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.
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.
Da Cu interconnects først blev indført i den ultra-storstilet integration (ULSI) teknologi i 1997 1, lav-k og ultra-low-k (Unges) dielektrika er blevet vedtaget i back-end-of-line (BEoL) som de isolerende materialer mellem on-chip interconnects. Kombinationen af nye materialer, fx Cu for reduceret modstand og lav k / Unges dielektrikum for lavere kapacitans, overvinder virkningerne af øget modstand-kapacitans (RC) forsinkelse som følge af interconnect dimensionelle krympning 2, 3. Men denne fordel indgreb af den fortsatte aggressive skalering af mikroelektroniske indretninger i de seneste år. Brug af lav-k / Unges materialer resulterer i forskellige udfordringer i fremstillingsprocessen og for produktet pålidelighed, især hvis interconnect banen når omkring 100 nm eller mindre 4-6.
TDDB er det fysiske svigt mekanismen af et dielektrisk materiale som funktion af tidenunder et elektrisk felt. Den TDDB pålidelighed test udføres sædvanligvis under accelererede betingelser (forhøjet elektrisk felt og / eller forhøjet temperatur).
Den TDDB i on-chip interconnect stakke er en af de mest kritiske brudmekanismer for mikroelektroniske anordninger, som allerede har rejst intense bekymringer i pålideligheden samfund. Det vil fortsat være i søgelyset af pålidelighed ingeniører siden Unges dielektrikum med endnu svagere elektriske og mekaniske egenskaber er ved at blive integreret i enhederne i avanceret teknologi noder.
Dedikerede forsøg er blevet udført for at undersøge den TDDB fejlmekanisme 7-9, og en betydelig mængde energi er blevet brugt til at udvikle modeller, der beskriver forholdet mellem elektriske felt og levetid af indretningerne 10-13. De eksisterende undersøgelser til gavn for samfundet af pålidelighed ingeniører i mikroelektronik; imidlertid mange ChallenGES eksisterer stadig og stadig har brug for at blive besvaret i detaljer mange spørgsmål. For eksempel, at gennemprøvede modeller beskrive de fysiske svigt mekanisme og nedbrydningskinetikken i TDDB processen og den respektive eksperimentel verifikation mangler stadig. Som et særligt behov, er en mere passende model er nødvendig for at erstatte den konservative √E-model 14.
Som en meget vigtig del af TDDB undersøgelse, typisk fejlanalyse står over for en hidtil uset udfordring, dvs give omfattende og håndfaste beviser for at forklare fysik brudmekanismer og nedbrydningsprodukter kinetik. Tilsyneladende, inspektion millioner af vias og meter nanoskala Cu linier én efter én og ex situ billeddannelse svigt site er ikke det rette valg at hurdle denne udfordring, fordi det er meget tidskrævende, og kun begrænsede oplysninger om kinetikken for den skade mekanismen kan tilvejebringes. Derfor har en presserende opgave opstået for at udvikle ennd optimere eksperimenter og for at få en bedre procedure for at studere TDDB brudmekanismer og nedbrydningsprodukter kinetik.
I dette papir vil vi demonstrere en in situ eksperimentel metode til at undersøge TDDB fiasko mekanisme Cu / Unges interconnect stakke. Et TEM med evnen af høj kvalitet og kemisk analyse anvendes til at undersøge den kinetiske proces på dedikerede test strukturer. In situ elektrisk test er integreret i TEM eksperiment for at tilvejebringe en forhøjet elektrisk felt til dielektrika. En skræddersyet "tip-til-tip" struktur, der består af fuldt indkapslede Cu interconnects og isoleret af en ulk materiale, er designet i 32 nm CMOS-teknologi node. Den eksperimentelle procedure der er beskrevet her, kan også udvides til andre strukturer i aktive enheder.
Forudsætningen for succes i TDDB eksperiment er god prøvefremstilling, især i FIB fræsning proces i SEM. Dels et tykt Pt lag oven på "tip-to-tip" struktur skal deponeres. Tykkelsen og størrelsen af Pt laget kan justeres ved SEM operatør, men skal følge tre principper: (1) tykkelse og størrelse er nok til at beskytte målområdet mod skade ionstråle under hele formalingsprocessen; (2) Der er stadig et relativt tykt Pt lag (≥ 400 nm) på toppen af prøven tilbage efter fræsning, det besk…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |