En Desglose dieléctrica Situ dependiente del tiempo en el microscopio electrónico de transmisión: una posibilidad de comprender el mecanismo de falla en los dispositivos microelectrónicos
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 interconecta Cu se introdujeron en primer lugar a la tecnología de integración a gran escala de ultra (ULSI) en 1997 1, low-k y ultra-low-k (ULK) dieléctricos se han adoptado en el back-end-of-line (BEOL) como los materiales aislantes entre las interconexiones en el chip. La combinación de nuevos materiales, por ejemplo, Cu para la reducción de la resistencia y de bajo k dieléctricos / ULK de baja capacitancia, supera los efectos del aumento de la resistencia-capacitancia (RC) demorado por causas interconexión dimensiones de contracción 2, 3. Sin embargo, este beneficio fue invadido por la continua escalado agresiva de dispositivos microelectrónicos en los últimos años. El uso de bajo k / ULK materiales da lugar a diversos desafíos en el proceso de fabricación y de la fiabilidad del producto, sobre todo si el terreno de juego interconexión alcanza alrededor de 100 nm o menos 4-6.
TDDB se refiere al mecanismo de falla física de un material dieléctrico como una función del tiempobajo un campo eléctrico. La prueba de fiabilidad TDDB se lleva a cabo generalmente bajo condiciones aceleradas (campo eléctrico elevado y / o temperatura elevada).
El TDDB en el chip pilas interconexión es uno de los mecanismos de falla más críticos para los dispositivos microelectrónicos, que ya ha planteado intensas preocupaciones de la comunidad fiabilidad. Se seguirá siendo el centro de atención de los ingenieros de fiabilidad desde dieléctricos ULK con propiedades eléctricas y mecánicas, incluso más débiles se están integrando en los dispositivos en los nodos de tecnología avanzada.
Se han realizado experimentos dedicados a investigar el mecanismo de fallo TDDB 7-9, y una cantidad significativa de esfuerzo se ha invertido para desarrollar modelos que describen la relación entre campo eléctrico y la vida útil de los dispositivos 10-13. Los estudios existentes benefician a la comunidad de ingenieros de fiabilidad en la microelectrónica; sin embargo, muchos challentodavía existen ges y muchas preguntas aún deben ser respondidas en detalle. Por ejemplo, los modelos probados para describir el mecanismo de fracaso y de degradación cinética físicos en el proceso TDDB y la respectiva verificación experimental todavía se carece. Como una necesidad particular, se necesita un modelo más apropiado para sustituir el conservador √e-modelo 14.
Como una parte muy importante de la investigación TDDB, análisis típico fracaso se enfrenta a un desafío sin precedentes, es decir, proporcionando evidencia integral y difícil de explicar la física de los mecanismos de falla y la cinética de degradación. Al parecer, la inspección de millones de vias y metros de nanoescala Cu líneas una por una y ex situ de imágenes del sitio fracaso no es la opción adecuada para cañizo este desafío, porque es mucho tiempo, y la información limitada sobre la cinética del mecanismo de daño puede ser proporcionada. Por lo tanto, una tarea urgente ha surgido para desarrollar unnd para optimizar los experimentos y para obtener un mejor procedimiento para estudiar los mecanismos de fallo TDDB y la cinética de degradación.
En este artículo, vamos a demostrar in situ metodología experimental para investigar el mecanismo de falla TDDB en pilas de interconexión Cu / ULK. A TEM con la capacidad de formación de imágenes de alta calidad y análisis químico se utiliza para estudiar el proceso de cinética en estructuras de prueba dedicados. La prueba eléctrica en situ está integrado en el experimento TEM para proporcionar un campo eléctrico elevado para los dieléctricos. Una estructura de diseño "de punta a punta", que consiste en Cu interconecta totalmente encapsulados y aislados por un material ULK, está diseñado en el nodo de la tecnología CMOS de 32 nm. El procedimiento experimental descrito aquí también se puede extender a otras estructuras en dispositivos activos.
Protocol
Representative Results
Discussion
El requisito previo del éxito en el experimento TDDB es una buena preparación de la muestra, especialmente en el proceso de molienda FIB en el SEM. En primer lugar, una capa gruesa de Pt en la parte superior de la estructura "de punta a punta" tiene que ser depositado. El grosor y el tamaño de la capa de Pt pueden ser ajustados por el operador SEM, pero tienen que seguir tres principios: (1) El grosor y el tamaño son suficientes para proteger la zona de destino de posibles daños haz de iones durante todo …
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 |
Referências
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