הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

בפילוח של טרנספורמטור Situ זמן תלוי בהילוכי אלקטרונים מיקרוסקופים: אפשרות להבין את מנגנון הכשל בהתקני מייקרו-אלקטרוניים

8.2K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/52447

⸱

26 ביוני 2015

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

במאמר זה

סיכום

ההתמוטטות הדיאלקטרית תלוית-הזמן (TDDB) בערימות חברור על-השבב היא אחד ממנגנוני הכשל הקריטיים ביותר עבור התקנים מיקרו-אלקטרוניים. מאמר זה מדגים את ההליך של ניסוי TDDB באתרו במיקרוסקופ אלקטרוני התמסורת, הפותח אפשרות לחקור את מנגנון הכשל במוצרים מיקרו-אלקטרוניים.

תקציר

ההתמוטטות הדיאלקטרית תלוית-הזמן (TDDB) בערימות חברור על-השבב היא אחד ממנגנוני הכשל הקריטיים ביותר עבור התקנים מיקרו-אלקטרוניים. קנה המידה האגרסיבי של גדלי מאפיינים, הן בהתקנים והן בחברורים, מוביל לאתגרים רציניים כדי להבטיח את אמינות המוצר הנדרשת. מבחני אמינות סטנדרטיים וניתוח כשלים לאחר המוות מספקים מידע מוגבל בלבד על הפיזיקה של מנגנוני כשל וקינטיקה של השפלה. לכן יש צורך לפתח גישות ונהלים ניסיוניים חדשים לחקר מנגנוני הכשל של TDDB וקינטיקה של פירוק בפרט. במאמר זה, מודגמת מתודולוגיה ניסויית באתרה במיקרוסקופ אלקטרונים הולכה (TEM) כדי לחקור את מנגנוני הפירוק והכשל של TDDB בערימות חיבורים Cu/ULK. הדמיה וניתוח כימי באיכות גבוהה משמשים לחקר התהליך הקינטי. הבדיקה החשמלית באתרה משולבת ב-TEM כדי לספק שדה חשמלי מוגבה לדיאלקטריה. טומוגרפיה אלקטרונית משמשת לאפיון דיפוזיה מכוונת של Cu בדיאלקטרים המבודדים. הליך ניסיוני זה פותח אפשרות לחקור את מנגנון הכשל בערימות חיבורים של מוצרים מיקרו-אלקטרוניים, וניתן להרחיב אותו גם למבנים אחרים במכשירים פעילים.

מבוא

מאז חיבורי Cu הוכנסו ראשית לטכנולוגית האינטגרציה אולטרה בקנה מידה גדולה (ULSI) בשנת 1997 1, נמוך-k ונמוך במיוחד k-חומרים דיאלקטריים (ULK) אומצו לתוך העורפי-של-קו (BEoL) כחומרי בידוד בין חיבורים על השבב. השילוב של חומרים חדשים, למשל, Cu להתנגדות מופחתת ונמוך-k חומרים דיאלקטריים / ULK לקיבול נמוך, מתגבר על ההשפעות של התנגדות-קיבול גדל (RC) עיכוב שנגרמו על ידי קישוריות ממדית הצטמקות 2, 3. עם זאת, הטבה זו הייתה פלש על ידי שינוי קנה המידה האגרסיבית המתמשכת של התקני מייקרו-אלקטרוניים בשנים האחרונות. השימוש נמוך-k / תוצאות חומרי ULK באתגרים שונים בתהליך הייצור ולאמינות המוצר, במיוחד אם המגרש הקישוריות מגיע כ -100 ננומטר פחות או 4-6.

TDDB מתייחס למנגנון הכשל הפיזי של חומר דיאלקטרי כפונקציה של זמןתחת שדה חשמלי. בדיקת אמינות TDDB מתבצעת בדרך כלל בתנאים מואצים (שדה מוגבה חשמל ו / או טמפרטורה גבוהה).

TDDB בשבב קישוריות ערימות הוא אחד מנגנוני כשל הקריטיים ביותר עבור מכשירי מייקרו-האלקטרוניים, שכבר העלו חששות אינטנסיביים בקהילת האמינות. זה ימשיך להיות באור הזרקורים של מהנדסי אמינות מאז חומרים דיאלקטריים ULK עם תכונות חשמליות ומכאניות אפילו חלשות משולבים לתוך המכשירים בבלוטות טכנולוגיה מתקדמות.

ניסויים ייעודיים בוצעו כדי לחקור את מנגנון כשל TDDB 7-9, וכמות משמעותית של מאמץ הושקעה בפיתוח מודלים המתארים את מערכת היחסים בין שדה וחיים חשמליים של ההתקנים 10-13. המחקרים הקיימים למען הקהילה של מהנדסי אמינות במייקרו-אלקטרוניקה; עם זאת, רב challenGES עדיין קיימות ושאלות רבות עדיין צריכה להיות ענתה בפירוט. לדוגמא, מודלים מוכחים כדי לתאר את קינטיקה מנגנון כשל והשפלה הפיסית בתהליך TDDB ואימות ניסיוני המתאים עדיין חסרות. כצורך מסוים, יש צורך במודל מתאים יותר להחליף √E-המודל השמרני 14.

כחלק חשוב מאוד של חקירת TDDB, ניתוח כישלון טיפוסי עומד בפני אתגר חסר תקדים, כלומר, מתן עדות מקיפה וקשה להסביר את הפיזיקה של מנגנוני כשל וקינטיקה השפלה. ככל הנראה, בדיקת מיליוני vias ומטר של קווי Cu ננו אחד על ידי אתר אחד ולשעבר הדמיה אתר הכישלון הוא לא הבחירה המתאימה למשוכת אתגר זה, כי זה זמן רב מאוד, ורק מידע מוגבל על קינטיקה של מנגנון הנזק יכול להיות מסופק. לכן, משימה דחופה התפתחה לפתחND כדי לייעל ניסויים ולקבל הליך טוב יותר כדי ללמוד את מנגנוני כשל TDDB וקינטיקה השפלה.

במאמר זה, נדגים במתודולוגיה ניסויית אתר כדי לחקור את מנגנון כשל TDDB בערימות קישוריות Cu / ULK. TEM עם היכולת של הדמיה באיכות גבוהה וניתוח כימי משמש ללמוד את התהליך הקינטית במבני בדיקה ייעודיים. בבדיקה חשמלית אתר משתלב בניסוי TEM לספק שדה חשמלי גבוה לחומרים דיאלקטריים. מבנה מותאם אישית "קצה-לקצה", בהיקף של חיבורי Cu מארז מלא ומבודד על ידי חומר ULK, נועד בצומת טכנולוגיית CMOS 32 ננומטר. הליך הניסוי המתואר כאן גם ניתן להרחיב מבנים אחרים בהתקנים פעילים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. הכנת הדוגמה לאלומת יונים ממוקד (FIB) דליל (איור 1)

  1. קליב הרקיק המלא לשבבים קטנים (~ 10 מ"מ ב -10 מ"מ) עם סופר יהלומים.
  2. סמן את העמדות של המבנה "קצה-לקצה" על השבבים.
  3. ראה את השבב עם מכונת חיתוך להשיג ברים של 60 מיקרומטר לפי גודל 2 מ"מ. הבר כולל את המבנה "קצה-לקצה" במרכז.
  4. מדביקים את בר היעד על טבעת מחצית Cu באמצעות דבק הסופר. בשלב הבא, להדביק את הבר על במה מדגם Cu גם באמצעות דבק הסופר. לאחר מכן, כסף השימוש להדביק להגדיר את ההולכה בין מחצית הטבעת ושלב מדגם נחושת.
    הערה: בעת הטיפול במדגם, לוודא תמיד ללבוש רצועת יד אנטי-סטטית למניעת פריקות אלקטרוסטטי, אשר עלול לגרום נזק למבנה רגיש במדגם.

2. FIB דליל במיקרוסקופ האלקטרוני הסורק (איור 2)

  1. שים את המדגם שהושג בשלב 1 בn SEM שלב מדגם ולמקם את הבמה בזהירות לתוך SEM.
  2. בחר את המצב בתצהיר, ולהגדיר את הממדים (אזור ועובי) של שכבת הגנת Pt צורך. השתמש תמיד באלומת יונים 30 קילו וולט כדי לשמור על הדיוק הגבוה ביותר. המנגינה הנוכחית כדי לקבל את היעילות מרוצה, תלוי בממדים של שכבת Pt צורך.
    1. להפקיד קו Pt לפנות משטח אחד לבמה Cu (פוטנציאל קרקע). בהמשך לכך, להפקיד רובד Pt עבה על גבי המבנה "קצה-לקצה", שהוא מאוד חשוב כדי למזער את נזק היון במהלך תהליך דילול FIB ולחזק את lamella הדק. זהו הליך סטנדרטי המשמש בהכנת FIB.
    2. קח זהירות לא להציג את כל נתיבים מוליכים בין שתי הכריות על גבי המבנה "קצה-לקצה" דרך שכבת Pt בעת ביצוע תצהיר Pt. כל נתיב מוליך יהיה קצר במעגל החשמלי (איור 2 א 'וב').
  3. כרסום FIB
    1. השתמש במתח של 30 וולט וזרם של 10 הרשות הפלסטינית לחיתוך הסופי. דק בר היעד לlamella TEM H-בר בעובי 150 ו -180 ננומטר בין.
    2. חותך חריץ קרוב לכרית (כרית V +) אשר נגעה בקצה מתמר בTEM. השתמש בחריץ כסמן לזהות את הכרית הנכונה בTEM.

3. העברת דוגמא מSEM לTEM

  1. לשים על רצועת היד אנטי-סטטית לפני שתיגע המדגם.
  2. לרדת מדגם H-בר מוכן משלב SEM. שמור את המדגם על הבמה Cu בעת הסרתו מSEM.
  3. תקן את שלב Cu על בעל TEM. הזז את קצה המתמר של בעל הקרוב למבנה המבחן TEM (כמה מאות מיקרומטרים ממבנה המבחן) תחת מיקרוסקופ האופטי.
    1. הכנס את בעל TEM לTEM בזהירות. אין להשתמש בכל טיפול ניקוי (למשל, ניקוי פלזמה) במהלך TRתהליך ansfer, אחרת lamella עשוי להיות מושפע.
  4. שמור את הזמן להעברת הדגימה בתוך 15 דקות או קצרות יותר, כדי למנוע חשיפה רבה מדי ללחות וחמצן סביבה.

4. הקמת חיבור החשמל (איור 3)

  1. חבר את בעל TEM למערכת השליטה שלה וSourceMeter. ואז לעבור על מערכת הבקרה וSourceMeter.
  2. צג טיפ מתמר בTEM כאשר עושה גישה הגסה של הקצה מתמר למבנה המבחן על ידי כוונון הידיות על בעל TEM.
    1. הזז את קצה המתמר של בעל TEM הקרוב לכרית + V (≤ 500 ננומטר). להביא את הקצה מתמר לאותה רמה (Z: גובה) ככרית. מנגינת עמדת הקצה ולהפוך את הקצה להתמודד מרכז V + הכרית.
  3. צור טיפ מתמר לכרית + V. הגדר מתח נמוך מאוד על הקצה (0.5 V כ 1 V) בעת שהתקרב הכרית. צג simultaneo הנוכחיusly לוודא המגע היא הוקם.

5. בניסוי Situ TDDB

  1. השתמש מתח מואץ של 200 קילו וולט בTEM. הזז את אלומת אלקטרונים לאזור של עניין; לבחור הגדלה נכונה ולמקד את התמונה.
  2. השתמש בשלבי תאורה נמוכים (≤ 8) כדי להפחית את נזק הקורה במבנה המבחן. השתמש צמצם הקבל למקם את אזור התאורה רק בחלק הדק של מדגם H-בר.
  3. החל מתח קבוע (≤ 40 V) על המבנה "קצה-לקצה" באמצעות SourceMeter בעת הקלטת תמונות TEM באתר (2-3 מסגרות / sec). רשום את התמונות באופן אוטומטי על ידי שימוש בקוד-תסריט עצמי, למשל, שימוש בתוכנת DigitalMicrograph.
  4. להשהות את הניסוי כאשר רואה דיפוזיה, לכאורה, של מתכת לתוך החומרים דיאלקטריים ULK ולעשות ניתוח הכימי אלקטרונים Spectroscopic הדמיה (ESI).
    1. הכנס את צמצם חריץ המסנן לOmegמסנן אנרגיה בTEM.
    2. מנגינת רוחב צמצם סחף מסנן כדי לקבל רוחב ראוי אנרגיה (10-20 eV) בספקטרום אובדן אנרגיית אלקטרון (צלופחים).
    3. Shift האנרגיה לשיא ספיחת נחושת M-קצה בצלופחים.
    4. חזור למצב ההדמיה לרכוש תמונת TEM אנרגיה מסוננת בשיא קליטת M-קצה Cu.
    5. Shift האנרגיה לטרום-הקצה של M-קצה הנחושת ולקבל עוד תמונת TEM אנרגיה מסוננת.
    6. תקן את הסחף של המדגם בין שני התמונות.
    7. מחלקים את התמונה הראשונה בשנייה אחת כדי לקבל את תמונת יחס קפיצה של Cu.
  5. להמשיך בניסוי TDDB: להחיל מחדש מתח קבוע (≤ 40 V) על המבנה "קצה-לקצה" באמצעות SourceMeter ולהקליט תמונות TEM.

6. טומוגרפיה ממוחשבת

  1. לבצע טומוגרפיה TEM מחושב כאשר ניסוי TDDB הוא סיים, כדי לקבל מידע על הפצת 3D דיחלקיקי ffused.
  2. הטה את המדגם ולהקליט סדרת הטיה של 138 מעלות. השתמש צעד הטיה של 1 °, ולהקליט את התמונה בכל שלב במצב גזע בשדה בהיר (BF).
  3. לשחזר את הסדרה (כולל יישור תמונות, קביעת ציר הטיה, שחזור נפח ופילוח ליצירת נפח טומוגרפיה 3D).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

איור 4 מראה תמונות בהירות שדה (BF) TEM במבחן באתר. יש הופרו באופן חלקי טאן / מחסומי Ta ואטומים Cu קיים מראש בחומרים דיאלקטריים ULK לפני הבדיקה החשמלית (איור 4 א) בשל אחסון מורחב בסביבה. אחרי 376 שניות בלבד ב 40 V, פירוט דיאלקטרי התחיל והיה מלווה בשני מסלולי נדידה גדולים של נחושת ממתכת M1, בעל פוטנציאל חיובי עם התייחסות לצד הקרקע 15-16. חלקיקי Cu מתפזרים בחומרים דיאלקטריים ULK מוצגים בתמונה BF TEM לאחר ההתמוטטות הסופית (...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

תנאי מוקדם להצלחה בניסוי של TDDB הוא הכנת מדגם טובה, במיוחד בתהליך כרסום FIB בSEM. ראשית, שכבה עבה Pt על גבי המבנה "קצה-לקצה" יש שתופקד. העובי והגודל של שכבת Pt יכולים להיות מותאם על ידי מפעיל SEM, אבל צריך לעקוב אחרי שלושה עקרונות: (1) העובי והגודל מספיק כדי להגן על אזור היעד מנזק אלומת יונים אפשרי בתהליך כרסום כל; (2) יש עדיין שכבה עבה יחסית Pt (≥ 400 ננומטר) על גבי המדגם לאחר הטחינה, הוא מגן על המדגם העדין מלחצים פנימיים וחיצוניים וממזער את התרומה של מתח לפירוט דיאלקט...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

אין אינטרסים פיננסיים מתחרים.

תודות

המחברים רוצים להודות לרודיגר רוזנקרנץ וסוון ניס (Fraunhofer IKTS-MD) על עזרתם בהכנת הדגימה, ולאודה הנגן, דאגלס סטאופר, ריאן מייג'ור ואודן וורן (Hysitron Inc.) על תמיכתם הטכנית במחזיק PI95 TEM. התמיכה של המרכז לקידום אלקטרוניקה בדרזדן (cfaed) ומרכז דרזדן לננואנליזה (DCN) באוניברסיטה הטכנית של דרזדן מוכרת גם כן.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מסור קוביות אוטומטיDISCO Kiru-Kezuru-Migaku טכנולוגיות
סריקת מיקרוסקופ אלקטרוניםZeiss ZeissNvision 40
PicoindentorHysitronHysitron Pi95
Keithley SourceMeterKeithley2602/237
מיקרוסקופ אלקטרונים שידורFEIFEI Tecnai F20
מיקרוסקופ אלקטרונים שידורZeissZeiss Libra 200

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

In SituFIBUltra Low K
בפילוח של טרנספורמטור Situ זמן תלוי בהילוכי אלקטרונים מיקרוסקופים: אפשרות להבין את מנגנון הכשל בהתקני מייקרו-אלקטרוניים
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.