その場での透過型電子顕微鏡での時間依存絶縁破壊：マイクロエレクトロニクスデバイスの故障メカニズムを理解することが可能
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
Cu配線は、まず1997年1において、超大規模集積回路（ULSI）技術を導入したので、低誘電率及び超低k（ULK）誘電体は、バックエンド·オブ·ライン（BEOL）に採用されていますオンチップ配線間の絶縁材料として。新しい材料の組み合わせ、 例えば、より低い静電容量のための低抵抗化と低k / ULK誘電体のためのCuは、増加した抵抗-容量（RC）の効果は、配線寸法収縮2,3による遅延克服する。しかし、この利点は、侵食されました近年のマイクロ電子デバイスの継続的な積極的なスケーリングによる。製造プロセス及び製品の信頼性のために様々な課題で低k / ULK材料の結果を使用することは、配線ピッチが約100nm 4-6以下になる場合は特に。
TDDBは、時間の関数としての誘電体材料の物理的な故障メカニズムを指し電界下。 TDDB信頼性試験は、通常、加速条件（昇電界および/または高温）下で行われます。
オンチップの相互接続スタックにおけるTDDBは既に信頼性のコミュニティに強い懸念を表明したマイクロ電子デバイスのための最も重要な故障メカニズムの一つです。でも、弱い電気的および機械的特性を有するULK誘電体は、高度な技術ノードにあるデバイスに統合されているので、それは信頼性技術者のスポットライトであり続けるでしょう。
専用の実験は、TDDBの故障メカニズム7-9を調査するために行われており、労力のかなりの量は、デバイス10〜13の電界と寿命との関係を説明するモデルを開発するために投資されています。既存の研究では、マイクロエレクトロニクスにおける信頼性技術者のコミュニティに利益をもたらします。しかし、多くのチャレンジVol。GESは依然として存在し、多くの疑問がまだ詳細に回答する必要があります。たとえば、実績のあるモデルは、TDDB法で物理的な障害のメカニズムと劣化速度を説明し、それぞれの実験的な検証がまだ不足しています。特に必要として、より適切なモデルが保守的√Eモデル14を代入するために必要とされます。
TDDB調査の非常に重要な部分として、典型的な故障解析は故障メカニズムと分解速度の物理学を説明するための包括的かつ確かな証拠を提供する、 すなわち 、前例のない課題に直面しています。それは非常に時間がかかるので、明らかに、一つ一つのナノスケールのCu配線のビア及びメートルの何百万人を検査し、 元が障害部位を画像インサイチュするには 、この課題のハードルに適切な選択ではなく、損傷機構の動力学についての限られた情報しか提供することができます。このため、緊急の課題は開発に浮上していますND実験を最適化し、TDDBの故障メカニズムと分解速度を研究するために、より良い手順を取得します。
本稿では、 その場実験方法における Cu / ULK配線スタック内のTDDBの故障メカニズムを調査するためにデモンストレーションを行います。高品質イメージングおよび化学分析の能力を持つTEMは、専用のテスト構造における動プロセスを研究するために使用されます。 その場で電気試験における誘電体に高められた電界を提供するために、TEM実験に統合されています。カスタマイズされた「先端間」構造、完全にカプセル化されたCu配線からなり、ULK材料で絶縁、32 nmのCMOS技術ノードに設計されています。ここに記載の実験手順は、能動素子の他の構造体に拡張することができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
TDDB実験の成功の前提条件は、特にSEMでFIBミリングプロセスにおいて、良好なサンプル調製です。まず、「チップ·ツー·チップ」構造の上に厚さのPt層を堆積する必要があります。厚さ及びPt層のサイズは、SEMオペレータによって調整が、3つの原則に従わなければならないことができる：（1）厚さや大きさは、全体の微粉砕処理中に可能なイオンビームダメージから対象領域を保護するのに?…
Divulgations
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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