De tijdsafhankelijke diëlektrische doorbraak (TDDB) in on-chip interconnect-stacks is een van de meest kritische falenmechanismen voor micro-elektronische apparaten. Dit artikel demonstreert de procedure van een in situ TDDB-experiment in de transmissie-elektronenmicroscoop, wat de mogelijkheid biedt om het falenmechanisme in micro-elektronische producten te bestuderen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
In Situ Tijdafhankelijk Diëlektrische Breakdown in de Transmission Electron Microscope: een mogelijkheid om het faalmechanisme in Microelectronic Devices Begrijp
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
De tijdsafhankelijke diëlektrische doorbraak (TDDB) in on-chip interconnect stapels is een van de meest kritische falenmechanismen voor micro-elektronische apparaten. De agressieve schaling van functiegroottes, zowel op apparaten als interconnects, leidt tot ernstige uitdagingen om de vereiste productbetrouwbaarheid te garanderen. Standaard betrouwbaarheidstests en post-mortem falenanalyse bieden slechts beperkte informatie over de fysica van faalmechanismen en degradatiekinetica. Daarom is het noodzakelijk om nieuwe experimentele benaderingen en procedures te ontwikkelen om de TDDB-faalmechanismen en degradatiekinetica in het bijzonder te bestuderen. In dit artikel wordt een in situ experimentele methodologie in de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) gedemonstreerd om de TDDB-degradatie en faalmechanismen in Cu/ULK interconnect stapels te onderzoeken. Hoogwaardige beeldvorming en chemische analyse worden gebruikt om het kinetische proces te bestuderen. De in situ elektrische test wordt geïntegreerd in de TEM om een verhoogd elektrisch veld naar de dielectrica te bieden. Elektron tomografie wordt gebruikt om de gerichte Cu-diffusie in de isolerende dielectrica te karakteriseren. Deze experimentele procedure opent een mogelijkheid om het faalmechanisme in interconnect stapels van micro-elektronische producten te bestuderen, en het kan ook worden uitgebreid naar andere structuren in actieve apparaten.
Inleiding
Aangezien Cu interconnects eerst werden geïntroduceerd in de ultra-grootschalige integratie (ULSI) technologie in 1997 1, low-k en ultra-low-k (ULK) dielectrics zijn vastgesteld in de back-end-of-line (BEOL) als het isolatiemateriaal tussen de on-chip interconnects. De combinatie van nieuwe materialen, bijvoorbeeld Cu verlaagde weerstand en lage-k / ULK diëlektrica lagere capaciteit, overwint de effecten van verhoogde weerstand-condensator (RC) vertraging door interconnect dimensionele krimp 2, 3. Dit werd echter voordeel aangetast Door de voortdurende agressieve schaling van micro-elektronische inrichtingen in de afgelopen jaren. Het gebruik van low-k / ULK materialen resultaten in verschillende uitdagingen in het productieproces en voor de betrouwbaarheid van het product, in het bijzonder als de interconnect toonhoogte bereikt ongeveer 100 nm of minder 4-6.
TDDB betrekking op de fysieke faalmechanisme een diëlektrisch materiaal als functie van de tijdonder een elektrisch veld. De TDDB betrouwbaarheid test wordt meestal uitgevoerd onder versnelde omstandigheden (verhoogde elektrisch veld en / of verhoogde temperatuur) uitgevoerd.
De TDDB in on-chip interconnect stapels is één van de meest kritieke storing mechanismen voor de micro-elektronische inrichtingen, die reeds intense bezorgdheid betrouwbaarheid gemeenschap verhoogd. Het zal blijven in de schijnwerpers van de betrouwbaarheid ingenieurs sinds ULK dielectrics met nog zwakker elektrische en mechanische eigenschappen worden geïntegreerd in de apparaten in geavanceerde technologie nodes.
Dedicated experimenten zijn uitgevoerd om de TDDB faalmechanisme 7-9 onderzoeken, en een aanzienlijke hoeveelheid werk gestoken modellen waarin de relatie tussen elektrisch veld en de levensduur van de apparaten 10-13 beschrijven ontwikkelen. De bestaande studies ten goede aan de gemeenschap van betrouwbaarheid ingenieurs in de micro-elektronica; echter veel ChallenGES bestaan nog steeds en veel vragen moeten nog worden beantwoord in detail. Bijvoorbeeld, bewezen modellen om de fysieke faalmechanisme en afbraakkinetiek beschrijven in het TDDB proces en de respectievelijke experimentele verificatie nog ontbreken. Als een bepaalde behoefte, is een geschikt model nodig conservatieve √E-model 14 plaats.
Als een zeer belangrijk onderdeel van de TDDB onderzoek, is typisch niet-analyse geconfronteerd met een ongekende uitdaging, dat wil zeggen, het verstrekken van uitgebreide en hard bewijs om de fysica van faalmechanismen en degradatie kinetiek verklaren. Blijkbaar inspecteren miljoenen vias en meters van nanoschaal Cu lijnen een voor een en ex situ beeldvorming van de mislukking site is niet de juiste keuze om hindernis deze uitdaging, want het is zeer tijdrovend, en slechts beperkte informatie over de kinetiek van de schade mechanisme kan worden verstrekt. Daarom is een dringende taak ontstaan om een te ontwikkelennd om experimenten te optimaliseren en om een betere procedure naar de TDDB faalmechanismen en degradatie kinetiek te bestuderen.
In dit artikel zullen we zien een in situ experimentele methode om de TDDB faalmechanisme in Cu / ULK interconnect stapels onderzoeken. Een TEM met de mogelijkheid van hoge beeldkwaliteit en chemische analyse wordt gebruikt om de kinetische werkwijze in gespecialiseerde teststrukturen bestuderen. De in situ elektrische test wordt geïntegreerd in de TEM experiment verhoogde elektrisch veld leveren aan de diëlektrica. Een aangepaste "tip-to-tip 'structuur, bestaande uit een volledig ingekapseld Cu interconnects en geïsoleerd door een ULK materiaal, is ontworpen in de 32 nm CMOS technologie node. De hier beschreven experimentele procedure kan ook worden uitgebreid tot andere structuren in actieve inrichtingen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Voorbereiding van het monster voor de Focused Ion Beam (FIB) Dunner (figuur 1)
- Klieven de volledige wafer in kleine chips (~ 10 mm bij 10 mm) met een diamant schrijver.
- De posities van de "tip to tip" structuur op de chips.
- Zag de chip met een snijmachine aan bars van 60 pm te verkrijgen met 2 mm groot. De bar is voorzien van de "tip-to-tip 'structuur in het centrum.
- Lijm het doel bar op een Cu halve ring met de superlijm. Vervolgens lijm de bar op een Cu sample fase ook met behulp van de superlijm. Vervolgens gebruik zilver plakken aan de geleiding tussen de halve ring en de koperen sample podium.
Opmerking: Bij het hanteren van het monster, zorg ervoor dat altijd een antistatische polsband te dragen om elektrostatische ontladingen, die de gevoelige structuur in het monster kan schade te voorkomen.
2. FIB Uitdunnen in de Scanning Electron Microscope (figuur 2)
- Zet het product verkregen in stap 1 op een monstern SEM steekproef podium en plaats het podium voorzichtig in de SEM.
- Koos voor de afzetting modus en het opzetten van de afmetingen (gebied en dikte) van de benodigde Pt beschermlaag. Gebruik altijd een 30 kV ionenbundel aan de hoogste precisie te behouden. Stem de stroom naar de tevreden efficiency, afhankelijk van de afmetingen van de benodigde Pt-laag te krijgen.
- Stort een Pt lijn om contact op met een pad naar de Cu podium (aardpotentiaal). Vervolgens stort een dikke Pt-laag bovenop de "tip to tip" structuur wat erg belangrijk is voor het ion schade tijdens het FIB verdunningswerkwijze minimaliseren en de dunne lamel te versterken. Dit is een standaardprocedure in FIB bereiding.
- Wees voorzichtig dat er geen geleidend pad tussen de twee elektroden bij het uitvoeren van Pt depositie voeren bovenop de "tip to tip" structuur door de Pt-laag. Elke geleidend pad zal kort het elektrisch circuit (figuur 2A en B).
- FIB frezen
- Gebruik een spanning van 30 kV en de huidige van 10 jaar voor de final cut. Dunne het doel bar in een H-bar TEM lamellen met een dikte tussen 150 en 180 nm.
- Snijd een inkeping in de buurt van het pad (V + pad), die zal worden geraakt door een transducer tip in de TEM. Gebruik de inkeping als marker om het juiste pad in de TEM identificeren.
3. Steekproef Transfer van de SEM tot de TEM
- Doe de antistatische polsband voordat het monster te raken.
- Demonteer de bereide H-bar monster uit de SEM podium. Houd het monster op de Cu podium bij het verwijderen van het uit de SEM.
- Bevestig de Cu podium op de TEM houder. Beweeg de transducer uiteinde van de TEM houder nabij de teststructuur (enkele honderden micrometers afstand van de teststruktuur) onder de optische microscoop.
- Steek de TEM-houder in de TEM zorgvuldig. Gebruik geen schoonmaakmiddelen behandeling (bijvoorbeeld, plasma reiniging) tijdens de tr geen gebruikansfer procédé, anders kan de lamel worden beïnvloed.
- Bewaar de tijd voor de monsteroverdrachtsstrook binnen 15 minuten of korter te veel blootstelling aan heersende vocht en zuurstof te voorkomen.
4. Vaststelling van de elektrische aansluiting (figuur 3)
- Sluit de TEM houder om zijn controlesysteem en de SourceMeter. Schakel dan de besturing en de SourceMeter.
- Bewaken van de transducer tip in de TEM bij het doen van de grove benadering van de transducer tip om de test structuur door het afstemmen van de knoppen op de TEM houder.
- Beweeg de transducer tip van de TEM-houder dicht bij de V + pad (≤ 500 nm). Breng de transducer tip op hetzelfde niveau (Z: hoogte) als het pad. Stem de positie van de tip en maak de tip geconfronteerd het midden van de V + pad.
- Neem contact op met de transducer tip om de V + pad. Stel een zeer lage spanning op het puntje (0,5 V tot ongeveer 1 V), terwijl het naderen van de pad. Bewaken van de huidige simultaneously om ervoor te zorgen dat het contact wordt gelegd.
5. In Situ TDDB Experiment
- Gebruik een versnelde spanning van 200 kV in de TEM. Beweeg de elektronenbundel om het gebied van belang; kiezen voor een behoorlijke vergroting en focus de afbeelding.
- Met lage verlichting stappen (≤ 8) aan de bundel schade aan de teststructuur verminderen. Gebruik een van de condensator alleen binnen het dunne deel van de H-balk sample het verlichtingsgebied te lokaliseren.
- Breng een constante spanning (≤ 40 V) op de "tip to tip" structuur met de SourceMeter tijdens het opnemen de TEM beelden in situ (03/02 frames / sec). Automatisch opnemen van de beelden met behulp van een self-scripted code, bijvoorbeeld, met behulp van de DigitalMicrograph software.
- Pauzeer het experiment bij het zien van een schijnbare diffusie van metaal in de ULK diëlektrica en doe de Electron spectroscopische beeldvorming (ESI) chemische analyse.
- Plaats het filter gleuf opening in de Omegeen energie-filter in de TEM.
- Stem de breedte van het filter slib diafragma om een goede energie breedte (10-20 eV) in de elektronen energieverlies spectrum (EELS) te krijgen.
- Shift de energie om de koperen M-edge adsorptie piek in de EELS.
- Ga terug naar de imaging-modus om een energie-gefilterde afbeelding TEM aan de Cu M-edge absorptiepiek te verwerven.
- Verschuiving van de energie naar de pre-edge van de koperen M-edge en krijgen een ander beeld TEM energie gefilterd.
- Corrigeer de drift van het monster tussen de twee beelden.
- Verdeel de eerste afbeelding van de tweede naar de sprong verhouding beeld van Cu te krijgen.
- Ga door met de TDDB experiment: reapply een constante spanning (≤ 40 V) op de "tip-to-tip 'structuur met behulp van de SourceMeter en noteer de TEM beelden.
6. Computed Tomography
- Voer TEM computertomografie wanneer de TDDB experiment is voltooid, om 3D-distributie informatie over de di krijgenffused deeltjes.
- Kantel het monster en het opnemen van een tilt-serie van 138 °. Gebruik een tilt stap van 1 °, en noteer de afbeelding tijdens elke stap in de lichte veld (BF) STEM modus.
- Reconstrueren de serie (inclusief uitlijnen van beelden, het bepalen van tilt-as, de reconstructie van het volume en segmentatie om de 3D tomografie volume te vormen).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Figuur 4 toont helder veld (BF) TEM beelden van een in situ-test. Er zijn gedeeltelijk doorbroken TaN / Ta barrières en reeds bestaande Cu atomen in de ULK diëlektrica voor de elektrische test (Figuur 4A) als gevolg van langdurige opslag in de omgevingslucht. Al na 376 sec bij 40 V, de diëlektrische doorslag gestart en ging gepaard met twee belangrijke migratiepaden van koper uit het metaal M1 heeft positieve potentiaal met betrekking tot de grond opzij 15-16. De ver...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Voorwaarde voor succes in de TDDB experiment goed monstervoorbereiding, vooral in de FIB maalproces in de SEM. Allereerst een dikke Pt-laag bovenop de "tip to tip" structuur moet worden gedeponeerd. De dikte en de afmetingen van de Pt-laag kan worden aangepast door de SEM operator, maar moet volgen drie principes: (1) De dikte en de afmetingen zijn voldoende om het doelgebied van mogelijke schade ionenbundel tijdens het gehele maalproces beschermen; (2) Er is nog een relatief dikke Pt-laag (≥ 400 nm) bovenop d...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
Geen concurrerende financiële belangen.
Dankbetuigingen
De auteurs willen Rüdiger Rosenkranz en Sven Niese (Fraunhofer IKTS-MD) bedanken voor hun hulp bij de monstervoorbereiding, en Ude Hangen, Douglas Stauffer, Ryan Major en Oden Warren (Hysitron Inc.) voor hun technische ondersteuning op de PI95 TEM-houder. De steun van het Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) en het Dresden Center for Nanoanalysis (DCN) aan de Technische Universität Dresden wordt ook erkend.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Automatische decoupeerzaag | DISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies | ||
| Scannende elektronenmicroscoop | Zeiss | Zeiss Nvision 40 | |
| Picoindentor | Hysitron | Hysitron Pi95 | |
| Keithley SourceMeter | Keithley | Keithley 2602/237 | |
| Transmissie-elektronenmicroscoop | FEI | FEI Tecnai F20 | |
| Transmissie-elektronenmicroscoop | Zeiss | Zeiss Libra 200 |
Referenties
- Edelstein, D., et al. Full Copper Wiring in a Sub-0.25 µm CMOS ULSI Technology. IEDM Tech. Dig. , 773-776 (1997).
- List, S., Bamal, M., Stucchi, M., Maex, K. A global view of interconnects. Microelectron. Eng. 83 (11/12), 2200-2207 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yeap, K. B., et al. In situ study on low-k interconnect time-dependent-dielectric-breakdown mechanisms). J. Appl. Phys. 115 (12), 124101(2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bell, D. C., Russo, C. J., Kolmykov, D. V. 40 keV atomic resolution TEM. Ultramicroscopy. 114, 31-37 (2012).
- Kaiser, U., et al. Transmission electron microscopy at 20 kV for imaging and spectroscopy. Ultramicroscopy. 111 (8), 1239-1246 (2011).
- Egerton, R. F. Control of radiation damage in the TEM. Ultramicroscopy. 127, 100-108 (2013).
- Jiang, N. Damage mechanisms in electron microscopy of insulating materials. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 305502(2013).
- 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).
- Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. Radiation damage in the TEM and SEM. Micron. 35 (6), 399-409 (2004).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
