يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

في انهيار العزل الكهربائي الموضعي الوقت المعتمد في نقل الكترون المجهر: إمكانية لفهم آلية الفشل في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة

8.3K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/52447

⸱

يونيو 26, 2015

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems, 2Dresden Center for Nanoanalysis, Technische Universität Dresden, 3Globalfoundries Fab 8, 4Globalfoundries Fab 1

في هذه المقالة

ملخص

يعد الانهيار العازل المعتمد على الوقت (TDDB) في مداخن التوصيل البيني على الرقاقة أحد أهم آليات الفشل للأجهزة الإلكترونية الدقيقة. توضح هذه الورقة إجراء تجربة TDDB في الموقع في المجهر الإلكتروني للإرسال ، مما يفتح إمكانية دراسة آلية الفشل في المنتجات الإلكترونية الدقيقة.

الملخص

يعد الانهيار العازل المعتمد على الوقت (TDDB) في مداخن التوصيل البيني على الرقاقة أحد أهم آليات الفشل للأجهزة الإلكترونية الدقيقة. يؤدي التوسع القوي لأحجام الميزات ، سواء على الأجهزة أو التوصيلات البينية ، إلى تحديات خطيرة لضمان موثوقية المنتج المطلوبة. توفر اختبارات الموثوقية القياسية وتحليل فشل ما بعد الوفاة معلومات محدودة فقط حول فيزياء آليات الفشل وحركية التدهور. لذلك من الضروري تطوير مناهج وإجراءات تجريبية جديدة لدراسة آليات فشل TDDB وحركية التحلل على وجه الخصوص. في هذه الورقة ، تم عرض منهجية تجريبية في الموقع في المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) للتحقيق في آليات تدهور وفشل TDDB في مداخن التوصيل البيني Cu / ULK. يتم استخدام التصوير عالي الجودة والتحليل الكيميائي لدراسة العملية الحركية. تم دمج الاختبار الكهربائي في الموقع في TEM لتوفير مجال كهربائي مرتفع للعوازل. يتم استخدام التصوير المقطعي الإلكتروني لتوصيف انتشار النحاس الموجه في العوازل العازلة. يفتح هذا الإجراء التجريبي إمكانية دراسة آلية الفشل في مداخن التوصيل البيني للمنتجات الإلكترونية الدقيقة ، ويمكن أيضا تمديده ليشمل هياكل أخرى في الأجهزة النشطة.

المقدمة

منذ أن بدأ يربط النحاس أولا في تكنولوجيا التكامل واسع النطاق جدا (ULSI) في عام 1997 1، فائقة منخفضة ك اعتمدت المنخفض ك و (ULK) العوازل في الخلفية-السطر (BEoL) والمواد العازلة بين على رقاقة الوصلات. مزيج من المواد الجديدة، على سبيل المثال، النحاس لخفض المقاومة والمنخفض ك العوازل / ULK لانخفاض السعة، ويتغلب على آثار زيادة المقاومة السعة (RC) التأخير الناجم عن ربط الأبعاد انكماش 2، 3. ومع ذلك، فقد تعدت هذا الاستحقاق من خلال التوسع العدواني المستمر من الأجهزة الدقيقة في السنوات الأخيرة. استخدام المنخفض ك / مواد ULK النتائج في مختلف التحديات في عملية التصنيع وموثوقية المنتج، خاصة إذا كان الملعب ربط تصل إلى حوالي 100 نانومتر أو أقل 4-6.

TDDB يشير إلى آلية فشل المادية للمواد العازلة بوصفها وظيفة من الزمنتحت حقل كهربائي. ويتم عادة اختبار الموثوقية TDDB في ظل ظروف المعجل (حقل كهربائي مرتفعة و / أو درجة حرارة مرتفعة).

وTDDB في على رقاقة ربط مداخن هي واحدة من آليات الفشل الأكثر أهمية للأجهزة الالكترونية الدقيقة، الأمر الذي أثار بالفعل مخاوف شديدة في المجتمع الموثوقية. وسوف تستمر في أن تكون في دائرة الضوء من المهندسين موثوقية منذ العوازل ULK مع ويجري دمج الخصائص الكهربائية والميكانيكية حتى الأضعف في الأجهزة في العقد التكنولوجيا المتقدمة.

وقد أجريت تجارب مخصصة للتحقيق في آلية فشل TDDB 7-9، وقد استثمرت قدرا كبيرا من الجهد لتطوير نماذج التي تصف العلاقة بين المجال الكهربائي وعمر الأجهزة 10-13. الدراسات الحالية تعود بالنفع على المجتمع من المهندسين الموثوقية في مجال الالكترونيات الدقيقة. ومع ذلك، فإن العديد من challenغيس لا تزال موجودة وأسئلة كثيرة لا تزال بحاجة إلى إجابة بالتفصيل. على سبيل المثال، ونماذج ثبت لوصف آلية فشل وتدهور حركية المادية في عملية TDDB والتحقق التجريبي منها لا تزال متوفرة. ونتيجة لحاجة معينة، هناك حاجة إلى نموذج أكثر ملاءمة لاستبدال المحافظ √E نموذج 14.

كجزء مهم جدا من التحقيق TDDB، وتحليل الفشل نموذجي يواجه تحديا غير مسبوق، أي تقديم أدلة شامل ويصعب شرح فيزياء آليات الفشل وحركية التدهور. على ما يبدو، وتفتيش الملايين من فيا وعلى بعد أمتار من النانو خطوط النحاس واحدا تلو خارج الموقع واحد وتصوير الموقع الفشل ليس الخيار المناسب للتغلب هذا التحدي، لأنه هو وقتا طويلا جدا، ومعلومات محدودة فقط حول حركية إعطاب آلية يمكن تقديمها. ولذلك، برزت مهمة عاجلة لتطويرالثانية لتحسين التجارب وللحصول على إجراء أفضل لدراسة آليات الفشل TDDB وحركية التدهور.

في هذه الورقة، ونحن سوف تظهر في الموقع المنهجية التجريبية للتحقيق في آلية فشل TDDB في النحاس / ULK مداخن التواصل. ويستخدم TEM مع قدرة تصوير بجودة عالية والتحليل الكيميائي لدراسة عملية الحركية في الهياكل اختبار مخصصة. لفي اختبار الكهربائية الموقعي ودمجها في التجربة TEM لتوفير مجال كهربائي مرتفع إلى العوازل. هيكل مخصصة "طرف إلى طرف"، ويتألف من الوصلات النحاس مغلفة تماما ومعزولة بمادة ULK، وهو مصمم على عقدة تكنولوجيا CMOS 32 نانومتر. ويمكن أيضا إجراء التجارب وصفها هنا أن تمتد إلى غيرها من الهياكل في الأجهزة النشطة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. إعداد نموذج لوركز ايون الشعاع (فيبوناتشي) التخفيف (الشكل 1)

  1. يلتصق الرقاقة الكامل إلى شرائح صغيرة (~ 10 مم 10 مم) مع الكاتب الماس.
  2. بمناسبة مواقف هيكل "طرف إلى طرف" على رقائق.
  3. رأى رقاقة مع آلة تقطيع للحصول على قضبان 60 ميكرون بنسبة 2 مم. يتضمن شريط هيكل "طرف إلى طرف" في المركز.
  4. الغراء شريط المستهدف خلال النصف عصابة النحاس باستخدام الغراء عظمى. المقبل، الغراء شريط على المسرح عينة النحاس أيضا باستخدام الغراء عظمى. ثم، واستخدام الفضة لصق لضبط التوصيل بين حلقة نصف والمرحلة عينة النحاس.
    ملاحظة: عند التعامل مع العينة، للتأكد من ارتداء دائما شريط الرسغ لمنع تصريف كهرباء، مما قد يسبب ضررا بالبنية الحساسة في العينة.

2. الاكذوبه التخفيف في مجهر المسح الإلكتروني (الشكل 2)

  1. وضع العينة التي تم الحصول عليها في الخطوة 1 علىن SEM مرحلة عينة ووضع مرحلة بعناية في SEM.
  2. اختار طريقة الترسيب، وإعداد الأبعاد (منطقة وسمك) من طبقة في حاجة إلى حماية حزب العمال. دائما استخدام 30 كيلو فولت ايون شعاع للحفاظ على أعلى مستوى من الدقة. ضبط الحالية للحصول على كفاءة راض، وتعتمد على أبعاد الطبقة حزب العمال الحاجة.
    1. إيداع خط حزب العمال في الاتصال منصة واحدة إلى مرحلة الاتحاد الجمركي (إمكانات الأرض). وفي وقت لاحق، إيداع طبقة سميكة حزب العمال على رأس الهيكل "طرف إلى طرف"، وهو أمر مهم جدا للحد من الأضرار أيون أثناء عملية ترقق الاكذوبه وتعزيز الصفيحة الرقيقة. هذا هو الإجراء القياسية المستخدمة في إعداد الاكذوبه.
    2. أخذ الحيطة والحذر على عدم إدخال أي مسارات الموصلة بين منصات اثنين على الجزء العلوي من الهيكل "طرف إلى طرف" من خلال طبقة حزب العمال عند تنفيذ ترسب حزب العمال. أي مسار موصل سوف باختصار الدائرة الكهربائية (الشكل 2A وباء).
  3. الاكذوبه طحن
    1. استخدام التيار الكهربائي من 30 كيلو فولت وتيار 10 با لخفض النهائي. رقيقة شريط الهدف إلى TEM الصفيحة H-شريط بسمك يتراوح بين 150 و 180 نانومتر.
    2. قطع الشق بالقرب من لوحة (V + لوحة) والتي سوف يتم لمسها من قبل طرف محول في TEM. استخدام الشق كعلامة لتحديد لوحة الصحيحة في TEM.

3. نقل عينة من SEM إلى TEM

  1. وضعت على حزام الرسغ قبل لمس العينة.
  2. إلغاء تحميل إعداد نموذج H-بار من مرحلة SEM. الحفاظ على عينة على المسرح النحاس عند إزالته من SEM.
  3. إصلاح المرحلة النحاس على حامل TEM. نقل معلومات سرية محول حامل TEM بالقرب من هيكل اختبار (بضع مئات من ميكرومتر بعيدا عن هيكل الاختبار) تحت المجهر الضوئي.
    1. تضاف حامل TEM في TEM بعناية. لا تستخدم أي علاج التنظيف (على سبيل المثال، وتنظيف البلازما) خلال آرعملية ansfer، وإلا فإن الصفيحة قد تتأثر.
  4. الحفاظ على الوقت لنقل عينة خلال 15 دقيقة أو أقصر لتجنب الكثير من التعرض للرطوبة الجو المحيط والأكسجين.

4. تأسيس اتصال الكهربائية (الشكل 3)

  1. ربط حامل TEM لنظام سيطرتها وSourceMeter. ثم التبديل على نظام التحكم وSourceMeter.
  2. رصد غيض محول في TEM عند القيام النهج الخشن من طرف محول للهيكل الاختبار عن طريق ضبط المقابض على حامل TEM.
    1. نقل معلومات سرية محول حامل TEM بالقرب من لوحة V + (≤ 500 نانومتر). جلب رأس محول إلى نفس المستوى (Z: الارتفاع) كما لوحة. ضبط الموقف من طرف وجعل الطرف تواجه وسط V + وسادة.
  3. الاتصال غيض محول إلى لوحة V +. تعيين الجهد المنخفض جدا على طرف (0.5 V إلى حوالي 1 V)، في حين تقترب من اللوحة. مراقبة simultaneo الحاليusly للتأكد من ثبوت الاتصال.

5. في الموقع TDDB التجربة

  1. استخدام الجهد تسارع من 200 كيلو فولت في TEM. نقل شعاع الالكترون إلى منطقة المصالح؛ اختيار التكبير المناسب وتركيز الصورة.
  2. استخدام الخطوات الإضاءة المنخفضة (≤ 8) للحد من الأضرار شعاع على بنية الاختبار. استخدام فتحة مكثف في توطين منطقة الإضاءة فقط داخل الجزء رقيقة من العينة H-بار.
  3. تطبيق الجهد المستمر (≤ 40 V) على هيكل "طرف إلى طرف" باستخدام SourceMeter أثناء تسجيل الصور TEM في الموقع (03/02 لقطة / ثانية). تسجيل الصور تلقائيا باستخدام رمز كتابتها النفس، على سبيل المثال، باستخدام برنامج DigitalMicrograph.
  4. إيقاف التجربة عندما نشهد انتشار واضح من المعدن في العوازل ULK والقيام التحليل الكيميائي الكترون طيفية تصوير (ESI).
    1. إدراج فتحة مرشح شق في Omegمرشح الطاقة في TEM.
    2. ضبط عرض الفتحة مرشح الطمي للحصول على عرض مناسب الطاقة (10-20 فولت) في الطيف فقدان الطاقة الإلكترون (EELS).
    3. تحويل الطاقة إلى امتصاص ذروة النحاس M-الحافة في EELS.
    4. العودة إلى وضع التصوير في الحصول على الطاقة تصفيتها صورة TEM في النحاس M-حافة الامتصاص الذروة.
    5. تحويل الطاقة إلى ما قبل حافة النحاس M-حافة والحصول على الطاقة التي تمت تصفيتها صورة TEM آخر.
    6. تصحيح الانحراف من العينة بين الصورتين.
    7. تقسيم الصورة الأولى والثانية للحصول على صورة نسبة القفز من النحاس.
  5. تستمر التجربة TDDB: تطبيق الجهد المستمر (≤ 40 V) على هيكل "طرف إلى طرف" باستخدام SourceMeter وتسجيل الصور TEM.

6. التصوير المقطعي

  1. أداء TEM التصوير المقطعي عند الانتهاء من التجربة TDDB، للحصول على معلومات التوزيع 3D عن ديالجسيمات ffused.
  2. إمالة العينة وتسجيل سلسلة الميل من 138 درجة. استخدام خطوة الميل من 1 درجة مئوية، وتسجيل الصورة أثناء كل خطوة في وضع STEM حقل مشرق (BF).
  3. إعادة بناء سلسلة (تشمل محاذاة الصور، وتحديد محور الميل، وإعادة حجم وتجزئة لتشكيل حجم الشعاعي الطبقي 3D).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

ويبين الشكل 4 مشرق الميدان (BF) صور TEM من الاختبار في الموقع. خرق هناك جزئيا تان / الحواجز تا وذرات النحاس الموجودة من قبل في العوازل ULK قبل الاختبار الكهربائي (الشكل 4A) بسبب التخزين الموسعة في المحيط. بعد فقط 376 ثانية في 40 V، بدأ انهيار العزل الكهربائي واقترن مع اثنين من مسارات الهجرة الرئيسية للالنحاس من المعادن M1، وجود الإمكانات الإيجابية مع الإشارة إلى الجانب الأرض 15-16. وتظهر جزيئات النحاس تنتشر في العوازل ULK في ال...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

شرط أساسي للنجاح في التجربة TDDB هو إعداد نموذج جيد، وخصوصا في عملية الطحن الاكذوبه في SEM. أولا، طبقة سميكة حزب العمال على رأس الهيكل "طرف إلى طرف" يجب أن تودع. سمك وحجم الطبقة حزب العمال يمكن تعديلها من قبل المشغل SEM، ولكن يجب أن تتبع ثلاثة مبادئ هي: (1) سمك وحجم ما يكفي لحماية المنطقة المستهدفة من الممكن الضرر أيون شعاع أثناء عملية الطحن بأكملها. (2) لا يزال هناك طبقة سميكة نسبيا حزب العمال (≥ 400 نانومتر) على رأس عينة اليسرى بعد الطحن، لأنه يحمي عينة دقيقة من الضغوط...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

لا توجد مصالح مالية متنافسة.

شكر وتقدير

يود المؤلفون أن يشكروا Rüdiger Rosenkranz و Sven Niese (Fraunhofer IKTS-MD) لمساعدتهم في إعداد العينة ، و Ude Hangen و Douglas Stauffer و Ryan Major و Oden Warren (Hysitron Inc.) لدعمهم الفني على حامل PI95 TEM. كما يتم الاعتراف بدعم مركز تطوير الإلكترونيات في دريسدن (cfaed) ومركز دريسدن للتحليل النانوي (DCN) في جامعة دريسدن التقنية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
منشار التقطيع الأوتوماتيكيDISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies
المسح الضوئي المجهر الإلكترونيZeiss ZeissNvision 40
PicoindentorHysitronHysitron Pi95
Keithley SourceMeterKeithleyKeithley 2602/237
مجهر إلكتروني ناقلالحركة FEIFEI Tecnai F20
مجهر إلكتروني ناقل الحركةزايسزايس الميزان 200

المراجع

  1. Edelstein, D., et al. Full Copper Wiring in a Sub-0.25 µm CMOS ULSI Technology. IEDM Tech. Dig. , 773-776 (1997).
  2. List, S., Bamal, M., Stucchi, M., Maex, K. A global view of interconnects. Microelectron. Eng. 83 (11/12), 2200-2207 (2006).
  3. Meindl, J. D., Davis, J. A., Zarkesh-Ha, P., Patel, C. S., Martin, K. P., Kohl, P. A. Interconnect opportunities for gigascale integration. IBM J. Res. Develop. 46 (2/3), 245-263 (2002).
  4. Zhang, X. F., Wang, Y. W., Im, J. H., Ho, P. S. Chip-Package Interaction and Reliability Improvement by Structure Optimization for Ultralow-k Interconnects in Flip-Chip Packages. IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 12 (2), 462-469 (2012).
  5. Lee, K. D., Ogawa, E. T., Yoon, S., Lu, X., Ho, P. S. Electromigration reliability of dual-damascene Cu/porous methylsilsesquioxane low k interconnects. Appl. Phys. Lett. 82 (13), 2032(2003).
  6. Zschech, E., et al. Stress-induced phenomena in nanosized copper interconnect structures studied by x-ray and electron microscopy. J. Appl. Phys. 106 (9), 093711(2009).
  7. Tan, T. L., Hwang, N., Gan, C. L. Dielectric Breakdown Failure Mechanisms in Cu-SiOC low-k interconnect system. IEEE Trans. Bimodal. 7 (2), 373-378 (2007).
  8. Zhao, L., et al. Direct observation of the 1/E dependence of time dependent dielectric breakdown in the presence of copper. Appl. Phys. Lett. 98 (3), 032107(2011).
  9. Breuer, T., Kerst, U., Boit, C., Langer, E., Ruelke, H., Fissel, A. Conduction and material transport phenomena of degradation in electrically stressed ultra-low-k dielectric before breakdown. J. Appl. Phys. 112 (12), 124103(2012).
  10. Lloyd, J. R., Liniger, E., Shaw, T. M. Simple model for time-dependent dielectric breakdown in inter- and intralevel low-k dielectrics. J. Appl. Phys. 98 (8), 084109(2005).
  11. A Comprehensive Study of Low-k SiCOH TDDB Phenomena and Its Reliability Lifetime Model Development. Chen, F., et al. 44th Annual International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2006 Mar 26-30, San Jose, California, , 46-53 (2006).
  12. Wu, W., Duan, X., Yuan, J. S. Modeling of Time-Dependent Dielectric Breakdown in Copper Metallization). IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 3 (2), 26-30 (2003).
  13. Achanta, R. S., Plawsky, J. L., Gill, W. N. A time dependent dielectric breakdown model for field accelerated low-k breakdown due to copper ions. Appl. Phys. Lett. 91 (23), 234106(2007).
  14. Chen, F., Shinosky, M. Soft breakdown characteristics of ultralow-k time-dependent dielectric breakdown for advanced complementary metal-oxide semiconductor technologies. J. Appl. Phys. 108 (5), 054107(2010).
  15. An Experimental Methodology for the In-Situ Observation of the Time-Dependent Dielectric Breakdown Mechanism in Copper/Low-k On-Chip Interconnect Structures. Yeap, K. B., et al. 51st Annual International Reliability Physics Symposium, , (2013).
  16. Yeap, K. B., et al. In situ study on low-k interconnect time-dependent-dielectric-breakdown mechanisms). J. Appl. Phys. 115 (12), 124101(2014).
  17. Liao, Z. Q., et al. In-situ Study of the TDDB-Induced Damage Mechanism in Cu/Ultra-low-k Interconnect Structures. Microelectron. Eng. In Press, (2014).
  18. Liao, Z. Q., et al. A New In Situ Microscopy Approach to Study the Degradation and Failure Mechanisms of Time-Dependent Dielectric Breakdown: Set-Up and Opportunities. Adv. Eng. Mater. 16 (5), 486-493 (2014).
  19. Lee, Z., Meyer, J. C., Rose, H., Kaiser, U. Optimum HRTEM image contrast at 20 kV and 80 kV-Exemplified by graphene. Ultramicroscopy. 112 (1), 39-46 (2012).
  20. Bell, D. C., Russo, C. J., Kolmykov, D. V. 40 keV atomic resolution TEM. Ultramicroscopy. 114, 31-37 (2012).
  21. Kaiser, U., et al. Transmission electron microscopy at 20 kV for imaging and spectroscopy. Ultramicroscopy. 111 (8), 1239-1246 (2011).
  22. Egerton, R. F. Control of radiation damage in the TEM. Ultramicroscopy. 127, 100-108 (2013).
  23. Jiang, N. Damage mechanisms in electron microscopy of insulating materials. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 305502(2013).
  24. Buban, J. P., Ramasse, Q., Gipson, B., Browning, N. D., Stahlberg, H. High-resolution low-dose scanning transmission electron microscopy. J. Electron Microsc. 59 (2), 103-112 (2010).
  25. Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. Radiation damage in the TEM and SEM. Micron. 35 (6), 399-409 (2004).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

الاختبار الكهربائي الموضعيالتصوير المقطعي الإلكترونيالترقيق بالحزمة الأيونية المركزةالوصلات النحاسية ذات ثابت العزل المنخفض للغايةآلية فشل العازل الكهربائيتحليل حركية التحللالتصوير الطيفي الإلكترونيالبنية من الطرف إلى الطرف
في انهيار العزل الكهربائي الموضعي الوقت المعتمد في نقل الكترون المجهر: إمكانية لفهم آلية الفشل في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.