Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

In Situ Zależny od czasu przewrót dielektryczny w transmisyjnym mikroskopie elektronowym: możliwość zrozumienia mechanizmu awarii w urządzeniach mikroelektronicznych

8.2K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/52447

⸱

26 czerwca 2015

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

W tym artykule

Podsumowanie

Zależne od czasu przebicie dielektryczne (TDDB) w stosach połączeń na chipie jest jednym z najbardziej krytycznych mechanizmów awarii urządzeń mikroelektronicznych. W artykule przedstawiono procedurę eksperymentu in situ TDDB w transmisyjnym mikroskopie elektronowym, co otwiera możliwość zbadania mechanizmu awarii w produktach mikroelektronicznych.

Streszczenie

Zależne od czasu przebicie dielektryczne (TDDB) w stosach połączeń na chipie jest jednym z najbardziej krytycznych mechanizmów awarii urządzeń mikroelektronicznych. Agresywne skalowanie rozmiarów funkcji, zarówno w urządzeniach, jak i połączeniach, prowadzi do poważnych wyzwań związanych z zapewnieniem wymaganej niezawodności produktu. Standardowe testy niezawodności i analiza uszkodzeń pośmiertnych dostarczają jedynie ograniczonych informacji na temat fizyki mechanizmów uszkodzeń i kinetyki degradacji. W związku z tym konieczne jest opracowanie nowych podejść i procedur eksperymentalnych w celu zbadania mechanizmów awarii TDDB, a w szczególności kinetyki degradacji. W artykule przedstawiono metodologię eksperymentalną in situ w transmisyjnym mikroskopie elektronowym (TEM) w celu zbadania mechanizmów degradacji i awarii TDDB w stosach połączeń Cu/ULK. Do badania procesu kinetycznego wykorzystywane są wysokiej jakości obrazowanie i analiza chemiczna. Test elektryczny in situ jest zintegrowany z TEM w celu zapewnienia zwiększonego pola elektrycznego dielektryków. Tomografia elektronowa służy do scharakteryzowania ukierunkowanej dyfuzji Cu w dielektrykach izolacyjnych. Ta eksperymentalna procedura otwiera możliwość zbadania mechanizmu uszkodzeń w stosach połączeń produktów mikroelektronicznych, a także może zostać rozszerzona na inne struktury w urządzeniach aktywnych.

Wprowadzenie

Od kiedy interkonekty Cu zostały po raz pierwszy wprowadzone do technologii ultra-dużej integracji (ULSI) w 1997 roku 1, dielektryki low-k i ultra-low-k (ULK) zostały zaadoptowane do back-end-of-line (BEoL) jako materiały izolacyjne między interkonektami na chipie. Połączenie nowych materiałów, np. Cu dla zmniejszonej rezystancji i dielektryków o niskiej wartości k/ULK dla niższej pojemności, przezwycięża skutki zwiększonego opóźnienia rezystancyjno-pojemnościowego (RC) spowodowanego skurczem wymiarowym połączeń 2, 3. Korzyść ta została jednak zniweczona przez trwający w ostatnich latach agresywny rozwój urządzeń mikroelektronicznych. Stosowanie materiałów o niskiej wartości k/ULK powoduje różne wyzwania w procesie produkcyjnym i niezawodności produktu, szczególnie jeśli skok interkonektora osiąga około 100 nm lub mniej 4-6.

TDDB odnosi się do fizycznego mechanizmu uszkodzenia materiału dielektrycznego jako funkcji czasu pod wpływem pola elektrycznego. Test niezawodności TDDB jest zwykle przeprowadzany w warunkach przyspieszonych (podwyższone pole elektryczne i/lub podwyższona temperatura).

TDDB w stosach połączeń na chipie jest jednym z najbardziej krytycznych mechanizmów awarii urządzeń mikroelektronicznych, co już wzbudziło poważne obawy w społeczności zajmującej się niezawodnością. Będzie on nadal w centrum uwagi inżynierów zajmujących się niezawodnością, ponieważ dielektryki ULK o jeszcze słabszych właściwościach elektrycznych i mechanicznych są integrowane z urządzeniami w węzłach zaawansowanych technologii.

Przeprowadzono dedykowane eksperymenty w celu zbadania mechanizmu awarii TDDB 7-9, a znaczna ilość wysiłku została włożona w opracowanie modeli, które opisują związek między polem elektrycznym a żywotnością urządzeń 10-13. Istniejące badania przynoszą korzyści społeczności inżynierów niezawodności w dziedzinie mikroelektroniki; Nadal jednak istnieje wiele wyzwań i wiele pytań wymaga szczegółowych odpowiedzi. Na przykład nadal brakuje sprawdzonych modeli opisujących mechanizm uszkodzenia fizycznego i kinetykę degradacji w procesie TDDB oraz odpowiedniej weryfikacji eksperymentalnej. Ze względu na szczególną potrzebę, potrzebny jest bardziej odpowiedni model, który zastąpi konserwatywny model √E-model 14.

Jako bardzo ważna część badania TDDB, typowa analiza awarii staje przed bezprecedensowym wyzwaniem, tj. dostarczeniem wyczerpujących i twardych dowodów wyjaśniających fizykę mechanizmów awarii i kinetyki degradacji. Wygląda na to, że inspekcja milionów przelotek i metrów nanoskalowych linii Cu jedna po drugiej i obrazowanie ex situ miejsca awarii nie jest właściwym wyborem, aby pokonać to wyzwanie, ponieważ jest bardzo czasochłonne i można uzyskać tylko ograniczone informacje na temat kinetyki mechanizmu uszkodzenia. W związku z tym pojawiło się pilne zadanie opracowania i optymalizacji eksperymentów oraz uzyskania lepszej procedury badania mechanizmów awarii TDDB i kinetyki degradacji.

W tym artykule zademonstrujemy eksperymentalną metodologię in situ do zbadania mechanizmu awarii TDDB w stosach połączeń Cu/ULK. TEM z możliwością wysokiej jakości obrazowania i analizy chemicznej służy do badania procesu kinetycznego w dedykowanych strukturach testowych. Test elektryczny in situ jest zintegrowany z eksperymentem TEM w celu zapewnienia zwiększonego pola elektrycznego dielektryków. Niestandardowa struktura "tip-to-tip", składająca się z w pełni zamkniętych interkonektorów Cu i izolowana materiałem ULK, została zaprojektowana w węźle technologii CMOS 32 nm. Opisana tutaj procedura eksperymentalna może być również rozszerzona na inne struktury w urządzeniach aktywnych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Przygotowanie próbki do przerzedzania skupionej wiązki jonów (FIB) (Rysunek 1)

  1. Rozdrobnij cały wafel na małe wióry (~ 10 mm na 10 mm) za pomocą rysika diamentowego.
  2. Zaznacz pozycje struktury "od czubka do czubka" na żetonach.
  3. Przetnij wióry za pomocą kostkarki, aby uzyskać pręty o wymiarach 60 μm na 2 mm. Pasek zawiera strukturę "od czubka do czubka" pośrodku.
  4. Przyklej pręt docelowy na półpierścieniu Cu za pomocą super kleju. Następnie przyklej pręt do stolika na próbkę Cu, również używając super kleju. Następnie użyj pasty srebrnej, aby ustawić przewodzenie między półpierścieniem a miedzianym stolikiem na próbkę.
    Uwaga: Podczas obchodzenia się z próbką należy zawsze nosić antystatyczną opaskę na nadgarstek, aby zapobiec wyładowaniom elektrostatycznym, które mogą uszkodzić wrażliwą strukturę w próbce.

2. Rozrzedzenie FIB w skaningowym mikroskopie elektronowym (Rysunek 2)

  1. Umieść próbkę uzyskaną w kroku 1 na stoliku próbki SEM i ostrożnie umieść stolik w SEM.
  2. Wybierz tryb osadzania i ustaw wymiary (powierzchnię i grubość) potrzebnej warstwy ochronnej Pt. Zawsze używaj wiązki jonów 30 kV, aby zachować najwyższą precyzję. Dostosuj prąd, aby uzyskać satysfakcjonującą wydajność, w zależności od wymiarów potrzebnej warstwy Pt.
    1. Umieść linię Pt, aby zetknąć jedną podkładkę ze stopniem Cu (potencjał uziemienia). Następnie należy nałożyć grubą warstwę Pt na strukturę "od czubka do końca", co jest bardzo ważne, aby zminimalizować uszkodzenia jonów podczas procesu rozrzedzania FIB i wzmocnić cienką blaszkę. Jest to standardowa procedura stosowana w przygotowaniu FIBON.
    2. Zachowaj ostrożność, aby nie wprowadzać żadnych ścieżek przewodzących między dwoma padami na szczycie struktury "czubka-czubka" przez warstwę Pt podczas wykonywania osadzania Pt. Każda ścieżka przewodząca spowoduje zwarcie obwodu elektrycznego (rysunki 2A i B).
  3. Frezowanie FIB
    1. Do końcowego cięcia należy użyć napięcia 30 kV i prądu 10 pA. Rozcieńczyć pręt docelowy do blaszki TEM z prętem H o grubości od 150 do 180 nm.
    2. Wytnij wcięcie blisko padu (pad V+), którego dotknie końcówka przetwornika w TEM. Użyj wycięcia jako znacznika, aby zidentyfikować właściwą podkładkę w TEM.

3. Transfer próbki z SEM do TEM

  1. Załóż antystatyczną opaskę na nadgarstek przed dotknięciem próbki.
  2. Zdemontować przygotowaną próbkę pręta H ze stopnia SEM. Utrzymuj próbkę na stoliku Cu podczas wyjmowania jej z SEM.
  3. Zamocuj Cu stage na uchwycie TEM. Przesunąć końcówkę przetwornika uchwytu TEM blisko struktury testowej (kilkaset mikrometrów od struktury testowej) pod mikroskopem optycznym.
    1. Ostrożnie włóż uchwyt TEM do TEM. Nie należy stosować żadnych zabiegów czyszczących (np. czyszczenia plazmowego) podczas procesu przenoszenia, w przeciwnym razie może to wpłynąć na lamelę.
  4. Czas przenoszenia próbki należy utrzymywać w granicach 15 minut lub krócej, aby uniknąć zbyt dużego narażenia na wilgoć i tlen z otoczenia.

4. Ustanawianie połączenia elektrycznego (Rysunek 3)

  1. Podłącz uchwyt TEM do jego systemu sterowania i SourceMeter. Następnie włącz system sterowania i SourceMeter.
  2. Monitoruj końcówkę przetwornika w TEM podczas zgrubnego podejścia końcówki przetwornika do struktury testowej, dostrajając pokrętła na uchwycie TEM.
    1. Przesuń końcówkę przetwornika uchwytu TEM w pobliże podkładki V+ (≤ 500 nm). Ustaw końcówkę przetwornika na tym samym poziomie (Z: wysokość) co końcówka przetwornika. Dostosuj położenie końcówki i spraw, aby końcówka była skierowana do środka pada V+.
  3. Zmocuj końcówkę przetwornika do podkładki V+. Ustaw bardzo niskie napięcie na końcówce (od 0,5 V do około 1 V) podczas zbliżania się do podkładki. Monitoruj prąd jednocześnie, aby upewnić się, że kontakt został nawiązany.

5. Eksperyment in situ TDDB

  1. W TEM należy zastosować napięcie przyspieszone 200 kV. Przesuń wiązkę elektronów do obszaru zainteresowania; Wybierz odpowiednie powiększenie i ustaw ostrość obrazu.
  2. Użyj stopni przy słabym oświetleniu (≤ 8), aby zmniejszyć uszkodzenia wiązki na badanej konstrukcji. Użyj apertury kondensatora, aby zlokalizować obszar oświetlenia tylko w cienkiej części próbki H-bar.
  3. Przyłóż stałe napięcie (≤ 40 V) do struktury "od końcówki do końcówki" za pomocą SourceMeter podczas nagrywania obrazów TEM in situ (2-3 klatki/s). Rejestruj obrazy automatycznie za pomocą samodzielnego kodu, np. za pomocą oprogramowania DigitalMicrograph.
  4. Przerwij eksperyment, gdy zauważysz pozorną dyfuzję metalu do dielektryków ULK i wykonaj analizę chemiczną obrazowania spektroskopowego elektronów (ESI).
    1. Włóż otwór szczelinowy filtra do filtra energii Omega w TEM.
    2. Dostosuj szerokość otworu mułu filtra, aby uzyskać odpowiednią szerokość energii (10–20 eV) w widmie strat energii elektronów (EELS).
    3. Przenieś energię do piku adsorpcji miedzi na krawędzi M w węgorzach.
    4. Wróć do trybu obrazowania, aby uzyskać obraz TEM z filtrem energii w piku absorpcji krawędzi Cu M.
    5. Przesuń energię do przedkrawędzi miedzianej krawędzi M i uzyskaj kolejny obraz TEM z filtrem energii.
    6. Skoryguj dryft próbki między dwoma obrazami.
    7. Podziel pierwszy obraz przez drugi, aby uzyskać obraz współczynnika skoku Cu.
  5. Kontynuuj eksperyment TDDB: ponownie przyłóż stałe napięcie (≤ 40 V) do struktury "od końcówki do końcówki" za pomocą SourceMeter i zarejestruj obrazy TEM.

6. Tomografia komputerowa

  1. Wykonaj tomografię komputerową TEM po zakończeniu eksperymentu TDDB, aby uzyskać informacje o rozkładzie 3D rozproszonych cząstek.
  2. Przechylić próbkę i zarejestrować serię przechyleń o 138°. Użyj kroku pochylenia o 1° i rejestruj obraz podczas każdego kroku w trybie STEM jasnego pola (BF).
  3. Rekonstrukcja serii (obejmuje wyrównywanie obrazów, określanie osi nachylenia, rekonstrukcję objętości i segmentacji w celu utworzenia objętości tomograficznej 3D).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rysunek 4 przedstawia obrazy TEM w polu jasnym (BF) z testu in situ. Przed testem elektrycznym (Rysunek 4A) widoczne są częściowo przerwane bariery TaN/Ta oraz istniejące wcześniej atomy Cu w dielektrykach ULK, co jest wynikiem długotrwałego przechowywania w warunkach otoczenia. Po zaledwie 376 s przy napięciu 40 V nastąpił przebicie dielektryka, któremu towarzyszyły dwie główne ścieżki migracji miedzi z metalu M1, posiadającego potencjał dodatni w odniesieniu do strony uziemion...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Warunkiem powodzenia w eksperymencie TDDB jest dobre przygotowanie próbki, zwłaszcza w procesie mielenia FIB w SEM. Po pierwsze, należy nałożyć grubą warstwę Pt na strukturę "od czubka do końca". Grubość i rozmiar warstwy Pt mogą być regulowane przez operatora SEM, ale muszą przestrzegać trzech zasad: (1) Grubość i rozmiar są wystarczające, aby chronić obszar docelowy przed możliwym uszkodzeniem wiązki jonów podczas całego procesu mielenia; (2) Na wierzchu próbki pozostałej po mieleniu nadal znajduje się stosunkowo gruba...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Brak sprzecznych interesów finansowych.

Podziękowania

Autorzy chcieliby podziękować Rüdigerowi Rosenkranzowi i Svenowi Niese (Fraunhofer IKTS-MD) za pomoc w przygotowaniu próbki, a także Ude Hangenowi, Douglasowi Staufferowi, Ryanowi Majorowi i Odenowi Warrenowi (Hysitron Inc.) za wsparcie techniczne przy uchwycie PI95 TEM. Doceniane jest również wsparcie ze strony Centrum Rozwoju Elektroniki w Dreźnie (cfaed) oraz Centrum Nanoanalizy w Dreźnie (DCN) przy Technische Universität Dresden.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Automatyczna piła do krojenia w kostkęDISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies
Skaningowy mikroskop elektronowyZeissZeiss Nvision 40
PicoindentorHysitronHysitron Pi95
Keithley SourceMeterKeithleyKeithley 2602/237
Transmisyjny mikroskop elektronowyFEIFEI Tecnai F20
Transmisyjny mikroskop elektronowyZeissZeiss Libra 200

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Badanie elektryczne in situtomografia elektronowautcie czanie wi zk skupionych jon wmiedziane po czenia o ultra niskiej sta ej dielektrycznejmechanizm uszkodzenia dielektrykaanaliza kinetyki degradacjiobrazowanie spektroskopowe elektron wstruktura od wierzcho ka do wierzcho ka
In Situ Zależny od czasu przewrót dielektryczny w transmisyjnym mikroskopie elektronowym: możliwość zrozumienia mechanizmu awarii w urządzeniach mikroelektronicznych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.