinschaft angehoben hat. Es wird auch weiterhin im Rampenlicht an Zuverlässigkeit Ingenieure seit ULK Dielektrika mit noch schwächeren elektrischen und mechanischen Eigenschaften werden in die Geräte in Spitzentechnologie-Knoten integriert sein.
Dedizierte Experimente wurden durchgeführt, um den Fehlermechanismus TDDB 7-9 zu untersuchen, und ein erheblicher Aufwand investiert wurde, um Modelle, die die Beziehung zwischen dem elektrischen Feld und der Lebensdauer der Vorrichtungen 10-13 beschreiben entwickeln. Die vorhandenen Studien profitieren die Gemeinschaft der Zuverlässigkeit Ingenieure in der Mikroelektronik; jedoch viele challenges noch vorhanden sind und viele Fragen müssen noch im Detail zu beantworten. Zum Beispiel, um bewährte Modelle der physikalischen Versagensmechanismus und Abbaukinetik im TDDB Prozess zu beschreiben und die jeweiligen experimentellen Überprüfung fehlen noch. Als ein besonderer Bedarf wird eine geeignetere Modell benötigt, um die konservative √E-Modell 14 zu ersetzen.
Als ein sehr wichtiger Teil des TDDB Untersuchung ist typisch Fehleranalyse vor einer beispiellosen Herausforderung, das heißt, die umfassende und harte Beweise, um die Physik der Ausfallmechanismen und Abbaukinetik zu erklären. Anscheinend Inspektion Millionen von Vias und Meter von nanoskaligen Cu Linien eine nach der anderen, und Ex-situ-Bildgebung der Ausfall Seite ist nicht die richtige Wahl, um diese Hürde Herausforderung, denn es ist sehr zeitaufwendig und nur begrenzte Informationen über die Kinetik der Schadensmechanismus bereitgestellt werden kann. Daher wurde eine dringende Aufgabe entstanden, um eine Entwicklungnd Experimente zu optimieren und um ein besseres Verfahren zu bekommen, um die Versagensmechanismen TDDB und Abbaukinetik zu studieren.
In diesem Artikel zeigen wir Ihnen, eine in situ experimentelle Methodik, um die TDDB Fehlermechanismus in Cu / ULK Verbindungsstapel zu untersuchen. Eine TEM mit der Fähigkeit, mit hoher Bildqualität und der chemischen Analyse verwendet, um die kinetischen Prozess auf dedizierte Teststrukturen zu untersuchen. Die in situ-E-Test in den TEM-Experiment integriert, um einen erhöhten elektrischen Feldes an die Dielektrika bereitzustellen. Eine maßgeschneiderte "Spitze-Spitze" Struktur, bestehend aus vollständig gekapselt Cu-Leiterbahnen und isoliert von einem ULK Material wird in der 32-nm-CMOS-Technologie-Knoten ausgelegt. Die hier beschriebenen experimentellen Verfahren kann auch mit anderen Strukturen in der aktiven Geräte erweitert werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Voraussetzung für den Erfolg in der TDDB Versuch ist gut Probenaufbereitung, insbesondere in der FIB Mahlvorgang in der SEM. Erstens muss eine dicke Pt-Schicht auf der Oberseite der "Spitze-Spitze" Struktur zu hinterlegen. Die Dicke und die Grße der Pt-Schicht kann durch den SEM Bediener eingestellt werden, sondern müssen drei Prinzipien folgen: (1) Die Dicke und die Größe, um den anvisierten Bereich von möglichen Ionenstrahlschäden während des gesamten Mahlprozesses zu schützen; (2) Es ist noch eine …
Offenlegungen
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 |
Referenzen
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