In Situ Tidsafhængig Dielektriske Opdeling i Transmission Electron Microscope: En Mulighed for at forstå Manglende Mechanism i mikroelektroniske indretninger

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

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.

Protocol

1. Forberedelse af prøve for Fokuseret Ion Beam (FIB) Udtynding (figur 1) Spalte fulde wafer i små chips (~ 10 mm x 10 mm) med en diamant skriveren. Markere positionerne af "tip-to-tip" struktur på chips. Saw chippen med en terningopskæringen maskine til at få barer i 60 pm med 2 mm størrelse. Linjen omfatter "tip-to-tip" struktur i midten. Lim målet bar på en Cu halv ring ved hjælp af superlim. Dernæst lim bar på en Cu prøve stadium også ved hjæ…

Representative Results

Figur 4 viser lyse felt (BF) TEM billeder fra en in situ test. Der er delvist overtrådt TaN / Ta barrierer og præ-eksisterende Cu-atomer i Unges dielectrics før den elektriske test (Figur 4A) på grund af udvidet opbevaring i omgivelserne. Efter kun 376 sekunder ved 40 V, det dielektriske opdeling startede og var ledsaget med to store migration veje for kobber fra M1 metal, der har et positivt potentiale i forhold til jorden side 15-16. Det diffuse Cu partikler i …

Discussion

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…

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