In Situ in funzione del tempo di rottura dielettrico nel Transmission Electron Microscope: A Con possibilità di capire il meccanismo Fallimento in dispositivi microelettronici

Poiché interconnessioni Cu sono stati dapprima introdotti nella tecnologia di integrazione ultra-larga scala (ULSI) nel 1997 ^1, low-k e ultra-low-k (Ulk) dielettrici sono stati adottati nel back-end-of-line (beol) come i materiali isolanti tra interconnessioni su chip. La combinazione di nuovi materiali, ad esempio, Cu per minore resistenza e basso-k dielettrici / Ulk per minori capacità, supera gli effetti di aumento della resistenza-capacità (RC) ritardo causato dalla interconnessione dimensionale restringimento ^{2, 3.} Tuttavia, questo beneficio è stato invaso dalla scala aggressiva continuo di dispositivi microelettronici negli ultimi anni. L'uso di basso k / Ulk materiali comporta varie sfide nel processo di fabbricazione e di affidabilità del prodotto, in particolare se il campo di interconnessione raggiunge circa 100 nm o meno ^4-6.

TDDB riferisce al meccanismo di rottura fisica di un materiale dielettrico in funzione del temposotto un campo elettrico. Il test di affidabilità TDDB viene solitamente eseguita in condizioni accelerate (campo elettrico elevato e / o temperatura elevata).

La TDDB in on-chip stacks interconnessione è uno dei meccanismi di guasto più critici per i dispositivi microelettronici, che ha già sollevato preoccupazioni intensi nella comunità affidabilità. Si continuerà ad essere al centro dell'attenzione degli ingegneri di affidabilità da dielettrici Ulk con ancora più deboli proprietà elettriche e meccaniche vengono integrati nei dispositivi di nodi tecnologici avanzati.

Esperimenti dedicati sono stati condotti per indagare il meccanismo di rottura TDDB ^7-9, ed una notevole quantità di sforzo è stato investito per sviluppare modelli che descrivono la relazione tra campo elettrico e la durata dei dispositivi ^10-13. Gli studi esistenti beneficio della comunità degli ingegneri di affidabilità in microelettronica; tuttavia, molti Challenesistono ancora GES e molte domande ancora devono essere risolte in dettaglio. Ad esempio, i modelli collaudati per descrivere il meccanismo di fallimento e di degradazione cinetica fisici nel processo TDDB e la rispettiva verifica sperimentale sono ancora carenti. Di particolare esigenza, è necessario un modello più opportuno sostituire la √E modello conservatore ^14.

Come una parte molto importante delle indagini TDDB, analisi tipico fallimento si trova ad affrontare una sfida senza precedenti, cioè, fornire la prova completa e difficile da spiegare la fisica del meccanismi di guasto e di cinetica di degradazione. A quanto pare, il controllo di milioni di vias e metri di scala nanometrica linee Cu uno per uno ed ex situ esponendo il sito fallimento non è la scelta appropriata di ostacolo a questa sfida, perché richiede molto tempo, e solo informazioni limitate sui cinetica del meccanismo di danno può essere fornito. Pertanto, un compito urgente è emersa per sviluppare unnd per ottimizzare gli esperimenti e per ottenere una procedura migliore per studiare i meccanismi di rottura TDDB e cinetica di degradazione.

In questo lavoro, dimostreremo in situ metodologia sperimentale per indagare il meccanismo di fallimento TDDB in Cu / Ulk stack di interconnessione. Un TEM con la capacità di immagini di alta qualità e dell'analisi chimica viene utilizzata per studiare il processo cinetica in strutture di test dedicati. Il test elettrico in situ è integrato nella esperimento TEM per fornire un campo elettrico elevato al dielettrici. Una struttura su misura "da punta a punta", costituita da interconnessioni Cu completamente incapsulato e isolato da un materiale ULK, è stato progettato nel nodo tecnologia CMOS a 32 nm. La procedura sperimentale qui descritto può essere esteso anche ad altre strutture di dispositivi attivi.