In Situ Zeitabhängige Dielectric Breakdown im Transmissionselektronenmikroskop: eine Möglichkeit, die Fehlermechanismus in mikroelektronischen Bauelementen Verstehen

Summary

Der zeitabhängige dielektrische Durchschlag (TDDB) in On-Chip-Verbindungsstapeln ist einer der kritischsten Fehlermechanismen für mikroelektronische Bauelemente. In dieser Arbeit wird die Vorgehensweise eines in situ TDDB-Experiments im Transmissionselektronenmikroskop demonstriert, das die Möglichkeit eröffnet, den Versagensmechanismus in mikroelektronischen Produkten zu untersuchen.

Abstract

Der zeitabhängige dielektrische Durchschlag (TDDB) in On-Chip-Verbindungsstapeln ist einer der kritischsten Fehlermechanismen für mikroelektronische Bauelemente. Die aggressive Skalierung der Feature-Größen, sowohl auf Geräten als auch auf Interconnects, führt zu ernsthaften Herausforderungen, um die erforderliche Produktzuverlässigkeit zu gewährleisten. Standard-Zuverlässigkeitstests und postmortale Fehleranalysen liefern nur begrenzte Informationen über die Physik der Versagensmechanismen und der Degradationskinetik. Daher ist es notwendig, neue experimentelle Ansätze und Verfahren zu entwickeln, um insbesondere die TDDB-Versagensmechanismen und die Degradationskinetik zu untersuchen. In dieser Arbeit wird eine in situ experimentelle Methodik im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) demonstriert, um die TDDB-Degradations- und Versagensmechanismen in Cu/ULK-Verbindungsstacks zu untersuchen. Hochwertige Bildgebung und chemische Analysen werden verwendet, um den kinetischen Prozess zu untersuchen. Der elektrische In-situ-Test ist in das TEM integriert, um den Dielektrika ein erhöhtes elektrisches Feld zur Verfügung zu stellen. Die Elektronentomographie wird eingesetzt, um die gerichtete Cu-Diffusion in den isolierenden Dielektrika zu charakterisieren. Dieses experimentelle Verfahren eröffnet die Möglichkeit, den Versagensmechanismus in Verbindungsstapeln mikroelektronischer Produkte zu untersuchen, und es könnte auch auf andere Strukturen in aktiven Bauelementen ausgeweitet werden.

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 L....

Protocol

1. Vorbereitung der Probe für die Focused Ion Beam (FIB) Verdünnung (Abbildung 1)

1. Spaltung des vollständigen Wafers in kleine Chips (~ 10 mm x 10 mm) mit einem Diamantschreiber.
2. Markieren Sie die Positionen der "Spitze-Spitze" Struktur auf den Chips.
3. Sah den Chip mit einer Plättchenschneidmaschine in Bars von 60 um 2 mm Größe zu erhalten. Die Bar schließt die "Spitze-Spitze" Struktur in der Mitte.
4. Kleben Sie die Ziel bar auf einem Cu-Halbring mit dem Sekundenkleber. Als nächstes kleben Sie die Bar auf einer Cu Probentisch auch mit dem Sekundenkleber. Dann Nutzung Silberpaste auf die Leitung zwischen dem Halbring und der Kupfer....

Results

Abbildung 4 zeigt Hellfeld (BF) TEM-Aufnahmen von einer in-situ-Test. Es sind teilweise durchbrochen TaN / Ta Barrieren und bereits bestehende Cu-Atome in den ULK Dielektrika vor dem elektrischen Test (4A) aufgrund längerer Lagerung in Umgebungs. Bereits nach 376 sec bei 40 V, die dielektrische Durchschlags begonnen und wurde mit zwei großen Migrationswege von Kupfer aus der M1 Metalls begleitet, mit einem positiven Potential mit Bezug auf das Masseseite ^15-16. Die d.......

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 relativ d.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Automatische Würfelsäge	DISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies
Rasterelektronenmikroskop	Zeiss	Zeiss Nvision 40
Picoindentor	Hysitron	Hysitron Pi95
Keithley SourceMeter	Keithley	Keithley 2602/237
Transmissionselektronenmikroskop	FEI	FEI Tecnai F20
Transmissionselektronenmikroskop	Zeiss	Zeiss Libra 200