투과 전자 현미경에서 제자리 시간에 따른 절연 파괴에 : 가능성은 마이크로 전자 장치의 고장 메커니즘을 이해하기
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
구리 배선은 먼저 1997 1 초 대규모 집적 (ULSI) 기술에 도입 된 이후, 저 유전율과는 초저 K는 (ULK) 유전체가 백 엔드 오브 라인으로 (BEOL)를 채용 한 온 – 칩 상호 간의 절연 재료로서. 예를 들어, 새로운 재료의 조합은, Cu를 저감 저항 및 낮은 커패시턴스를위한 저 유전율은 / ULK 유전체는 차원 상호 수축 (2, 3) 지연에 의한 지연 증가의 저항 – 커패시턴스 (RC)의 영향을 극복 위해. 그러나,이 이점은 침식 된 최근 마이크로 전자 장치들의 지속적인 공격적인 스케일링. 제조 공정 및 제품의 신뢰성 문제에 대한 다양한 저 -k / ULK 재료 결과의 이용은, 배선 피치는 약 100㎚ 이하가 4-6에 도달 할 경우 특히.
TDDB는 시간의 함수로서 유전체 재료의 물리적 파괴 메카니즘을 말한다전기장 하에서. TDDB 신뢰성 테스트는 일반적으로 가속 조건 (상승 된 전기장 및 / 또는 고온) 하에서 수행된다.
상호는 스택에 칩의 TDDB 이미 신뢰성 지역 사회에 강한 우려를 제기 한 마이크로 전자 장치를위한 가장 중요한 고장 메커니즘 중 하나입니다. 심지어 약한 전기 및 기계적 특성이 첨단 기술 노드에있는 장치에 통합되고 함께 ULK 유전체 이후 신뢰성 엔지니어의 주목을 계속합니다.
전용 실험 TDDB 실패 메커니즘 7-9를 조사하기 위해 수행되었으며, 상당한 노력이 디바이스 (10-13)의 전기장과 수명과의 관계를 설명하는 모델을 개발하기 위해 투자하고있다. 기존의 연구는 마이크로 전자 공학의 신뢰성 엔지니어의 지역 사회에 도움이; 그러나, 많은 challenGES는 여전히 존재하고 많은 질문은 아직 구체적으로 대답 할 필요가있다. 예를 들어, 검증 모델은 TDDB 과정에서 물리적 실패 메커니즘 및 분해 동력학을 설명하고 각각의 실험적인 검증이 아직 부족하다. 특정 필요에 따라, 더 적합한 모델은 보수적 인 √E 모델 (14)를 대체하기 위해 필요합니다.
TDDB 조사의 매우 중요한 부분으로, 일반적인 고장 분석은 고장 메커니즘과 분해 반응 속도의 물리학을 설명하는 포괄적이고 확실한 증거를 제공, 즉, 전례없는 도전에 직면하고있다. 분명히, 그것이 손상 메카니즘의 동역학에 관한 제한된 정보는 매우 시간 소모적이며, 때문에 실패 사이트, 장애물이 챌린지에 대한 적절한 선택이 아니다 묘화 일대일 및 현지 외 의해 비아 및 나노 구리 라인 m 수백만 검사 제공 될 수있다. 따라서, 긴급 태스크를 개발 등장차 실험을 최적화하고 TDDB 실패 메커니즘과 분해 동역학을 연구하기 위해 더 나은 방법을 얻을 수 있습니다.
본 논문에서는 현장 실험 방법론은 구리 / ULK 상호 스택의 TDDB 실패 메커니즘을 조사하기 위해 시연 할 예정이다. 고품질 영상 및 화학 분석 능력 TEM 전용 테스트 구조에 운동 과정을 연구하기 위해 사용된다. 현장 전기 테스트는 유전체에 높은 전기장을 제공하기 위해 TEM 실험에 통합되어 있습니다. ULK 재료에 의해 완전히 봉입 구리 인터커넥트로 구성된 절연 맞춤형 "팁 투 팁"구조는, 32 nm의 CMOS 기술 노드에서 설계된다. 여기에 설명 된 실험 절차는 또한 능동 디바이스의 다른 구조로 확장 될 수있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
TDDB 시험에서의 성공의 전제 조건은 특히 SEM에서 FIB 밀링 공정에서, 좋은 샘플 준비이다. 우선, "선단 투 팁"구조 위에 두꺼운 Pt 막 증착되어야한다. 두께의 Pt 층의 크기는 SEM 오퍼레이터에 의해 조정하지만, 세 가지 원칙을 따라야 할 수있다 : (1)의 두께 및 크기가 전체의 밀링 과정 가능한 이온빔 손상 대상 영역을 보호하기에 충분하다; (2) 분쇄 후 남은 시료의 위에 비교적 두꺼운 Pt 막 (?…
Declarações
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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