Name: In Situ Zależny od czasu przewrót dielektryczny w transmisyjnym mikroskopie elektronowym: możliwość zrozumienia mechanizmu awarii w urządzeniach mikroelektronicznych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 26 s
Description: Poznaj mechanizmy uszkodzeń dielektrycznych w mikroelektronice przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Metoda umożliwia badanie kinetyki degradacji w układach miedziowych z materiałami ultra low K.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

1. Przygotowanie próbki do przerzedzania skupionej wiązki jonów (FIB) (Rysunek 1)
<ol>
	<li>Rozdrobnij cały wafel na małe wióry (~ 10 mm na 10 mm) za pomocą rysika diamentowego.</li>
	<li>Zaznacz pozycje struktury "od czubka do czubka" na żetonach.</li>
	<li>Przetnij wióry za pomocą kostkarki, aby uzyskać pręty o wymiarach 60 μm na 2 mm. Pasek zawiera strukturę "od czubka do czubka" pośrodku.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
2. Rozrzedzenie FIB w skaningowym mikroskopie elektronowym (Rysunek 2)
<ol>
	<li>Umieść próbkę uzyskaną w kroku 1 na stoliku próbki SEM i ostrożnie umieść stolik w SEM.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Frezowanie FIB
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Wytnij wcięcie blisko padu (pad V+), którego dotknie końcówka przetwornika w TEM. Użyj wycięcia jako znacznika, aby zidentyfikować właściwą podkładkę w TEM.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Transfer próbki z SEM do TEM
<ol>
	<li>Załóż antystatyczną opaskę na nadgarstek przed dotknięciem próbki.</li>
	<li>Zdemontować przygotowaną próbkę pręta H ze stopnia SEM. Utrzymuj próbkę na stoliku Cu podczas wyjmowania jej z SEM.</li>
	<li>Zamocuj Cu stage na uchwycie TEM. Przesunąć końcówkę przetwornika uchwytu TEM blisko struktury testowej (kilkaset mikrometrów od struktury testowej) pod mikroskopem optycznym.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Czas przenoszenia próbki należy utrzymywać w granicach 15 minut lub krócej, aby uniknąć zbyt dużego narażenia na wilgoć i tlen z otoczenia.</li>
</ol>
4. Ustanawianie połączenia elektrycznego (Rysunek 3)
<ol>
	<li>Podłącz uchwyt TEM do jego systemu sterowania i SourceMeter. Następnie włącz system sterowania i SourceMeter.</li>
	<li>Monitoruj końcówkę przetwornika w TEM podczas zgrubnego podejścia końcówki przetwornika do struktury testowej, dostrajając pokrętła na uchwycie TEM.
	<ol>
		<li>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+.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
</ol>
5. Eksperyment in situ TDDB
<ol>
	<li>W TEM należy zastosować napięcie przyspieszone 200 kV. Przesuń wiązkę elektronów do obszaru zainteresowania; Wybierz odpowiednie powiększenie i ustaw ostrość obrazu.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Przerwij eksperyment, gdy zauważysz pozorną dyfuzję metalu do dielektryków ULK i wykonaj analizę chemiczną obrazowania spektroskopowego elektronów (ESI).
	<ol>
		<li>Włóż otwór szczelinowy filtra do filtra energii Omega w TEM.</li>
		<li>Dostosuj szerokość otworu mułu filtra, aby uzyskać odpowiednią szerokość energii (10–20 eV) w widmie strat energii elektronów (EELS).</li>
		<li>Przenieś energię do piku adsorpcji miedzi na krawędzi M w węgorzach.</li>
		<li>Wróć do trybu obrazowania, aby uzyskać obraz TEM z filtrem energii w piku absorpcji krawędzi Cu M.</li>
		<li>Przesuń energię do przedkrawędzi miedzianej krawędzi M i uzyskaj kolejny obraz TEM z filtrem energii.</li>
		<li>Skoryguj dryft próbki między dwoma obrazami.</li>
		<li>Podziel pierwszy obraz przez drugi, aby uzyskać obraz współczynnika skoku Cu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Kontynuuj eksperyment TDDB: ponownie przyłóż stałe napięcie (≤ 40 V) do struktury "od końcówki do końcówki" za pomocą SourceMeter i zarejestruj obrazy TEM.</li>
</ol>
6. Tomografia komputerowa
<ol>
	<li>Wykonaj tomografię komputerową TEM po zakończeniu eksperymentu TDDB, aby uzyskać informacje o rozkładzie 3D rozproszonych cząstek.</li>
	<li>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).</li>
	<li>Rekonstrukcja serii (obejmuje wyrównywanie obrazów, określanie osi nachylenia, rekonstrukcję objętości i segmentacji w celu utworzenia objętości tomograficznej 3D).</li>
</ol>

<ol><li>Edelstein, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Full+Copper+Wiring+in+a+Sub-0.25+%C2%B5m+CMOS+ULSI+Technology%5BTitle%5D)+AND+%22IEDM+Tech.+Dig%22%5BJournal%5D)">Full Copper Wiring in a Sub-0.25 µm CMOS ULSI Technology.</a> IEDM Tech. Dig. , 773-776 (1997).</li>
<li>List, S., Bamal, M., Stucchi, M., Maex, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+global+view+of+interconnects%5BTitle%5D)+AND+%22Microelectron.+Eng%22%5BJournal%5D)">A global view of interconnects.</a> Microelectron. Eng. 83 (11/12), 2200-2207 (2006).</li>
<li>Meindl, J. D., Davis, J. A., Zarkesh-Ha, P., Patel, C. S., Martin, K. P., Kohl, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interconnect+opportunities+for+gigascale+integration%5BTitle%5D)+AND+%22IBM+J.+Res.+Develop%22%5BJournal%5D)">Interconnect opportunities for gigascale integration.</a> IBM J. Res. Develop. 46 (2/3), 245-263 (2002).</li>
<li>Zhang, X. F., Wang, Y. W., Im, J. H., Ho, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chip-Package+Interaction+and+Reliability+Improvement+by+Structure+Optimization+for+Ultralow-k+Interconnects+in+Flip-Chip+Packages%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Device+Mater.+Reliab%22%5BJournal%5D)">Chip-Package Interaction and Reliability Improvement by Structure Optimization for Ultralow-k Interconnects in Flip-Chip Packages.</a> IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 12 (2), 462-469 (2012).</li>
<li>Lee, K. D., Ogawa, E. T., Yoon, S., Lu, X., Ho, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electromigration+reliability+of+dual-damascene+Cu%2Fporous+methylsilsesquioxane+low+k+interconnects%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Electromigration reliability of dual-damascene Cu/porous methylsilsesquioxane low k interconnects.</a> Appl. Phys. Lett. 82 (13), 2032(2003).</li>
<li>Zschech, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stress-induced+phenomena+in+nanosized+copper+interconnect+structures+studied+by+x-ray+and+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Stress-induced phenomena in nanosized copper interconnect structures studied by x-ray and electron microscopy.</a> J. Appl. Phys. 106 (9), 093711(2009).</li>
<li>Tan, T. L., Hwang, N., Gan, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dielectric+Breakdown+Failure+Mechanisms+in+Cu-SiOC+low-k+interconnect+system%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Bimodal%22%5BJournal%5D)">Dielectric Breakdown Failure Mechanisms in Cu-SiOC low-k interconnect system.</a> IEEE Trans. Bimodal. 7 (2), 373-378 (2007).</li>
<li>Zhao, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+observation+of+the+1%2FE+dependence+of+time+dependent+dielectric+breakdown+in+the+presence+of+copper%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Direct observation of the 1/E dependence of time dependent dielectric breakdown in the presence of copper.</a> Appl. Phys. Lett. 98 (3), 032107(2011).</li>
<li>Breuer, T., Kerst, U., Boit, C., Langer, E., Ruelke, H., Fissel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conduction+and+material+transport+phenomena+of+degradation+in+electrically+stressed+ultra-low-k+dielectric+before+breakdown%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Conduction and material transport phenomena of degradation in electrically stressed ultra-low-k dielectric before breakdown.</a> J. Appl. Phys. 112 (12), 124103(2012).</li>
<li>Lloyd, J. R., Liniger, E., Shaw, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simple+model+for+time-dependent+dielectric+breakdown+in+inter-+and+intralevel+low-k+dielectrics%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Simple model for time-dependent dielectric breakdown in inter- and intralevel low-k dielectrics.</a> J. Appl. Phys. 98 (8), 084109(2005).</li>
<li>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).</li>
<li>Wu, W., Duan, X., Yuan, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+of+Time-Dependent+Dielectric+Breakdown+in+Copper+Metallization%29%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Device+Mater.+Reliab%22%5BJournal%5D)">Modeling of Time-Dependent Dielectric Breakdown in Copper Metallization).</a> IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 3 (2), 26-30 (2003).</li>
<li>Achanta, R. S., Plawsky, J. L., Gill, W. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+time+dependent+dielectric+breakdown+model+for+field+accelerated+low-k+breakdown+due+to+copper+ions%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">A time dependent dielectric breakdown model for field accelerated low-k breakdown due to copper ions.</a> Appl. Phys. Lett. 91 (23), 234106(2007).</li>
<li>Chen, F., Shinosky, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft+breakdown+characteristics+of+ultralow-k+time-dependent+dielectric+breakdown+for+advanced+complementary+metal-oxide+semiconductor+technologies%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Soft breakdown characteristics of ultralow-k time-dependent dielectric breakdown for advanced complementary metal-oxide semiconductor technologies.</a> J. Appl. Phys. 108 (5), 054107(2010).</li>
<li>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).</li>
<li>Yeap, K. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+study+on+low-k+interconnect+time-dependent-dielectric-breakdown+mechanisms%29%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">In situ study on low-k interconnect time-dependent-dielectric-breakdown mechanisms).</a> J. Appl. Phys. 115 (12), 124101(2014).</li>
<li>Liao, Z. Q., et al. In-situ Study of the TDDB-Induced Damage Mechanism in Cu/Ultra-low-k Interconnect Structures. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLiao%2C+ZQ+%22Microelectron.+Eng%22">Microelectron. Eng</a>. In Press, (2014).</li>
<li>Liao, Z. Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+New+In+Situ+Microscopy+Approach+to+Study+the+Degradation+and+Failure+Mechanisms+of+Time-Dependent+Dielectric+Breakdown%3A+Set-Up+and+Opportunities%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Eng.+Mater%22%5BJournal%5D)">A New In Situ Microscopy Approach to Study the Degradation and Failure Mechanisms of Time-Dependent Dielectric Breakdown: Set-Up and Opportunities.</a> Adv. Eng. Mater. 16 (5), 486-493 (2014).</li>
<li>Lee, Z., Meyer, J. C., Rose, H., Kaiser, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimum+HRTEM+image+contrast+at+20+kV+and+80+kV-Exemplified+by+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">Optimum HRTEM image contrast at 20 kV and 80 kV-Exemplified by graphene.</a> Ultramicroscopy. 112 (1), 39-46 (2012).</li>
<li>Bell, D. C., Russo, C. J., Kolmykov, D. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((40+keV+atomic+resolution+TEM%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">40 keV atomic resolution TEM.</a> Ultramicroscopy. 114, 31-37 (2012).</li>
<li>Kaiser, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transmission+electron+microscopy+at+20+kV+for+imaging+and+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">Transmission electron microscopy at 20 kV for imaging and spectroscopy.</a> Ultramicroscopy. 111 (8), 1239-1246 (2011).</li>
<li>Egerton, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Control+of+radiation+damage+in+the+TEM%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">Control of radiation damage in the TEM.</a> Ultramicroscopy. 127, 100-108 (2013).</li>
<li>Jiang, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Damage+mechanisms+in+electron+microscopy+of+insulating+materials%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+D%3A+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Damage mechanisms in electron microscopy of insulating materials.</a> J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 305502(2013).</li>
<li>Buban, J. P., Ramasse, Q., Gipson, B., Browning, N. D., Stahlberg, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+low-dose+scanning+transmission+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electron+Microsc%22%5BJournal%5D)">High-resolution low-dose scanning transmission electron microscopy.</a> J. Electron Microsc. 59 (2), 103-112 (2010).</li>
<li>Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Radiation+damage+in+the+TEM+and+SEM%5BTitle%5D)+AND+%22Micron%22%5BJournal%5D)">Radiation damage in the TEM and SEM.</a> Micron. 35 (6), 399-409 (2004).</li>
</ol>

Brak sprzecznych interesów finansowych.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Automatyczna piła do krojenia w kostkę</td><td>DISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Skaningowy mikroskop elektronowy</td><td>Zeiss</td><td>Zeiss Nvision 40</td><td></td></tr><tr><td>Picoindentor</td><td>Hysitron</td><td>Hysitron Pi95</td><td></td></tr><tr><td>Keithley SourceMeter</td><td>Keithley</td><td>Keithley 2602/237</td><td></td></tr><tr><td>Transmisyjny mikroskop elektronowy</td><td>FEI</td><td>FEI Tecnai F20</td><td></td></tr><tr><td>Transmisyjny mikroskop elektronowy</td><td>Zeiss</td><td>Zeiss Libra 200</td><td></td></tr></tbody></table>

in situ zależny od czasu przewrót dielektryczny w transmisyjnym mikroskopie elektronowym: możliwość zrozumienia mechanizmu awarii w urządzeniach mikroelektronicznych

In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

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.

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...

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.

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

The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. ...

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest udoskonalenie procedury stosowanej do badania mechanizmów awarii związanych z czasowo zależnym przebiciem dielektryka oraz kinetyki degradacji w miedzianych stosach połączeń o ultra niskiej stałej dielektrycznej (ultra low K). Zostanie to osiągnięte poprzez zaprojektowanie i wykonanie specjalnej struktury typu tip-to-tip, składającej się z w pełni enkapsulowanych miedzianych połączeń izolowanych materiałem ultra low K w obrębie całego wafla.W drugim kroku należy przygotować nienaruszoną próbkę w kształcie litery H, wykorzystując technikę cieńczenia wiązką skupionych jonów w skaningowym mikroskopie elektronowym. Następnie należy ustanowić połączenie elektryczne i przeprowadzić testy elektryczne in situ w transmisyjnym mikroskopie elektronowym, aby zbadać kinetykę degradacji oraz mechanizmy uszkodzeń miedzianych stosów połączeń o ultra niskiej stałej dielektrycznej (ultra low K).Wyniki przedstawiają kinetykę degradacji oraz zależne od czasu mechanizmy przebicia dielektrycznego w stosach połączeń miedzianych o ultra niskiej stałej K. Analiza uszkodzeń jest zazwyczaj przeprowadzana po testach elektrycznych, które wykonuje się na poziomie wafla, a nie na częściach obudowanych. Pozwala to na uzyskanie bardzo ograniczonej ilości informacji o rzeczywistym mechanizmie uszkodzenia.Główną zaletą naszej techniki jest fakt, że jesteśmy w stanie obserwować mechanizm uszkodzenia in situ w TEM; procedurę zaprezentują Yvo Duncan, nasz technik, Mula, nasz ekspert w zakresie TM oraz John, doktorant w naszym laboratorium. Na początek załóż antystatyczną opaskę na nadgarstek, aby zapobiec uszkodzeniu próbki. Następnie zaznacz na waflu pozycje struktur typu tip-to-tip.Następnie za pomocą rysika diamentowego należy pociąć cały wafelek na małe płytki o wymiarach około 10 mm na 10 mm. Płytki należy przymocować do sześciocalowego wafla krzemowego za pomocą gorącego wosku, wykorzystując maszynę do dicingu. Każdą płytkę należy rozciąć tak, aby uzyskać paski o wymiarach 60 µm na 2 mm, wycentrowane względem struktury od końcówki do końcówki.Następnie przymocuj pręt docelowy do miedzianego półpierścienia za pomocą superkleju. Następnie przyklej pręt do miedzianej podstawki na próbkę, również stosując superklej.Następnie należy użyć pasty srebrowej, aby zapewnić przewodzenie między półpierścieniem a miedzianym stolikiem z próbką. Umieść próbkę na stoliku SEM, a następnie ostrożnie wprowadź stolik do mikroskopu. Następnie wybierz tryb osadzania, aby nanieść ochronną warstwę platyny przy użyciu wiązki jonów o energii 30 kV.Ustaw prąd na około 150 pico amps, aby uzyskać satysfakcjonującą wydajność dla pożądanych wymiarów warstwy platyny. W podobny sposób nanieś linię z platyny, aby połączyć jedną elektrodę z miedzianą podstawką pełniącą rolę potencjału masy. Na wierzchu struktury tip-to-tip nanieś grubą warstwę platyny.Jest to bardzo ważne, ponieważ minimalizuje uszkodzenia jonowe podczas procesuycieńniania wiązką skupionych jonów i wzmacnia cienką lamelę. Należy uważać, aby nie wprowadzić żadnych połączeń przewodzących między dwiema podkładkami struktury typu tip-to-tip na górze. W przeciwnym razie zniszczą Państwo swoją strukturę.Aby przerobić pręt docelowy na pręt w kształcie litery H, zastosuj napięcie 30 kV i prąd 10 pA. Lamella TEM powinna mieć grubość od 150 do 180 nm. Wykonaj nacięcie w pobliżu dodatniej podkładki napięciowej, wykorzystując trawienie wiązką skupionego strumienia jonów.Wcięcie posłuży jako znacznik do identyfikacji odpowiedniej płytki w TEM i zostanie dotknięte końcówką przetwornika w transmisyjnym mikroskopie elektronowym. Przed dotknięciem próbki załóż antystatyczną opaskę na nadgarstek. Następnie zdejmij przygotowaną próbkę hbar ze stołu SEM, pozostawiając ją na miedzianym podłożu.Przymocuj miedziany stolik do uchwytu TEM i za pomocą mikroskopu optycznego przesuń końcówkę przetwornika uchwytu TEM w pobliże badanej struktury. Następnie wprowadź próbkę do TEM. Należy ściśle dopilnować, aby czas transferu próbki nie przekroczył 15 minut. Aby uniknąć nadmiernej ekspozycji na wilgoć i tlen z otoczenia, podłącz uchwyt TEM do systemu sterowania oraz miernika źródłowego.Następnie włącz system sterowania oraz miernik źródła. Rozpocznij przybliżanie końcówki przetwornika do badanej struktury, regulując pokrętła uchwytnika TEM. W trakcie przybliżania monitoruj pozycję końcówki przetwornika w oknie podglądu.Następnie przesuń końcówkę przetwornika uchwytu TEM na odległość do 500 nanometrów od dodatniego kontaktu napięciowego. Ustaw końcówkę przetwornika na tej samej wysokości Z co kontakt, a następnie skoryguj pozycję końcówki tak, aby była skierowana w stronę środka dodatniego kontaktu napięciowego. Podczas zbliżania się do dodatniego kontaktu napięciowego ustaw na końcówce potencjał od 0,5 wolta do około jednego wolta.Monitoruj prąd jednocześnie, aby wiedzieć, kiedy nawiązano kontakt. Przesuń wiązkę elektronów do obszaru zainteresowania. Wybierz odpowiednie powiększenie i ustaw ostrość obrazu.Należy stosować niskie stopnie naświetlania, aby zmniejszyć uszkodzenia wiązki w strukturze testowej. Należy również użyć przysłony kondensora, aby ograniczyć obszar oświetlenia wyłącznie do cienkiej części próbki hbar. Przy użyciu miernika źródłowego należy przyłożyć stałe napięcie mniejsze niż lub równe 40 voltów do struktury od czubka do czubka, rejestrując jednocześnie od dwóch do trzech klatek obrazów TEM w trybie C dwa.Przerwij eksperyment w momencie zaobserwowania wyraźnej dyfuzji metalu w dielektryki ULK i przeprowadź chemiczną analizę obrazowania spektroskopowego elektronów. W tym celu najpierw wsuń przysłonę szczeliny filtra do filtra energii omega w TEM.Dostrój szerokość szczeliny filtra, aby uzyskać odpowiednią szerokość energetyczną od 10 do 20 elektronowoltów w widmie strat energii elektronów. Następnie przesuń energię na szczyt absorpcji krawędzi M miedzi w widmie strat energii elektronów. Powróć do trybu obrazowania, aby uzyskać obraz TEM z filtrowaniem energii na szczycie absorpcji krawędzi M miedzi.Następnie przesuń energię na krawędź przedprogową (pre-edge) krawędzi M miedzi i uzyskaj kolejny obraz TEM z filtrowaniem energii, skoryguj dryft próbki pomiędzy tymi dwoma obrazami, a następnie podziel pierwszy obraz przez drugi, aby otrzymać obraz stosunku skokowego (jump ratio) dla miedzi. Aby uzyskać trójwymiarowy rozkład informacji o rozproszonych cząstkach, pochyl próbkę i zarejestruj serię pochyleń zaczynając od 138 stopni. Stosuj krok pochylenia wynoszący jeden stopień i rejestruj obrazy na każdym kroku w trybie skanowania w polu jasnym.Na koniec zrekonstruuj serię obrazów, stosując standardowe techniki, aby utworzyć trójwymiarową objętość tomograficzną. Oto obraz TEM w polu jasnym z testu in CQ. Widoczne są częściowo przebite azotki tantalu, bariery tantalowe oraz istniejące wcześniej atomy miedzi w dielektrykach ultra locate. Przed testem elektrycznym, ze względu na długotrwałe przechowywanie w warunkach otoczenia, po zaledwie 376 sekundach przy napięciu 40 V nastąpił przebicie dielektryka, któremu towarzyszyły dwie główne ścieżki migracji miedzi z metalu M1 posiadającego potencjał dodatni w odniesieniu do masy.Rozproszone cząstki miedzi w dielektrykach ultra-lokalnych są widoczne również w próbce wolnej od wad. Struktura od wierzchołka do wierzchołka pozostaje nienaruszona, bez żadnych uszkodzeń w barierze tanin nitrytu taninu, przez ponad 50 minut, aż do momentu przebicia. Wydaje się, że atomy metalu migrowały do tlenku krzemu z dolnego narożnika metalu M1 posiadającego potencjał dodatni, co zaznaczono czerwoną strzałką.Przedstawiona tutaj spektroskopowa analiza chemiczna elektronów dowodzi istnienia ścieżki migracji miedzi na powierzchni pęknięcia między warstwami. Nie można było tego wykryć na podstawie kontrastu obrazów TEM w jasnym polu. Główną zaletą naszej techniki jest możliwość śledzenia mechanizmu TDB in situ oraz za pomocą TEM.Zaobserwowaliśmy, że w przypadku przerwania bariery może dojść do masywnej dyfuzji miedzi, a nawet w sytuacji, gdy bariera (na bazie azotku glinu i tantalu) pozostaje nienaruszona, w najcieńszych miejscach może dojść do rozpuszczania, za którym następuje dyfuzja. Podkreśla to w ogromnym stopniu fakt, że proces tworzenia bariery musi być ściśle kontrolowany, zwłaszcza w kontekście przyszłego skalowania w dół produktów nieelektronicznych.

in-situ-time-dependent-dielectric-breakdown-transmission-electron

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

In Situ zależne od czasu zgniecenie dielektryczne w mikroskopie transmisyjnym elektronów: możliwość zrozumienia mechanizmu awarii w mikroelektronicznych urządzeniach

Opracowaliśmy niezależną komórkę cieczową, która umożliwia obrazowanie przez ciecze za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Dynamiczne procesy zachodzące w nanocząstkach w cieczach mogą być ujawniane w czasie rzeczywistym z rozdzielczością subnanometrową.

Odkrywanie dynamicznych procesów materiałów w cieczach za pomocą mikroskopii elektronowej transmisji komórek ciekłych

Synchrotronowa mikrotomografia twardego promieniowania rentgenowskiego jest używana do obrazowania elektrochemicznego wzrostu dendrytów z elektrody litowo-metalowej przez membranę elektrolitu polimerowego.

Analiza uszkodzeń baterii za pomocą synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

W tym badaniu mikrotomografia promieniowania synchrotronowego, nieniszcząca technika obrazowania trójwymiarowego, jest wykorzystywana do zbadania całego pakietu mikroelektronicznego o polu przekroju poprzecznego 16 x 16 mm. Ze względu na wysoki strumień i jasność synchrotronu, próbka została zobrazowana w zaledwie 3 minuty z rozdzielczością przestrzenną 8,7 μm.

Wykorzystanie mikrotomografii promieniowania synchrotronowego do badania wieloskalowych trójwymiarowych pakietów mikroelektronicznych

Optyczne, elektryczne i strukturalne właściwości dyslokacji i granic ziaren w materiałach półprzewodnikowych można określić za pomocą eksperymentów przeprowadzonych w skaningowym mikroskopie elektronowym. Mikroskopia elektronowa została wykorzystana do zbadania katodoluminescencji, prądu indukowanego wiązką elektronów i dyfrakcji elektronów rozproszonych wstecznie.

Kompleksowa charakterystyka rozszerzonych defektów w materiałach półprzewodnikowych za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego

Izolowanie elektrycznych i termicznych efektów na elektrycznie wspomagane deformacje (EAD) jest bardzo trudne przy użyciu makroskopowych próbek. Opracowano mikro- i nanostruktury próbek metalicznych wraz z niestandardową procedurą testową w celu oceny wpływu przyłożonego prądu na powstawanie bez ogrzewania dżuli i ewolucję dyslokacji na tych próbkach.

Nowatorska metoda elektromechanicznej charakterystyki próbek w nanoskali in situ

Prezentowany tutaj jest protokół do analizy zmian nanostrukturalnych podczas polaryzacji in situ z transmisyjną mikroskopią elektronową (TEM) dla ułożonej struktury metal-izolator-metal. Ma on znaczące zastosowania w rezystancyjnych poprzeczkach przełączających dla nowej generacji programowalnych obwodów logicznych i sprzętu neuronaśladującego, aby ujawnić ich podstawowe mechanizmy działania i praktyczne zastosowanie.

Transmisyjna mikroskopia elektronowa in situ z polaryzacją i wytwarzaniem asymetrycznych poprzeczek w oparciu o mieszane fazy a-VO x

Obecny protokół opisuje modyfikacje transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) z systemem oświetlenia świetlnego, wytwarzanie komórek płynnych oraz obserwacje in situ TEM indukowanych światłem interakcji między komórkami bakteryjnymi a fotosensybilizatorem. Omówiono również metody przygotowania próbek, uszkodzenia wiązki elektronów i obrazowanie.

Indukowana światłem transmisyjna mikroskopia elektronowa in situ do obserwacji oddziaływania ciecz-miękka materia

Wykorzystując zmianę objętości nanocząstek Si podczas (de)litacji, obecny protokół opisuje metodę przesiewową potencjalnych powłok dla baterii półprzewodnikowych za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ.

Przesiewanie powłok dla baterii półprzewodnikowej przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ

Tutaj opisujemy przebieg pracy za pomocą laserowej mikroskopii skaningowej do określenia objętości elektromigracji przez testowaną metalową linię. Zmieniając różne zmienne eksperymentalne, można uzyskać wiele informacji na temat elektromigracji. W niniejszej pracy określono długość początku elektromigracji.

Wykorzystanie laserowej mikroskopii skaningowej do określenia elektromigracji w dwukrzemku molibdenu

Opisano zastosowanie obrazowania kontrastowego z kanałem elektronowym w skaningowym mikroskopie elektronowym do charakteryzowania defektów w cienkich warstwach heteroekspeksjalnych III-V/Si. Metoda ta daje podobne wyniki do transmisyjnej mikroskopii elektronowej w widoku planowym, ale w znacznie krótszym czasie ze względu na brak wymaganego przygotowania próbki.

Obrazowanie kontrastowe z kanałem elektronowym do szybkiej charakterystyki heteroepitaksjalnej III-V

Poznaj mechanizmy uszkodzeń dielektrycznych w mikroelektronice przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Metoda umożliwia badanie kinetyki degradacji w układach miedziowych z materiałami ultra low K.

In Situ Zależny od czasu przewrót dielektryczny w transmisyjnym mikroskopie elektronowym: możliwość zrozumienia mechanizmu awarii w urządzeniach mikroelektronicznych (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów